MIT研究小組基于硅光波導(dǎo)中的光伏效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了每比特阿焦級(jí)的電光調(diào)制器，創(chuàng)造了新的低功耗調(diào)制器記錄。

受限于硅材料較弱的電光效應(yīng)，調(diào)制器工作時(shí)需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓，因此硅基調(diào)制器的典型功耗在fJ/bit以上，如下圖所示(藍(lán)色標(biāo)記為硅基調(diào)制器，紅色標(biāo)記為基于其他材料的調(diào)制器)。

典型的工作電路如下圖所示，調(diào)制器等效為一個(gè)二極管，

驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)對(duì)二極管的電容進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制，其功耗滿足下式，

當(dāng)光在硅波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸時(shí)，其折射率受外部電信號(hào)的影響而發(fā)生變化，再通過(guò)光學(xué)干涉結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制。

在這一過(guò)程中，由于界面態(tài)吸收和sub-bandgap吸收等物理效應(yīng)，部分光信號(hào)會(huì)被硅吸收產(chǎn)生自由載流子。這部分額外的載流子可以用于對(duì)調(diào)制器供電，從而降低調(diào)制器的功耗。其工作原理如下圖所示，

在小的輸入電壓時(shí)，晶體管處于off狀態(tài)，調(diào)制器兩端的電壓為PV cell兩端的電壓Voc, 當(dāng)輸入電壓增大到大于Vth時(shí)，晶體管處于on狀態(tài)，產(chǎn)生的光電流全部從晶體管處流出，此時(shí)調(diào)制器兩端電壓為0。Vmod與輸入電壓的變化曲線如下圖所示，

從上面的曲線可以看出，曲線中間有一段區(qū)域調(diào)制器兩端的電壓隨晶體管兩端的電壓快速變化，導(dǎo)致調(diào)制效率的提高。可以通過(guò)調(diào)節(jié)增益點(diǎn)的大小(bias點(diǎn))，改變調(diào)制器的帶寬和功耗，如下圖所示，典型的3dB帶寬為1GHz左右，

實(shí)驗(yàn)中為了增加光吸收，采用了外延生長(zhǎng)的SiGe波導(dǎo)，寬度為300nm, 對(duì)應(yīng)的響應(yīng)率為34mA/W。采用GlobalFoundries的45nm硅光工藝線，PN結(jié)采用交錯(cuò)型的結(jié)構(gòu)，微環(huán)的半徑為5um，寬度為1.2um，如下圖所示，

由于采用的是單片集成工藝，晶體管就在調(diào)制器附近，通過(guò)金屬相連。下圖為不同情況下的輸出信號(hào)與眼圖，

在相同的100mVpp情況下，PV型調(diào)制器的OMA是傳統(tǒng)調(diào)制器的10倍，ER也是傳統(tǒng)調(diào)制器的十倍多，功耗只有傳統(tǒng)調(diào)制器的1/6，插損為2.44dB。

簡(jiǎn)單小結(jié)一下，利用硅材料對(duì)光吸收所產(chǎn)生的自由載流子，對(duì)調(diào)制器進(jìn)行供電，變廢為寶，大大降低了調(diào)制器的功耗。對(duì)于大規(guī)模集成光路，功耗低尺寸小的調(diào)制器是核心技術(shù)之一。

MIT這一極低功耗的調(diào)制器設(shè)計(jì)為大家開(kāi)辟了一個(gè)新的思路。此外，利用光伏效應(yīng)，波導(dǎo)內(nèi)光電流的變化也可以用于監(jiān)控波導(dǎo)內(nèi)光強(qiáng)的變化。