基于CMOS芯片和硅光子学的节能发射器

OOK发射器的照片，包括粘合在硅光子调制器上的CMOS电子驱动器倒装芯片。

电子设备与他人互动和访问互联网的广泛使用增加了对能够更快、更高效地传输数据的高性能通信技术的需求。然而，在不对设备能效产生不利影响的情况下提高设备的数据传输速率是一项具有挑战性的任务。

英国南安普顿大学的研究人员最近开发了一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术和硅光子学的新型发射机。在《自然电子》杂志上介绍的这种发射器，在消耗最小能量的情况下实现了惊人的数据传输速率。

“硅光子学与电子学的集成对于生产用于许多应用的实用系统至关重要，”该论文的作者之一David J. Thomson表示。

“光调制器及其电子驱动放大器的组合是关键的电子-光子接口，通常决定系统在速度和功耗方面的性能，因此创建这两个组件的最 佳接口被确定为我们的重要研究方向，可以追溯到2010年。”

最初，Thomson和他的同事们试图用一种更传统的方法来开发他们的发射机，这种方法需要分别设计电驱动放大器和光调制器，然后将它们结合起来。因此，他们尝试了不同的方法来将这两个组件电连接起来，比如导线连接和倒装连接。

这两种方法都没有达到他们希望的结果，因此他们决定在设计发射机的“传统”方法之外进行探索。具体来说，他们采用了另一种方法，即在器件内部共同设计电驱动放大器和光调制器。

PAM-4发射机的照片，包括两个CMOS电子驱动器，倒装芯片连接到硅光子调制器上

Thomson解释说:“采用我们的共同设计方法，我们开发了一种建模方法，能够将集成发射机的所有元素结合起来。

“详细的模拟表明，为了从光学器件产生大的调制深度，应该使用电子感应结构修改其射频响应，以便有效地利用电驱动电流。因此，CMOS电子驱动芯片设计具有补偿调制器带宽限制所需的功能。”

利用他们提出的设计策略，研究人员创造了一种调制速度相对较慢的发射机，它具有很强的调制对比度，可以高速传输数据。在最初的测试中，他们的设备实现了每秒112千兆位-112千兆位的开关速率和每秒224千兆位的脉冲幅度调制。

Thomson说：“这一领域的另一个研究方向是将外来材料与硅波导集成，以改善调制器性能。然而，CMOS兼容性随之丢失，使大批量、高产量和低成本制造的路线复杂化。我们的工作表明，可以以类似CMOS的低成本方式制造的全硅基器件的性能仍有改进的空间。”

这组研究人员介绍的新发射机设计可能很快就会激发旨在增强通信的类似组件的开发。总的来说，他们的研究证明了独特的设计策略可以帮助提高电子和光子器件的性能。

Thomson补充说:“我们相信先进的CMOS设计技术可以用于制造光子器件，并将电子和光子器件构建为集成功能模块，其中各种信号处理功能(如信号均衡、复杂信号格式化和光谱合成)可以在电转光或光电转换过程中实现。”

“这并不是说光子学可以取代电子学，而是光子学和电子学的融合可以使设备的性能超越标准的电子模块，不仅在速度或带宽方面，而且在系统复杂性和能效方面。我们相信这种集成方法可以用硅光子调制器实现200GBaud的传输。”