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Nat. Electron.：一种集成CMOS的硅光子发射器
光子盒研究院
电子设备在与他人互动和访问互联网方面的广泛使用，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，在提高设备数据传输速率的同时又不影响其能源效率，是一项极具挑战性的任务。
英国南安普顿大学的研究人员最近开发出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器，前景广阔。《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志介绍了这种发射器，研究人员发现，这种发射器能以最低的能耗实现出色的数据传输速率。
“光调制器及其电子驱动放大器的组合是一个关键的电子-光子接口，往往决定着系统在速度和功耗方面的性能，因此，早在2010年，我们就将创建这两个组件的最佳接口确定为一个重要的研究方向。”
最初，汤姆森和他的同事们试图采用一种更为传统的方法来开发他们的发射机，即分别设计电驱动放大器和光调制器，然后再将它们组合在一起。因此，他们尝试了将这两个元件电连接起来的不同方案，如导线键合和倒装芯片键合。
这两种方法都没有达到他们期望的效果，因此他们决定跳出设计发射器的“传统”方法。具体来说，他们采用了另一种方法，即在设备内部共同设计电气驱动放大器和光学调制器。
“详细的模拟表明，要使光学设备产生较大的调制深度，就必须利用电子感应结构改变其射频响应，从而有效地利用电驱动电流。因此，CMOS电子驱动芯片的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，研究人员创建了一种调制速度相对较慢的发射器，这种发射器能够产生强烈的调制对比，可以高速传输数据。在初步测试中，他们的设备实现了每秒112千兆波特-112千兆波特的通断键控速率和每秒224千兆波特的脉冲幅度调制。
值得注意的是，该设备的能效低于每比特皮焦耳。因此，汤姆森和他的同事们采用的协同设计方法既能实现高数据吞吐量，又能降低设备功耗。
汤姆森说：“这一领域的另一个研究方向是将外来材料与硅波导集成，以提高调制器的性能。”
“然而，CMOS兼容性会随之丧失，使大批量、高产出和低成本制造的路线变得更加复杂。我们的工作表明，以全硅为基础的设备仍有提高性能的空间，这些设备可以以类似CMOS的低成本方式制造。”
这组研究人员推出的新型发射器设计可能很快就会激励人们开发出旨在增强通信能力的类似元件。总之，他们的研究表明，独特的设计策略有助于提高电子和光子设备的性能。
“我们认为，先进的CMOS设计技术可用于制造光子器件，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）可在电到光或光到电转换过程中实现。”
“这并不是说光子学可以取代电子学，而是说光子学和电子学的融合可以使设备性能超越标准电子模块，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，这种集成方法可用于利用硅光子调制器实现200 GBaud的传输。”
参考链接：[1]https://techxplore.com/news/2023-11-energy-efficient-transmitter-based-cmos.html[2]https://www.nature.com/articles/s41928-023-01048-1
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