IEEE SiPhotonics2025 | 高带宽全硅3nm-MOSCAP环形调制器的突破

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引言

硅基光电子技术在片间和片内通信领域展现出巨大潜力，在微型化、高带宽和与电子元件兼容性方面具有显着优势。本文将探讨南安普顿大学光电子研究中心开发的创新3nm-MOSCAP环形调制器[1]。

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硅基光电子调制器简介

硅基光电子技术实现了在硅芯片上高效操控光，使其成为通信应用的理想选择。在硅基光电子的关键元件中，环形谐振调制器(RRMs)相比传统的马赫-曾德干涉仪(MZIs)具有明显优势。RRMs提供亚毫米级的占用面积、低插入损耗、减少的驱动功率和更高的带宽密度—使其成为光电共封装集成的理想器件。

虽然带集成激光器的耗尽模式RRM已经展示了128 Gbps NRZ数据率（信噪比为4.1，RF摆幅为1.8 Vpp），但热管理和制造敏感性方面的挑战仍然存在。这些问题需要得到解决，才能充分发挥基于环形谐振器器件的潜力。

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MOSCAP环形调制器设计与制造

图1：MOSCAP环形调制器结构，显示(a)3D渲染图，(b)用于聚焦离子束成像的样品，和(c)掺杂的横截面。

研究团队开发了具有超薄3 nm氧化层厚度和15 μm半径的硅MOSCAP环形调制器。这些调制器同时利用电折射和电吸收效应，扩大了操作范围并缓解了插入损耗与消光比之间的权衡关系。

制造过程始于8英寸硅绝缘体(SOI)晶圆，顶层硅厚220 nm，埋氧层厚2 μm。首先在顶部热生长30 nm SiO2层，然后在硅覆盖层上进行光刻图案化和刻蚀沟槽。通过热氧化在沟槽侧壁形成薄氧化层，随后使用低压化学气相沉积(LPCVD)填充多晶硅，并在1000°C的氮气环境中退火10小时。

制造的环形调制器半径为15 μm，肋厚220 nm，肋宽450 nm，调制长度约83 μm。结构由n型掺杂晶体硅和p型掺杂多晶硅组成，中间由关键的3 nm氧化层隔开。

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直流光学特性

MOSCAP RRM在直流测试中展现出令人印象深刻的性能特性。从1到4 V（过耦合到临界耦合）的谐振深度变化约为20 dB，环损耗的累积变化为23.8 dB/cm。

图2：MOSCAP RRM在积累模式下的直流特性，显示(a)损耗和(b)对每个偏置电压归一化的插入损耗水平的传输谱。(c)不同偏置电压下的交叉耦合系数和环能量。(d)3V偏置2 Vpp下的归一化OMA和TP。

当偏置为3 V，2 Vpp和插入损耗(ILone)为3 dB时，消光比(ER)达到8.3 dB，归一化光调制幅度(OMA)为0.47，传输惩罚(TP)为6.2 dB。通过将驱动摆幅降低到1 Vpp或将ILone降低到1.5 dB，仍然可以实现最小3 dB的ER。

图2(d)中观察到一个显着特征是不对称波瓣，这是由于随着电压增加，载流子浓度增加导致的线宽扩大。这导致左侧的调制区域宽度增强，右侧区域受到抑制。该器件在OMA > 40%和TP < 7 dB条件下实现了85 pm的操作区域宽度，而在OMA > 30%和TP < 8 dB条件下实现了更宽的175 pm操作宽度。

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高速特性

这些调制器的高速性能同样令人印象深刻。当偏置在ILone为2 dB和ER为3 dB时，MOSCAP RRM通过启用三抽头前馈均衡器(FFE)，展示了高达30 Gbps和50 Gbps的操作速度，实现了误码率(BER) < 1×10^-12。

图3：具有3 nm氧化层的MOSCAP RRM在不同数据速率下的眼图：(a) 32 Gbps，(b) 40 Gbps，(c) 50 Gbps，以及(d)启用10抽头FFE和模式锁定的100 Gbps。

对于100 Gbps操作，如图3(d)所示，需要最少10抽头FFE才能获得开放的眼图。MOSCAP RRM的速度限制主要是由于电容负载，这取决于氧化层厚度。这些器件中极薄的3 nm氧化层代表了在突破速度边界方面的重大进展。

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结论与未来展望

这项研究展示了3 nm MOSCAP环形谐振调制器的卓越性能，这种调制器同时利用电吸收和电折射调制。这些综合效应导致更大的环损耗和由较高载流子浓度引起的线宽增加，创造了独特的不对称波瓣和扩展的操作区域。

直流测量证实，在2 Vpp下可以获得3 dB的消光比和仅1.5 dB的插入损耗，或在1 Vpp下获得3 dB的插入损耗。这些结果突显了MOSCAP RRM相比传统耗尽型RRM在减少RF和光功率需求方面的显着优势。

最令人印象深刻的是，这些调制器可以实现高达100 Gbps的NRZ格式速度，以及误码率低于1×10^-12的高达50 Gbps的速度。未来在氧化层厚度、材料选择和掺杂浓度方面的优化有望进一步提升性能，可能对集成光电通信系统产生深远影响。

高带宽、低功耗需求和硅兼容性的结合使这些MOSCAP环形调制器在电信和数据中心应用的下一代光互连中具有广阔应用前景。