硅光子学:过去、现在和未来
光电工业设计人员传统上使用分立光学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元件，如激光器、调制器、光电探测器、隔离器、MUX/DE-MUX、光学金盒子组件(如传输光学子组件(TOSA))形式的透镜(见图1)和接收光学组件(ROSA)。由于在制造过程中可能需要多个有源和无源光学对准，例如，激光到调制器，调制器到光复用器，以及解复用器到光电二极管等，因此TOSA和ROSA组装过程具有相当的限制性和昂贵性，这使得整个组装过程非常繁琐。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，但现在已经成为一项成熟的技术。许多公司都能够以极具竞争力的价格成功地制造出SiPh产品。
对于这种新的可扩展技术，业界正在发生范式转变，因为它显示出快速的指数增长，并满足了大批量生产的承诺。SiPh使用硅作为光信号传输的介质。SiPh的主要优点是在同一IC内集成光学和电子器件的潜力，以及它与现有互补金属氧化物半导体工艺(CMOS)的兼容性。
SiPh集成了激光源、耦合器、功率分配器、调制器、光复用/解复用器、相位旋转器和衰减器，使设计人员能够在单个IC内创建整个发射和接收光学系统(参见图2)。SiPh设备大大减少了组装步骤的数量，因此，制造时间和生产成本也大大减少。
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，硅波导用于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、肋形波导、平板波导和光子晶体波导。
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(核心)被低折射率材料包围时，形成高介电常数材料(如硅)的条带，周围是低介电常数材料(如SiO2和/或空气)，就会发生全内反射。图3显示了电场在带状波导横截面上的分布。绝缘体上硅(SOI)衬底中的光约束允许光波导紧密弯曲，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学信号，反之亦然。
光信号的幅度和相位可以通过将电信号应用于内置半导体PN结来创建衰减器、移相器和调制器等组件来控制。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调制器。
行波调制器基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)原理，其中一束准直的光被分成两个传播波，它们穿过不同的光路，并在输出端使用第二个分束器/组合器重新组合。强度调制将发生在光束合并器的输出端，这取决于在两个光路之间获得的相对相移。当两束以相同的相位到达时，会产生相长干涉，当两束相位差为180°时，会产生相消干涉。
在行波调制器(见图4)，电光信号转换是通过沿着光波导的长度创建半导体PN结来实现的。PN结和RF传输线构成调制器的行波结构。为了使沿PN结电极传播的电信号的相速度和光信号沿光波导传播的相速度相匹配，必须设计行波结构。调制电信号通过PN结二极管施加，导致PN结周围的折射率变化，从而控制光信号的相移。PN结的长度选择为峰值电信号提供180°的相对相移，从而产生最大强度调制。根据设计要求，载流子注入或耗尽型PN结设计都是可行的。
行波调制器可用于NRZ和PAM4信令。这些调制器往往是几毫米长，以实现所需的相移和需要高得多的驱动电压相比，环形调制器。
在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幅要求而变得流行。环形调制器由一个光学环形谐振器结构和环周围的电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)和以环形形式将定向耦合器的一只臂从其输出连接到输入的光反馈环。
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共振。在谐振频率处，一部分输入光信号被耦合到环形谐振器上，环形谐振器在环形上重复传播。
每当这个光信号绕环传播时，它就会积累一个相移，这个相移相当于2*PI的整数倍。随后从母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，母线波导输出端的透射谱将显示出强烈的倾斜。环形谐振器可以看作是窄带频率域或波长域陷波滤波器。环形调制器被设计成在谐振峰的斜率上仔细地定位工作波长，以便谐振的轻微移位将在母线波导的输出处显示为强度调制。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，从而在母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操作环形调制器。它们也可以用于NRZ和PAM4信号。
目前的可插拔收发器技术提供的最大数据吞吐量为400gbps。400G DDQSFP和OSFP等产品现在可用于数据中心应用。例如，400G产品使用PAM4信令，8个通道以每通道50gbps的速度运行开云体育官网登录平台网址
用于主机侧传输，而4个100gbps的通道用于线路侧传输。开云体育官网登录平台网址
400G DR4产品基于单一波长，四对并行光纤，而FR4产品基于SiPh芯片内的波分复用/解复用，从而在单对光纤上实现400G传输。超大规模数据中心(HSDC)通常需要多达150万根光纤
收发器，对100G/400G产品产生巨大需求。HSDC支持的数据通信的指数级增长是由于AR, VR, VOD, 5G，物联网和自动驾驶，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800gbps /1.6 Tbps链路，将需要8 /16个通道以每通道100 Gbps的速度运行，由于速度、功率和热限制，严重限制了可插拔收发器的应用。这将为硅创造一个巨大的机会
光子集成解决方案(见图6)。16个或更多通道的紧密集成，每个设备实现1.6 Tb或更高的数据开云体育官网登录平台网址吞吐量，将使集成硅光子学接近ASIC，避免了主机板上重新计时器的需要。这些高度集成的SiPh解决方案将使我们能够
解决任何未来产品的高带宽，功率和热要求，使用传统的分立光学器件即使不是不可能满足，也是相当困难的。
了解更多信息
1.L. Chrostowski和M. Hochberg，“硅光子学设计:从设备到系统，第一版。”
2.王俊荣，林世涛，杨振林，“硅调制器在25gb /s光子学平台上的应用”，2017年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, V. Veerasubramanian，“低电压35ghz硅光子调制器支持的112gb /s传输系统”，光子学报，Vol. 7, No. 3, 2015年6月。
4.Tien m.c.，“光电集成电路的硅光子器件”，加州大学伯克利分校，电子工程与计算机科学，技术报告第1号。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, R. Baets，“硅微环谐振器”，激光光子学报，2012，第1期，第47-73页。
6.数字互联用户手册。
