Сравнение характеристик модуляторов Маха–Цендера на связанной резонаторной волноводной структуре с III–V SIS-структурами

Быстрее общаться: чипы с помощью света

Современные чипы для искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений вынуждены обмениваться огромными объёмами данных каждую секунду, что доводит металлические провода до пределов по скорости и энергопотреблению. В этой работе рассматривается новый способ связи чипов с помощью света — устройство, которое одновременно миниатюрно, энергоэффективно и достаточно быстро для будущих требований по передаче данных. Тщательно формируя ход света в специализированной оптической схеме, авторы предлагают модулятор, способный соперничать с лучшими компактными устройствами при сохранении стабильности и удобства интеграции в реальные системы.

Почему уход от меди важен

По мере роста скоростей передачи данных к триллионам бит в секунду медные межсоединения внутри и между чипами теряют энергоэффективность и испытывают трудности с чистотой сигнала. Кремниевая фотоника, передающая информацию с помощью света на чипе, даёт путь вперёд, но ключевой элемент — оптический модулятор, который преобразует электрические сигналы в оптические. Распространённые конструкции либо используют длинные структуры, простые в эксплуатации, но громоздкие и энергоёмкие, либо ультракомпактные кольцевые устройства, эффективные, но чувствительные к температуре и сдвигу длины волны. Инженеры ищут решения, которые объединяют малые размеры, большую скорость, низкое энергопотребление и относительную простоту эксплуатации на одной платформе.

Замедление света для компактных и стабильных устройств

Авторы сосредоточились на классе устройств, которые замедляют свет внутри чипа, чтобы усилить его взаимодействие с материалом на коротком участке. Они используют структуру, называемую связанной резонаторной оптической волноводной цепочкой — чередование маленьких резонансных сегментов, сформированных фазосдвиговыми брэгговскими решётками в волноводе. Такая цепь создаёт «полосу пропускания», где свет распространяется с почти постоянной задержкой и сильной фазовой реакцией, давая преимущества медленносвета без выраженной искажающей дисперсии. Подбирая период и геометрию решётки, можно настроить компромисс между полосой пропускания и степенью замедления света, что позволяет удерживать длину устройства меньше 100 микрометров при обеспечении десятков и более чем сотни гигагерц полезной полосы.

Новый стек материалов для более сильного управления светом

Главная идея работы — заменить привычный кремниевый p–n переход на вертикальную полупроводник–диэлектрик–полупроводник (SIS) ёмкость, работающую за счёт накопления зарядов, а не их удаления. Над кремниевым волноводом команда рассматривает либо слой кремния, либо слой III–V соединения InGaAsP, разделённые тонким оксидным слоем. При приложении напряжения электроны и дырки накапливаются на границах оксида, изменяя показатель преломления, воспринимаемый замедленным светом в цепочке резонаторов. InGaAsP обладает более лёгкими носителями заряда и более сильным оптическим откликом, чем кремний, что даёт большее изменение показателя преломления при том же напряжении и, что важно, меньшие дополнительные потери на поглощение. Моделирование показывает, что с InGaAsP фазовый сдвиг на 1 вольт нарастает примерно в семь раз эффективнее, чем в традиционных кремниевых девайсах на истощении, при этом сопротивление остаётся достаточно низким для сохранения широкой электрической полосы пропускания.

Баланс потерь, скорости и напряжения управления

Авторы систематически варьируют толщину оксида, уровень легирования и дизайн резонаторов, чтобы понять, как эти параметры влияют на потери, скорость и эффективность. Тонкий оксид и более высокое легирование увеличивают изменение показателя преломления, но также повышают поглощение свободными носителями и сопротивление, поэтому существует оптимум, где модуляция сильна без чрезмерных штрафов. При реалистичных параметрах модулятор на базе InGaAsP достигает электрооптической полосы порядка 110 гигагерц при умеренном групповом показателе и сохраняет низкую потерю передатчика на скоростях около 40 гигагерц, превосходя как кристаллические, так и поликристаллические кремниевые варианты. Моделирование временных диаграмм больших сигналов показывает, что дизайн на InGaAsP может обеспечивать чистую двоичную модуляцию (on–off keying) вплоть до 120 гигабит в секунду, в то время как кремниевые аналоги частично или полностью закрывают «глазки» при таких скоростях.

Что это значит для будущих оптических линий связи

Проще говоря, исследование демонстрирует, что сочетание цепочек медленносветовых резонаторов с вертикальной конденсаторной структурой и III–V материалами может дать ультракомпактный оптический модулятор с низким управляющим напряжением, малым энергопотреблением и очень высокой скоростью работы. Предложенная конструкция приближается по размеру и эффективности к кольцевым модуляторам, но при этом сохраняет более широкую полосу и лучшую стабильность, присущие устройствам Маха–Цендера. По мере совершенствования технологий спайки и интеграции III–V соединений на кремнии такой тип модуляторов может стать ключевым элементом следующего поколения оптических каналов для быстрого и эффективного обмена данными между чипами.

Цитирование: Kim, K., Lee, J. & Kim, Y. Performance comparison of coupled-resonator optical waveguide Mach–Zehnder modulators with III–V SIS structures. Sci Rep 16, 15595 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43882-1

Ключевые слова: кремниевая фотоника, оптический модулятор, медленносвет, InGaAsP, внутричиповые соединения