光电工业设计者传统上使用离散光器件进行收发器设计。该过程需要手动集成离散的自由空间光学组件，如激光器、调制器、光探测器、隔离器、MUX/DE-MUX、透镜，以光学金盒子组件的形式，如发射光学子组件(TOSA)(参见图1)和接收光学组件(ROSA)。TOSA和ROSA装配过程是非常受限和昂贵的，因为它可能需要在制造过程中进行多个有源和无源光学对准，例如，激光到调制器，调制器到光多路复用器，以及解复用器到光电二极管等，这使得整个装配过程相当繁琐。由于装配过程的手工性质，它限制了大批量生产，产品斜坡通常是困难的。
直到最近几年，硅光子学(SiPh)技术还局限于研究实验室，但现在它已成为一项成熟的技术。许多公司能够成功地以极具竞争力的价格创造出SiPh产品。
对于这种新的可扩展技术，行业发生了范式转变，因为它显示出快速的指数级增长，并满足了大批量制造的承诺。SiPh以硅为介质进行光信号传输。SiPh的主要优势是可以在同一个集成电路中集成光学和电子器件，并且可以与现有的互补金属氧化物半导体工艺(CMOS)兼容。
SiPh集成了激光源、耦合器、功率分配器、调制器、光多路复用器/解复用器、相位旋转器和衰减器，使设计人员能够在单个IC中创建整个发射和接收光学系统图2)．使用SiPh器件，装配步骤的数量大大减少，因此，制造时间和生产成本也大大降低。
在光子集成电路中，硅波导是引导电磁波(光)从输入到输出的最基本的物理结构。由于硅芯和二氧化硅包层之间的高折射率对比度，使用硅波导进行光信号传输成为可能。各种类型的光波导设计是可能的，如条形波导，肋状波导，平板波导，光子晶体波导。
所有这些类型的波导的基本原理都是相同的，但它们的几何形状不同。当高折射率材料(芯)被低折射率材料包围，形成一条高介电常数材料条带(如硅)，并被低介电常数材料(如SiO2和/或空气)包围时，就会发生全内反射。图3显示了横切截面上的电场分布。绝缘体上硅(SOI)衬底的光约束允许光波导的紧密弯曲，从而确保光子器件的高密度集成。
在先进的SiPh工艺中，磷化铟和锗可以单片集成在SOI晶圆上，以创建集成激光器和光电探测器。SiPh器件的一个重要特性是电子和光子之间的相互作用。通过集成激光器、调制器和光电探测器，电信号可以转换为光信号，反之亦然。
光信号的幅度和相位可以通过向内置半导体PN结施加电信号来控制，以创建衰减器、移相器和调制器等组件。两种类型的调制器通常用于数据通信
用途:行波调制器和环形谐振器。
行波调制器基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)原理，其中一束准直光束被分成两个传播波，它们穿过不同的光路，并在输出处使用第二个分束器/合束器重新组合。强度调制将发生在光束组合器的输出，取决于两个光路之间获得的相对相移。如果两束光束到达时相位相同，则会发生建设性干涉，如果两束光束180°相差，则会发生破坏性干涉。
在行波调制器中(参见图4)，通过沿光波导的长度建立一个半导体PN结，实现电到光信号的转换。PN结和RF传输线构成了调制器的行波结构。行波结构的设计必须使电信号沿PN结电极传播的相速度与光信号沿光波导传播的相速度相匹配。调制电信号应用于PN结二极管，导致PN结周围的折射率变化，从而控制光信号的相移。选择PN结的长度为峰值电信号提供180°的相对相移，从而产生最大强度调制。载流子注入或耗尽类型的PN结设计都是可行的，这取决于设计要求。
行波调制器可用于NRZ和PAM4信号。为了实现所需的相移，这些调制器往往只有几毫米长，与环形调制器相比，需要更高的驱动电压。
硅光子学中广泛应用的第二种调制器是环形调制器。环形调制器由于其超紧凑的尺寸和低电压摆动要求而变得流行。环形调制器由光学环形谐振器结构和环绕环形的电PN结组成图5)．环形谐振器子组件包括定向耦合器、直光波导部分(称为总线波导)和光反馈环，以圆形环的形式将定向耦合器的一个臂从输出端连接到输入端。
