硅基調製器，未來前景如何

信息時代，雲計算、大數據、人工智慧迅猛發展，全球數據總量呈現指數式增長。海量數據傳輸需要大容量、高速率的傳輸系統，光通信憑藉高帶寬、低損耗等優勢，成為通信的主要方式之一。在光通信系統中，硅基調製器是信息傳輸與處理的關鍵一環，是整個電光信息轉換的“心臟”——信息經過這個樞紐來去、流轉，高效搭上光的“順風車”，奔赴不同目的地。

讓光信號歡暢“奔跑”

日常生活中很多信息都以電信號的形式出現。例如，人們發送的一條簡訊、對着話筒説出的一句話，又或是電視機播放的畫面……最初都是搭載着跳動的電流來傳遞的。但如果想讓光承載信息，再通過細細長長的光纖以最快速度傳輸到目的地，就需要將電信號轉變為光信號。若想順利實現這個轉變，硅基調製器是關鍵一環。

通常來説，傳輸的原始電信號被稱為調製信號。用來接替電信號、搭載信息繼續在光鏈路上前進的光被稱為載波，它通常由激光器産生，具有高方向性、高相干性、高能量密度等特點。當硅基調製器將準備傳輸的信息調製到載波上，便實現了電信號到光信號的轉變，調製後攜帶信息的載波被稱為已調信號。該信號一旦形成，便可以歡暢無礙地“奔跑”在光路上，將信息傳輸到目的地。

那麼，中間這個轉變的過程，是如何由硅基調製器來實現的呢？

為了與現代成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成工藝兼容，製造高集成度、低成本的光芯片，科學家通常使用硅作為製造調製器的基底材料。硅基調製器最常用的一種機制是硅的載流子色散效應——這種效應是指對摻雜硅施加電壓後，硅的載流子濃度會發生變化，從而導致折射率發生變化。基於這種載流子色散效應，科學家們設計出了多種調製器的結構，最常用的一種結構是馬赫—曾德爾干涉型硅基調製器（MZM）。為了説明這種調製器的工作原理，我們先假設待傳遞的信息是一串由0和1組成的二進制序列，相應地，電信號就是在高電平和低電平之間切換的變化電壓。

馬赫—曾德爾干涉型調製器有兩條同樣長度的光波導（硅光芯片上讓光通行的鏈路）。將電信號通過金屬電極加載到其中一條硅波導（硅材料的光波導）上，其折射率將發生變化。由於光在介質中的傳輸速度為光速除以折射率，那麼光在硅波導中的傳播速度也會隨着折射率的變化而變化，這就實現了電對光的控制過程。將光載波均勻地分成兩束，其中一束光通過加載了電信號的硅波導，而另一束光通過不加電信號的硅波導，讓這兩束光分別通過各自的波導後再合到一起。由於兩束光的傳播速度不同，它們合束後，光強大小不再等於分束前的大小。如果選取適當的波導長度，使得在電信號是高電平時合束後的光信號強度是0，在電信號是低電平時合束後的光信號強度是1，那麼當電信號變化時，輸出的光信號強度也會發生相應的變化，要傳輸的信息就從電信號上轉移到光信號上，整個電光轉換過程完成。

光通信領域不可或缺的核心技術

硅基調製器是光通信中信息傳輸與處理的核心器件，是光電子信息系統的關鍵組分。要認識硅基調製器的應用價值，可以先從光通信的重要地位講起。

光通信是用光載波進行信息傳輸的技術。從諾貝爾物理學獎得主、“光纖之父”高錕提出光纖通信以來，低損耗光纖的發展和波分復用技術的突破，將光通信推到信息通信網絡中不可替代的重要位置。近些年來，隨着雲計算、人工智慧、大數據、虛擬現實、物聯網等信息技術的大規模應用，全球數據量持續大幅增長，對數據通信鏈路的速率和容量提出了更高要求。全球諮詢機構IDC預測，2024年全年生成的數據量為159.2ZB（1ZB是十萬億億字節），這個數據量極為驚人。而光通信技術可以構建用於高速數據傳輸的光通信網絡，以滿足持續增長的數據需求。如今，具有高帶寬、大容量、低損耗、低串擾、低成本等優勢的光通信網絡，已成為網絡通信的主要方式。

作為光通信系統重要的組成部分，硅基調製器具有小尺寸、大通帶、低損耗、低成本等優勢。它的製造工藝與現有的CMOS集成技術兼容，完善的製造工藝與基礎設施能夠保證硅基調製器在硅襯底上實現高密度集成、晶圓級大批量生産，不需要重新建立生産線，這大大降低了生産製造的成本。同時，由於它的製造技術與微電子芯片類似，容易和微電子器件集成形成尺寸很小的模塊，並組成複雜的系統。

在光通信系統中，硅基調製器與發端的激光器、收端的光電探測器、驅動端的電學電路、中間傳輸的光纖一起，協同工作實現信號傳輸。在長距離的光纖傳輸通信場景中，比如海底鋪設光纜的跨洋傳輸、城市與城市以及國家與國家之間的跨地區通信等，硅基調製器將不同的信號通過波分復用技術調製到不同波長的載波上，能實現大容量、高速率的通信；在短距離傳輸系統中，比如數據中心內部的數據通信、各數據中心之間的數據交換等大吞吐量數據通信場景中，硅基調製器對信號進行高速調製，將電信號轉換成光信號在光纖中進行高速、低延遲、低損耗的數據傳輸。

