研究发现一种新型的基于CMOS芯片和硅光子学的节能发射器

　　OOK 发射器的照片，包括倒装芯片接合到硅光子调制器上的CMOS电子驱动器。

　　电子设备与他人交互和访问互联网的广泛使用增加了对能够更快、更有效地传输数据的高性能通信技术的需求。然而，提高设备的数据传输速率而不对其能源效率产生不利影响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)技术和硅光子学的有前景的新型发射器。《自然电子》杂志上介绍的这种发射器被发现能够在消耗最少能量的同时实现显着的数据传输速率。

　　“硅光子学与电子学的集成对于为众多应用生产实用系统至关重要，”该论文的作者之一 David J. Thomson 告诉 Tech Xplore。

　　“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，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一个重要研究方向回到2010年。”

　　最初，汤姆森和他的同事尝试使用更传统的方法开发发射器，这需要分别设计电驱动放大器和光调制器，然后将它们组合起来。因此，他们尝试了不同的解决方案来电连接这两个组件，例如引线键合和倒装芯片键合。

　　这两种方法都没有达到他们所希望的结果，因此他们决定跳出“传统”方法来设计发射机。具体来说，他们采用了另一种方法，涉及在设备内部共同设计电驱动放大器和光调制器。

　　PAM-4 发射器的照片，包括两个倒装焊接到硅光子调制器上的 CMOS 电子驱动器。

　　“采用我们的协同设计方法，我们开发了一种建模方法，能够整合集成发射器的所有元素，”汤姆森解释道。

　　“详细的模拟表明，要从光学器件中产生大的调制深度，应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 电子驱动器芯片的设计具有补偿所需的功能。调制器的带宽限制。”

　　利用他们提出的设计策略，研究人员创建了一种调制相对较慢的发射器，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 112 GB 每秒 112 GB 的开关键控速率和每秒 224 GB 的脉冲幅度调制。

　　值得注意的是，该设备的能源效率低于每比特皮焦耳。汤姆森和他的同事采用的协同设计方法实现了高数据吞吐量，同时降低了设备的功耗。

　　汤姆森说：“该领域的另一个研究方向是将奇异材料与硅波导集成，以提高调制器性能。”

　　“然而，CMOS 兼容性就会丧失，使大批量、高产量和低成本制造的路线变得复杂。我们的工作表明，全硅器件的性能仍有改进的空间，这些器件可以在低功耗条件下制造。”类似 CMOS 的成本。”

　　该研究团队推出的新发射器设计可能很快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在多大程度上帮助提高电子和光子器件的性能。

　　“我们相信先进的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)可以在电学内部实现。光学或光电转换过程，”汤姆森补充道。

　　“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源效率方面。我们相信，这种集成方法可用于通过硅光子调制器实现 200 GBaud 传输。”