近日，横滨国立大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种高速、低电压、低能耗的硅光子晶体慢光调制器。这种调制器能够以64 Gbps的速度进行数据传输，并显著降低了功耗和驱动电压。该研究以“High-speed, low-voltage, low-bit-energy silicon photonic crystal slow-light modulator with impedance-engineered distributed electrodes”为题，发表在《Optica》期刊上。
高速低耗，革新硅光子调制技术
随着人工智能和物联网的迅猛发展，数据中心和高性能计算对高速、低能耗光电互连的需求愈发强烈。硅光子技术由于其与成熟电子工艺的兼容性，成为了光电集成的有力平台。然而，如何在提高速度的同时降低功耗，始终是硅光子调制器领域的一大挑战。
横滨国立大学的研究团队通过采用光子晶体慢光移相器和阻抗工程分布式电极，在解决这一问题上取得了重大突破。他们开发的硅Mach-Zehnder调制器不仅达到了64 Gbps的高速度，还将驱动电压降低至0.87 V，兼容先进的鳍型场效应晶体管（FinFET），无需额外的电放大器支持。同时，这款调制器的比特能耗仅为59 fJ/bit，可与微环调制器相媲美，而且由于其6 nm的宽工作光谱范围，无需温度控制设备，这显著提升了系统的整体能效。
图1：器件示意图。
结构创新，提升能效
传统的硅光子调制器在提升效率和速率方面往往面临权衡难题，而本次研究通过结构创新，在不改变制造工艺的前提下，实现了电光相位匹配和阻抗匹配的同步。这种创新设计将慢光效应与分布式电极相结合，有效缩短了移相器的长度，减少了电容，并通过合理的电感设计实现了高阻抗匹配，从而降低了驱动电流和能耗。
研究团队还指出，这一创新结构不仅限于硅光子材料平台，还可以推广至其他材料平台，如薄膜铌酸锂调制器。这意味着未来在高效能光电器件的开发中，这种结构有望发挥更大的作用。
实验验证，效果显著
为了验证这一创新调制器的性能，研究团队进行了多项实验测试。在50 Gbps和64 Gbps的数据传输实验中，即便在不到1 V的低驱动电压下，调制器依然能够实现清晰的眼图开口，并满足前向纠错的阈值要求。这一结果表明，新型调制器在保持高频响应的同时，还具备良好的信号质量和低能耗优势。
此外，实验还展示了该调制器在使用线性均衡器后，能够进一步提升信号质量，支持更高速率的信号传输。通过这种方式，研究团队成功在64 Gbps的传输速度下，将比特能耗降至59 fJ/bit，这一能效水平不仅优于大多数硅Mach-Zehnder调制器，更接近微环调制器的水平，但其宽工作光谱则使其在实际应用中更加具有优势。
此次研究展示了通过结构优化和创新设计，硅光子调制器在提高速率、降低功耗方面所取得的显著进展。这一突破性成果不仅有助于解决下一代数据中心和高性能计算中的功耗问题，还为未来高效能光电器件的开发提供了新的思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.531372
