电光调制器完成从电信号到光信号的转换功能（图1），是光互连、光计算和光通讯系统的关键器件之一。硅基光子器件由于其兼容CMOS工艺，可实现低功耗、低成本光子器件及其和电子器件的单片高密度集成，成为近十年来国际光电子领域最引人注目的研究热点。硅基电光调制器由于其结构工艺复杂和重要的电光转换功能、成为代表硅基光子学发展水平的标志性器件。本研究组对硅基电光调制器开展了系统、深入的研究，率先实现了调制速率超过60Gb/s以上的硅基电光调制器，并开展了封装等相关研究，居于世界领先水平。

图1 电光调制器示意图

在硅基电光调制器中，应用最广的调制机制是等离子色散效应：外加电场作用改变硅波导中的载流子浓度，从而改变波导折射率和吸收系数。基于等离子色散效应的硅基调制器由光学结构和电学结构两部分组成：光学结构实现光在波导中传输方向的导引，并将电学结构引入的相位调制转换为光强度调制；电学结构通过改变硅基光波导中载流子分布而改变波导折射率，进而改变波导中传输光的相位、并通过干涉结构或谐振腔结构将相位的变化转化为光强的变化。

调制器常用光学结构有马赫-增德尔干涉仪（MZI）型和微环谐振腔（MRR）型等，如图2所示。在MZI型调制器中，入射光耦合进入调制器的分束器，被分成两束光分别进入MZI两臂波导，然后通过合束器合波，干涉叠加构成输出光。如果调制臂波导中的载流子分布因等离子色散效应发生变化，传输光相位将改变，则通过干涉实现光的功率调制功能，在MRR型调制器中，入射光进入直波导并部分耦合进微环，直波导的光场和自微环耦合出来进入直波导的光场干涉叠加构成输出光的光场。通过电学结构改变微环波导折射率将改变微环中传输光的相位，进而改变干涉叠加效果，实现调制功能。

图2 MZI型和MRR型调制器示意图

基于等离子色散效应的硅基调制器常用电学结构有MOS电容型、正向PIN型和反向PN型等，如图3所示。MOS电容型结构是在脊形波导中插入一层栅氧层构成电容结构，施加偏压时，栅氧层两边会形成载流子的积累，改变脊形波导的折射率；PIN型结构由本征区脊形波导和两侧P区和N区重掺杂的平板区构成，施加正向偏压时，本征区中注入大量的非平衡少数载流子，改变脊形波导的折射率。反向PN型结构的脊形波导中为轻掺杂的P和N区，施加反向偏压时，耗尽区宽度增大，波导中已有的载流子减少，改变脊形波导的折射率。

图3 常见电学结构示意图

硅基电光调制器是近十年来光电子领域最受关注的研究热点之一， 2004年Intel首次实现了1Gb/s以上的硅基调制器。近年来，英国surrey大学、法国Paris-Sud大学、日本PETRA、美国Alcatel-Lucent和Oracle、新加坡IME等均实现了40-50Gb/s的硅基调制器。国内开展硅基调制器研究较早，但在较长时间内研究处于跟踪状态。

2012年以后，在本组储涛研究员负责的国家重大科学研究计划 “硅基微纳波导结构光调制器与光交换阵列及其集成芯片研究”课题支持下，硅基调制器研究取得重大突破，2012年末至2013年初，所研制的MZI型和MRR型等硅基调制器的调制速率最高达到60Gb/s，居于当时世界第一，成果获邀在国际光通信顶级会议之一欧洲光通信会议ECOC2013上作为中国唯一的邀请报告发表。2014年，本研究组充分发挥设计优势，突破了多项目晶圆共享（MPW）制造模式中多种工艺、结构参数不能自由设定的局限，使用标准220nm顶层硅结构，采用IME-MPW方式研制成功高速硅基调制器，调制速率达到64Gb/s，达到现有测试系统极限。同时，本研究组开展了调制器的高频模块封装研究，2014年11月在国内率先研制出第一个硅基电光调制器封装模块，调制速率达到20Gb/s，为硅基调制器实用化奠定了基础。