作家：王兴军 唐一祎（隔离系北京大学电子学院副院长性高潮，北京大学电子学院博士计划生）
信息期间，云策画、大数据、东谈主工智能迅猛发展，全球数据总量呈现指数式增长。海量数据传输需要大容量、高速率的传输系统，光通讯凭借高带宽、低损耗等上风，成为通讯的主要表情之一。在光通讯系统中，硅基调制器是信息传输与科罚的要害一环，是通盘这个词电光信息调度的“腹黑”——信息经过这个要道走动、流转，高效搭上光的“顺风车”，奔赴不同见地地。
让光信号欢笑“驰驱”
日常生存中好多信息齐以电信号的体式出现。举例，东谈主们发送的一条简讯、对着发话器说出的一句话，又或是电视机播放的画面……发轫齐是搭载着超越的电流来传递的。但要是思让光承载信息，再通过细细长长的光纤以最快速率传输到见地地，就需要将电信号鼎新为光信号。若思到手终了这个鼎新，硅基调制器是要害一环。
频繁来说，传输的原始电信号被称为调制信号。用来接替电信号、搭载信息陆续在光链路向前进的光被称为载波，它频繁由激光器产生，具有高处所性、高关联性、高能量密度等特色。当硅基调制器将准备传输的信息调制到载波上，便终昭彰电信号到光信号的鼎新，调制后捎带信息的载波被称为已调信号。该信号一朝造成，便不错欢笑无碍地“驰驱”在光路上，将信息传输到见地地。
那么，中间这个鼎新的经由，是怎么由硅基调制器来终了的呢？
为了与当代闇练的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成工艺兼容，制造高集成度、低资本的光芯片，科学家频繁使用硅看成制造调制器的基底材料。硅基调制器最常用的一种机制是硅的载流子色散效应——这种效应是指对掺杂硅施加电压后，硅的载流子浓度会发生变化，从而导致折射率发生变化。基于这种载流子色散效应，科学家们联想出了多种调制器的结构，最常用的一种结构是马赫—曾德尔过问型硅基调制器（MZM）。为了证实这种调制器的职责旨趣，咱们先假定待传递的信息是一串由0和1构成的二进制序列，相应地，电信号即是在高电眷注低电平之间切换的变化电压。
马赫—曾德尔过问型调制器有两条相通长度的光波导（硅光芯片上让光通行的链路）。将电信号通过金属电极加载到其中一条硅波导（硅材料的光波导）上，其折射率将发生变化。由于光在介质中的传输速率为光速除以折射率，那么光在硅波导中的传播速率也会跟着折射率的变化而变化，这就终昭彰电对光的截止经由。将光载波均匀地分红两束，其中一束光通过加载了电信号的硅波导，而另一束光通过不加电信号的硅波导，让这两束光隔离通过各自的波导后再合到沿路。由于两束光的传播速率不同，它们合束后，光遒劲小不再等于分束前的大小。要是及第得当的波导长度，使得在电信号是高电闲居合束后的光信号强度是0，在电信号是低电闲居合束后的光信号强度是1，那么当电信号变化时，输出的光信号强度也会发生相应的变化，要传输的信息就从电信号上转机到光信号上，通盘这个词电光调度经由完成。
光通讯领域不成或缺的中枢本事
硅基调制器是光通讯中信息传输与科罚的中枢器件，是光电子信息系统的要害组分。要刚劲硅基调制器的应用价值，不错先从光通讯的伏击地位讲起。
光通讯是用光载波进行信息传输的本事。从诺贝尔物理学奖得主、“光纤之父”高锟提议光纤通讯以来，低损耗光纤的发展和波分复用本事的摧毁，将光通讯推到信息通讯采聚首不成替代的伏击位置。近些年来，跟着云策画、东谈主工智能、大数据、诬捏现实、物联网等信息本事的大界限应用，全球数据量抓续大幅增长，对数据通讯链路的速率和容量提议了更高条目。全球接洽机构IDC臆测，2024年全年生成的数据量为159.2ZB（1ZB是十万亿亿字节），这个数据量极为惊东谈主。而光通讯本事不错构建用于高速数据传输的光通讯蚁合，以欢乐抓续增长的数据需求。如今，具有高带宽、大容量、低损耗、低串扰、低资本等上风的光通讯蚁合，已成为蚁合通讯的主要表情。
看成光通讯系统伏击的构成部分，硅基调制用具有小尺寸、大通带、低损耗、低资本等上风。它的制造工艺与现存的CMOS集成本事兼容，完善的制造工艺与基础行动梗概保证硅基调制器在硅衬底上终了高密度集成、晶圆级普遍量坐褥，不需要再行建设坐褥线，这大大镌汰了坐褥制造的资本。同期，由于它的制造本事与微电子芯片访佛，容易和微电子器件集成造成尺寸很小的模块，并构成复杂的系统。
在光通讯系统中，硅基调制器与发端的激光器、收端的光电探伤器、运行端的电学电路、中间传输的光纤沿路，协同职责终了信号传输。在长距离的光纤传输通讯场景中，比如海底铺设光缆的跨洋传输、城市与城市以及国度与国度之间的跨地区通讯等，硅基调制器将不同的信号通过波分复用本事调制到不同波长的载波上，能终了大容量、高速率的通讯；在短距离传输系统中，比如数据中心里面的数据通讯、各数据中心之间的数据交换等大朦拢量数据通讯场景中，硅基调制器对信号进行高速调制，将电信号调度成光信号在光纤中进行高速、低蔓延、低损耗的数据传输。
