引言

数据流量呈指数级增长，视频传输、云计算和人工智能等应用推动光通信网络需求激增。根据最新预测，到2029年全球移动数据流量将增长三倍，达到每月403艾字节。这种数据传输量的增长带来了能源效率和带宽能力方面的重大挑战。现代数据中心作为数字基础设施的核心，耗电量巨大 - 单个大型数据中心的用电量相当于80,000个美国家庭的用电量[1]。

硅基光电子技术与当前局限性

硅基光电子技术在光通信领域展现出优异潜力，特别是在数据中心应用方面。该行业已取得显著进展，商用硅基光电子收发器现已实现400G比特率，实验室已展示800G收发器。然而，尽管有效数据速率从2007年的10G提升到2024年的800G，实际传输光脉冲速率仅提高了5倍，从10 GBaud提升到50 GBaud。

图1展示了锗光电二极管(a)和电吸收调制器(b)的TEM横截面图像对比，突出显示了电吸收调制器设计中减小的硅区域厚度。

性能瓶颈

光传输系统出现了显著瓶颈。接收端的锗光电检测器已展示出超过200 GHz的3 dB带宽，但发射端面临限制。目前硅基光电子发射器中最常用的传统硅马赫-曾德尔调制器，其电光3 dB带宽仅为50-70 GHz，性能似乎已达到极限。

图2展示了电吸收调制器的纵向剖面示意图，显示了对接耦合方法和关键尺寸参数。

锗电吸收调制器

锗电吸收调制器（EAMs）为突破当前带宽限制提供了新方案。这些器件基于弗兰兹-凯尔迪什效应工作，通过施加电场调制锗的光吸收。EAMs的主要优势在于结构紧凑 - 长度通常为20微米，而传统马赫-曾德尔调制器长度为数毫米。

图3显示了1.6微米波长下电吸收调制器的归一化频率响应，展示了不同偏置电压下的性能。

性能与实现

锗电吸收调制器技术取得显著进展。在-3 V偏置下，器件展现出优异的射频性能，3 dB带宽达到100 GHz。这种高速性能使数据速率高达112 Gbps时仍能获得清晰的眼图。

图4展示了不同数据速率（80、100和112 Gbps）下射频探测的锗电吸收调制器的眼图，显示了系统的性能特点。

能源效率与集成

锗电吸收调制器的主要优势之一是能源效率高。结电容为7.5飞法，调制电压为1.8 V，动态功耗仅为6.08飞焦耳/比特 - 这在硅基光电子调制器中创下记录。

图5显示了1.6微米波长下锗光电二极管的归一化频率响应，展示了带宽性能。

与现有技术集成

锗电吸收调制器成功集成到硅基光电子平台是重要进展。这些器件已成功整合到光电子BiCMOS技术平台中，将光学功能与CMOS晶体管和硅锗异质结双极晶体管等电子元件结合。

图6展示了多个晶圆的单位增益频率和最大振荡频率测量的箱线图，证明了性能的一致性。

未来发展与挑战

目前实现主要在L波段（约1610纳米）展现良好效果，研究人员正致力于将运行范围扩展到电信优选的C波段（1530-1565纳米）。这可通过在锗中掺入约1%的硅来调节吸收特性实现。

研究人员正积极推进技术发展，目标是优化锗电吸收调制器，使3 dB带宽突破100 GHz。这种持续发展对满足互联世界不断增长的数据流量需求具有重要意义。

结论

锗电吸收调制器代表了光通信技术的重要进展。高带宽、高能效以及与现有硅基光电子平台的兼容性使其成为新一代光通信系统的理想选择。随着数据流量持续指数增长，这些器件在实现更快速、更高效的光通信中将发挥越来越重要的作用。

这些调制器成功集成到现有半导体制造工艺中，加上优异的性能特征，使其成为未来高速光通信系统的关键技术。随着研究继续深入、技术日益成熟，预期将看到更多突破性进展，满足全球对更快速、更高效数据传输的需求。