带有 III–V SIS 结构的耦合谐振腔光波导马赫–曾德尔调制器的性能比较

用光实现更快的芯片通信

现代人工智能和高性能计算芯片必须每秒交换海量数据，这把金属导线在速度和能耗方面推到了极限。本研究探索了用光进行芯片通信的新途径，提出一种体积小、能效高且足以满足未来数据需求的快速器件。通过精确塑造光在特殊光路中的传播方式，作者设计出一种调制器，其性能可与当今最好的微型器件相媲美，同时在稳定性和实际系统可用性上更有优势。

为何远离铜线很重要

随着数据速率攀升到万亿比特每秒级别，片内和片间的铜互连在传输信号的清晰度和能耗方面表现得越来越差。硅光子学在芯片上用光来路由信息，提供了一条前进道路，但核心构件是将电信号转换为光信号的光学调制器。常用的设计要么使用易于驱动但体积庞大、耗能高的长结构，要么使用高效但对温度和波长漂移极为敏感的超紧凑环形器件。工程师正在寻求能将小尺寸、高速、低功耗与宽容的工作条件结合于一体的设计方案。

通过减慢光速实现紧凑且稳定的器件

作者聚焦于一类在芯片内部减缓光速的器件，使光在很短距离内与材料发生更强的相互作用。他们使用一种称为耦合谐振腔光波导的结构——由波导中带相位移的布拉格光栅形成的一连串微小谐振单元。该链产生一个“通带”，在此通带内光可以以近似恒定的延迟和强烈的相位响应传播，从而在不产生严重信号失真的情况下获得慢光的优势。通过选择光栅周期和尺寸，他们可以在带宽与光减速程度之间调节折衷，使器件长度保持在 100 微米以下，同时支持几十到上百吉赫兹的可用带宽。

用于更强光控的新材料堆栈

这项工作的核心思想是用一个垂直的半导体–绝缘层–半导体（SIS）电容器取代通常的硅 p–n 结，该电容器通过堆积电荷而非耗尽电荷来工作。在硅波导之上，团队考虑在薄氧化层之上放置一层硅或一层 III–V 化合物 InGaAsP。当施加电压时，电子和空穴在氧化层界面处积累，改变了慢光在谐振链中所感受的折射率。与硅相比，InGaAsP 载流子较轻且光学响应更强，这意味着相同电压下折射率变化更大，而且重要的是附加的吸收损耗更低。仿真表明，在 1 伏时，InGaAsP 的相移积累效率约为传统硅耗尽器件的七倍左右，同时电阻保持足够低以维持宽的电学带宽。

在损耗、速度与驱动电压间寻找平衡

作者系统地改变氧化层厚度、掺杂水平和谐振器设计，以观察这些参数如何影响损耗、速度和效率。更薄的氧化层和更高的掺杂能提升折射率变化，但也会增加自由载流子吸收和电阻，因此存在一个最佳点，使器件在不过度牺牲其他性能的情况下实现强有力的调制。基于现实参数，InGaAsP 基调制器在适度的群折射率下可达到约 110 吉赫的电光带宽，并在约 40 吉赫的数据率下保持较低的发射端损耗，表现优于晶体硅和多晶硅版本。大信号时域眼图仿真显示，InGaAsP 设计在高达 120 吉比特每秒的开关键控下仍能保持清晰的开眼，而基于硅的对应器件则出现部分或完全闭眼的情况。

这对未来光链路意味着什么

简而言之，该研究表明，将慢光谐振链与垂直电容结构和 III–V 材料结合，可以实现一种体积极小、所需电压低、功耗小且仍能在极高速度下工作的光学调制器。所提出的设计在尺寸和效率上接近环形调制器，但同时保有马赫–曾德尔器件更宽的带宽和更好的稳定性。随着芯片制造商完善 III–V 化合物在硅上的键合与集成方法，这类调制器有望成为下一代快速高效芯片间光链路的关键组成部分。

引用: 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

关键词: 硅光子学, 光学调制器, 慢光, InGaAsP, 芯片互连