除了用於光通信系統，硅基調製器還在其他各種光電子信息系統中發揮着重要作用。

在醫療領域，硅基調製器可以用於醫療設備監控，憑藉其低延遲、低損耗的優勢，實現高效率、高質量的醫療服務；在音視頻信息領域，硅基調製器可以實現視頻信號、語音信號的高速傳輸，甚至能在一秒內下載幾十部高清電影，極大滿足大眾對於高速獲取信息的需求；在工業控制領域，傳感器採集完數據後，硅基調製器將信息進行調製和傳輸，能實現高靈敏度、高效率的實時傳感、探測與控制；在航空航天領域，也需要用到硅基調製器，借助光纖低損耗、抗腐蝕、抗電磁干擾的優勢，實現穩定可靠的數據傳輸與處理……可以説，硅基調製器已經廣泛深入各個領域，承擔着電光轉換的重要任務，並助力信息處理、傳輸通信。

近年來，硅基光電子技術發展迅猛。其中，硅基調製器作為核心器件，性能也獲得了飛速提升。

2004年，英特爾公司成功研製出首個馬赫—曾德爾干涉型硅基調製器。該設備採用金屬氧化物半導體（MOS）結構，電光帶寬達1GHz。儘管它的調製效率較低，但這一成果標誌着硅基光電子技術進入實用化階段。該公司又於2007年研發出高速MZM調製器，採用了反向偏置載流子耗盡型PN結結構，並利用行波電極大幅提高帶寬，達到20GHz，支持30Gbit/s信號傳輸。同年，IBM公司開發出基於正向偏置PIN結的調製器，實現了更高的調製效率，但其帶寬不足。

為了簡化製造工藝並提升性能，2011年，有研究團隊引入橫向PN結結構，通過優化電極設計實現40Gbit/s信號傳輸。此後，插指型PN結的應用進一步增大光場與耗盡區的接觸面積，帶來調製效率和速率的雙重提升。在2022年的研究中，硅基MZM首次被驗證能夠在複雜的空間輻照環境中穩定工作，為未來在航空航天領域的應用奠定了基礎。

隨着帶寬需求的快速增長，高階信號調製技術逐漸成為研究熱點。通過串聯PN結並採用單驅動結構，研究人員設計出可以傳輸50Gbit/s信號的單驅動MZM，並通過IQ調製與偏振復用技術，實現112Gbit/s到224Gbit/s的超高速信號傳輸。這些研究展示了硅基調製器在未來數據中心與骨幹通信網絡中的巨大潛力。

在對電光帶寬的追求上，加拿大麥吉爾大學團隊通過創新的分段式電極設計，實現41GHz到67GHz的帶寬提升，支持高達360Gbit/s的單波信號傳輸。與此同時，國家信息光電子創新中心研究團隊通過改進製造工藝，將硅襯底掏空以降低損耗，成功製備出60GHz帶寬的調製器，可實現高效的PAM-4信號傳輸，支持800Gbit/s光電混合集成發射機。

從最初的實驗室研究到如今的産業應用，硅基調製器已成為光通信領域不可或缺的核心技術。隨着技術的持續進步，它將在推動全球信息化進程中發揮更大的作用。

未來的硅基調製器，速率更高、能耗更低、尺寸更小、成本更低

傳統的光通信系統大多基於分立器件，體積龐大，不利於集成。硅基光電子學的發展，推動了硅基器件的研究，讓我們能在小小的一塊芯片上，搭載光通信與信息處理系統。然而，作為核心器件的硅基調製器仍面臨許多研究挑戰，結構、性能有待進一步探索、提高。

簡單來説，硅基調製器主要有以下幾個發展趨勢：

更高的信號傳輸速率。隨着數據量爆炸式增長，對傳輸鏈路的容量要求也越來越高。因此，提高硅基調製器傳輸速率並通過波分復用等方式實現超大數據傳輸容量，成為硅基調製器研究的關鍵任務。

更低的能耗。光電子系統的能耗是其在實際應用中的重要指標，通過優化硅基調製器的設計與工藝提高調製效率、減小信號傳輸中所需加載的驅動電壓，將有效減少通信過程中所需的能耗，並更易於和微電子系統集成。

更小型的尺寸。硅基調製器是硅基光電子系統的重要組成單元，進一步縮小硅基調製器尺寸，能顯著減小芯片上系統的總體尺寸。如果能達到微電子器件的尺寸量級，將大幅提高其與超小型微電子器件的尺寸匹配度，有利於實現高密度光電集成。

面向實際應用的産業化與低成本製造。推動硅基調製器真正邁入實用化，需要建設標準化的硅基調製器産業鏈條，包括設計、工藝、測試、封裝等步驟，以實現大規模、低成本的生産製造。

硅基調製器具有高速率、低功耗、小尺寸、低成本等優勢，是突破未來光電子信息系統速率、帶寬、功耗和尺寸等瓶頸的關鍵功能單元。我們相信，隨着硅基光電子學與産業的快速發展，硅基調製器的性能將會進一步提升，在光通信等信息領域發揮越來越重要的作用。

（作者：王興軍唐一祎，分別係北京大學電子學院副院長，北京大學電子學院博士研究生）