MIT研究小組基于硅光波導(dǎo)中的光伏效應(yīng),實現(xiàn)了每比特阿焦級的電光調(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)制器工作時需要較大的驅(qū)動電壓,因此硅基調(diào)制器的典型功耗在fJ/bit以上,如下圖所示(藍色標記為硅基調(diào)制器,紅色標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)制器等效為一個二極管,
驅(qū)動電路通過對二極管的電容進行充放電,實現(xiàn)對光信號的調(diào)制,其功耗滿足下式,
當光在硅波導(dǎo)中進行傳輸時,其折射率受外部電信號的影響而發(fā)生變化,再通過光學(xué)干涉結(jié)構(gòu),即可實現(xiàn)對光信號的調(diào)制。
在這一過程中,由于界面態(tài)吸收和sub-bandgap吸收等物理效應(yīng),部分光信號會被硅吸收產(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,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, 當輸入電壓增大到大于Vth時,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??梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)增益點的大小(bias點),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,
實驗中為了增加光吸收,采用了外延生長的SiGe波導(dǎo),寬度為300nm, 對應(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,通過金屬相連。下圖為不同情況下的輸出信號與眼圖,
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。
簡單小結(jié)一下,利用硅材料對光吸收所產(chǎn)生的自由載流子,對調(diào)制器進行供電,變廢為寶,大大降低了調(diào)制器的功耗。對于大規(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)計為大家開辟了一個新的思路。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)光強的變化。
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