连续波激光源连接到总线波导的输入端。环形谐振器的尺寸经过优化，以提供所需光学频率的谐振。在谐振频率处，输入光信号的一部分被耦合到环形谐振器上，该谐振器重复地围绕环形传播。
每当这个光信号绕着环移动时，它就会累积一个相移，这个相移相当于2*PI的整数倍。随后，来自总线波导的波前耦合将导致环内的建设性干涉，产生谐振效应。由于这种共振，总线波导输出端的透射谱会出现强烈的倾斜。可以将环形谐振器视为窄带频域或波长域陷波滤波器。环形调制器被设计成仔细地将工作波长定位在共振峰的斜率上，以便共振中的轻微位移将显示为总线波导输出端的强度调制。通过PN结的高频电信号将改变折射率并引起共振峰的移位，从而在总线波导的输出端产生理想的强度调制。
环形调制器具有较小的光学带宽，并且对制造公差、热特性和操作条件非常敏感。因此，需要一个稳定和热控制电路来运行环形调制器。它们也可以用于NRZ和PAM4信号。
可插拔收发器技术的当前状态提供了最大400 Gbps的数据吞吐量。目前已有400G DDQSFP和OSFP等产品用于数据中心应用。例如，400G产品使用PAM4信令，有8个通道，每个通道运行速度为50 Gbps开云体育官网登录平台网址
用于主机端传输，而四个100gbps的信道处理线路端传输。开云体育官网登录平台网址
400G DR4产品基于单波长、四对并行光纤，而FR4基于SiPh芯片内的波分多路复用/解复用，可在单对光纤上实现400G传输。超大规模数据中心(HSDC)通常需要高达150万光学设备
收发器，为100G/400G产品创造了巨大的需求。HSDC支持的数据通信呈指数级增长是由于AR、VR、VOD、5G、物联网和自动驾驶等应用，这些应用要求未来产品具有更高的带宽和更低的功耗。
下一代产品，如800 Gbps/1.6 Tbps链路，将需要8 /16个通道以每通道100 Gbps的速度进行主机端传输，由于速度、功率和热的限制，严重限制了可插拔收发器应用。这将为硅创造巨大的机遇
光子学集成解决方案(见图6)．紧密集成16个或更多通道，以实现1.6 Tb或更高的每台设备的数开云体育官网登录平台网址据吞吐量，这将使集成硅光子学接近ASIC，避免了在主机板上重新计时器的需要。这些高度集成的SiPh解决方案将允许我们
解决任何未来产品的高带宽、功率和热要求，使用传统的离散光学器件即使不是不可能也很难满足。
文章发表于《SIJ》2019年7月印刷版，《基础》:第48页．
更多信息
1.L. Chrostowski和M. Hochberg，“硅光子学设计:从设备到系统，第一版。”
2.彭志强，林世泰，王俊荣，“用于25gb /s光子学平台的硅调制器”，2017激光与电光学术会议
环太平洋(CLEO-PR)。
3.A. Samani, M. Chagnon, D. Patel, Q. Zhong, s . Ghosh, M. Osman, D. V. Plant和V. Veerasubramanian，“低电压35 ghz硅光子调制器启用的112gb /s传输系统”，IEEE光子杂志，第7卷，第3期，2015年6月。
4.田兆昌，“硅光子器件在光电集成电路中的应用”，电子工程与计算机科学，技术报告No. 1。UCB /电- 2009 - 118。
5.W. Bogaerts, P. De Heyn, T. Van Vaerenbergh, K. De Vos, S. Kumar Selvaraja, T. Claes, P. Dumon, P. Bienstman, D. Van Thourhout和R. Baets，“硅微环谐振器”，激光光子学Rev. 6, No. 1, 2012，第47-73页。
6.Lumerical互连用户手册。