除了用于光通讯系统，硅基调制器还在其他多样光电子信息系统中施展着伏击作用。
在医疗领域，硅基调制器不错用于医疗开辟监控，凭借其低蔓延、低损耗的上风，终了高着力、高质料的医疗管事；在音视频信息领域，硅基调制器不错终了视频信号、语音问号的高速传输，致使能在一秒内下载几十部高清电影，极大欢乐公共关于高速获取信息的需求；在工业截止领域，传感器蚁合完数据后，硅基调制器将信息进行调制和传输，能终了高贤达度、高着力的及时传感、探伤与截止；在航空航天领域，也需要用到硅基调制器，借助光纤低损耗、抗腐蚀、抗电磁骚扰的上风，终了褂讪可靠的数据传输与科罚……不错说，硅基调制器依然平庸潜入各个领域，承担着电光调度的伏击任务，并助力信息科罚、传输通讯。
比年来，硅基光电子本事发展迅猛。其中，硅基调制器看成中枢器件，性能也取得了赶快提高。
2004年，英特尔公司到手研制出首个马赫—曾德尔过问型硅基调制器。该开辟弃取金属氧化物半导体（MOS）结构，电光带宽达1GHz。尽管它的调制着力较低，但这一后果象征着硅基光电子本事插足实用化阶段。该公司又于2007年研发出高速MZM调制器，弃取了反向偏置载流子糟践型PN结结构，并期骗行波电极大幅提高带宽，达到20GHz，复旧30Gbit/s信号传输。同庚，IBM公司开发出基于正向偏置PIN结的调制器，终昭彰更高的调制着力，但其带宽不及。
为了简化制造工艺并提高性能，2011年，有计划团队引入横向PN结结构，通过优化电极联想终了40Gbit/s信号传输。而后，插指型PN结的应用进一步增大光场与糟践区的搏斗面积，带来调制着力和速率的双重提高。在2022年的计划中，硅基MZM初度被考证梗概在复杂的空间辐照环境中褂讪职责，为昔时在航空航天领域的应用奠定了基础。
跟着带宽需求的快速增长，高阶信号调制本事冉冉成为计划热门。通过串联PN结并弃取单运行结构，计划东谈主员联想出不错传输50Gbit/s信号的单运行MZM，并通过IQ调制与偏振复用本事，终了112Gbit/s到224Gbit/s的超高速信号传输。这些计划展示了硅基调制器在昔时数据中心与主干通讯采聚首的巨大后劲。
在对电光带宽的追求上，加拿大麦吉尔大学团队通过翻新的分段式电极联想，终了41GHz到67GHz的带宽提高，复旧高达360Gbit/s的单波信号传输。与此同期，国度信息光电子翻新中心计划团队通过改良制造工艺，将硅衬底掏空以镌汰损耗，到手制备出60GHz带宽的调制器，可终了高效的PAM-4信号传输，复旧800Gbit/s光电混书册成辐射机。
从发轫的实验室计划到如今的产业应用，硅基调制器已成为光通讯领域不成或缺的中枢本事。跟着本事的抓续进步，它将在鞭策全球信息化进度中施展更大的作用。
昔时的硅基调制器，速率更高、能耗更低、尺寸更小、资本更低
传统的光通讯系统大多基于分立器件，体积普遍，不利于集成。硅基光电子学的发展，鞭策了硅基器件的计划，让咱们能在小小的一块芯片上，搭载光通讯与信息科罚系统。然则，看成中枢器件的硅基调制器仍面对许多计划挑战，结构、性能有待进一步探索、提高。
简便来说，硅基调制器主要有以下几个发展趋势：
更高的信号传输速率。跟着数据量爆炸式增长，对传输链路的容量条目也越来越高。因此，提高硅基调制器传输速率并通过波分复用等表情终了超大数据传输容量，成为硅基调制器计划的要害任务。
在线视频国产欧美另类更低的能耗。光电子系统的能耗是其在试验应用中的伏击方针，通过优化硅基调制器的联想与工艺提高调制着力、减小信号传输中所需加载的运行电压，将有用减少通讯经由中所需的能耗，并更易于和微电子系统集成。
更微型的尺寸。硅基调制器是硅基光电子系统的伏击构成单位，进一步减弱硅基调制器尺寸，能权臣减小芯片上系统的总体尺寸。要是能达到微电子器件的尺寸量级，将大幅提高其与超微型微电子器件的尺寸匹配度，故意于终了高密度光电集成。
面向试验应用的产业化与低资本制造。鞭策硅基调制器真确迈入实用化，需要缔造圭表化的硅基调制器产业链条，包括联想、工艺、测试、封装等样式，以终了大界限、低资本的坐褥制造。
硅基调制用具有高速率、低功耗、小尺寸、低资本等上风，是摧毁昔时光电子信息系统速率、带宽、功耗和尺寸等瓶颈的要害功能单位。咱们战胜，跟着硅基光电子学与产业的快速发展，硅基调制器的性能将会进一步提高，在光通讯等信息领域施展越来越伏击的作用。
《光明日报》（2024年11月28日 16版）性高潮
