硅光子器件在电信及数据通信中的应用
【日本Kiyoshi Asakawa教授课题组】

硅(Si)是一种在近红外波段具有高折射率特性的材料。早在20世纪90年代,以硅为基础的纳米级波导就已经以一种新型的纳米光子器件,即硅光子器件的形式出现。由于其具有尺寸小,成本低,功耗低和高速化等性能以及兼容CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)制造的特性,硅光子技术近年来取得了显著进步。并且随着当前电信和数据通信网络中流量的爆炸性增长,硅光子器件因其低功耗、宽带宽、高传输速度等优越性能而备受关注。事实上,随着包括平面光波电路(PLC),阵列波导光栅(AWG),光纤放大器(OFA),密集波分复用(DWDM),可重构光分插复用(ROADM)和数字相干技术在内的多项关键技术的发展,基于III-V族材料的光电集成电路在20世纪80年代就已被提出,但其并未能迅速实现大规模应用。全光子器件集成工作是建立在硅光子学基础之上的。近年来,硅光子学已广泛用于电信和数据通信,包括数据中心和电信网络中的紧凑型光学互连收发器和新型光子开关等。

图1 光通信网络的发展

日本筑波大学的Kiyoshi Asakawa教授等撰写了综述文章总结了硅光子学创新进展的历史,为了方便包括科研机构、公司企业的科学家、工程师以及高校学生在内的广大读者理解,文章分为两个部分,分别是硅光子平台的基本特性简介,及其在电信和数据通信两类高级光子网络中的应用,从而让读者更加广泛详细地了解硅光子学器件的卓越性能及其在先进光子网络中的应用潜力。综述还涉及针对高级光子信号处理网络的硅光子学特殊应用,及其针对当前网络需求(例如低功耗,宽带宽和高传输速度)的解决方案。对希望挑战相关问题并针对爆炸性增长的光子网络流量提出实用解决方案的光子网络工程师而言,该综述将大有帮助。此外,论文不仅囊括了硅光子器件的特性和应用,还兼述了CMOS兼容的纳米制造技术,以便为当前CMOS技术开辟新市场的纳米电子CMOS工艺工程师提供参考。

图2 50 Gb/s Si光子传输模块。(a)和(b)分别是波分复用传输器和接收器

这篇综述以“Silicon photonics for telecom and data-com applications”为题,发表在英文期刊Opto-Electronic Advances 2020年第10期。

研究团队简介

Kiyoshi Asakawa教授在东京大学获得物理工程博士学位且拥有丰富的研究经历。1968年,他加入NEC中央研究实验室,在1981年至1987年以及1996年至2004年,被分配到光电联合研究实验室(OJL)从事用于光子器件的III-V型化合物半导体干法刻蚀,并被飞秒技术研究协会(FESTA)委任负责应用于超快全光学设备的光子晶体和量子点等的纳米加工技术的研发。在2004年-2008年,2007年-2009年和2010年-2015年,他出任筑波大学教授,并且还分别是国家材料科学研究所(NIMS)的兼职审计员和筑波大学的客座教授。1986年,1991年和2015年,他分别获得了日本应用物理学会的最佳论文奖,科学技术厅研究奖和DPS 2015的Nishizawa奖。他的研究包括光电集成电路(OEIC)的干法刻蚀,光子晶体、量子点、表面等离激元的纳米光子学,及其在光子网络先进信号处理设备中的应用以及微领域的高灵敏度生物光子传感器流体生化系统。

Yoshimasa Sugimoto教授于1996年在日本静冈大学获得电子工程博士学位。1980年,他加入了NEC公司位于川崎的中央研究实验室,从事光电探测器,VCSEL和III-V化合物半导体干法蚀刻工艺的研究与开发。他于2000年至2004年加入飞秒技术研究协会(FESTA),在那里他开发了用于超快光子设备的光子晶体的纳米加工技术。自2007年以来,他就职于美国国家材料科学研究所(NIMS),目前正着手开发纳米光子设备的处理技术,例如用于超快光子设备,等离子和超材料设备的光子晶体。从2004年到2007年,他是日本筑波大学筑波高级研究联盟(TARA)中心的客座教授。从2010年到2018年,他是立命馆大学科学与工程学院的客座教授。

Shigeru Nakamura于 1990年加入了日本筑波的NEC公司,从事超快全光学器件和子系统,硅光子学器件和子系统以及光学传感子系统的研究和开发。他在国际会议上作了许多邀请演讲,并在OEC1994,OEC2002和OECC2011等会议上获得最佳论文奖。

相关论文

Asakawa K, Sugimoto Y, Nakamura S. Silicon photonics for telecom and data-com applications Opto-Electron Adv 3, 200011 (2020).

DOI: 10.29026/oea.2020.200011