低壓驅動矽光環調變器：MOS電容結構實現高速與高能效

降低驅動電壓的矽光子調變解方

三元內容定址記憶體（Ternary content addressable memory, TCAM）廣泛用於網路封包查找與相似度比對等低延遲應用。電子式 TCAM 難以突破數 GHz 操作頻寬，限制其於高通量網路運作的效能。光子式 TCAM 則可在光學域內高速處理資料，具潛力克服電子限制。

裝置設計：異質整合高遷移率 MOS 電容

本研究提出一種整合氧化銦鈦（Indium Titanium Oxide, ITiO）/二氧化鉿（HfO₂）/矽的金氧半導體電容（Metal-oxide-semiconductor capacitor, MOSCAP）式矽光環調變器。設計中採用 300 nm 寬波導，以提升電光轉換效率，並兼顧品質因子（Q-factor）控制。

裝置製作流程包含在預製矽光環上沉積 10 nm HfO₂ 絕緣層，與 14 nm ITiO 閘極層，並以 Ni/Au 建立歐姆接觸。所製元件在 -1.9 V 偏壓與 0.8 Vpp 擺幅下，達成 6 dB 消光比與 3 dB 插入損耗。

頻寬與傳輸效能實測

元件在施加不同偏壓下展現藍移特性，其電光效率為 117 pm/V，對應 Vπ•L 為 0.12 V•cm，Q-factor 約為 4600，支援約 50 GHz 光學頻寬。

實際量測顯示：

• E-O 頻率響應：在 500 MHz 標準化下，3 dB 頻寬為 11 GHz；

• 高速調變表現：在 -1.9 V 偏壓與 0.8 Vpp NRZ 驅動下，於 25 Gb/s 資料率維持開眼圖；

• 能耗評估：以 333 fF 實測電容推估，調變能耗為 53 fJ/bit。

結論

本研究展示一種 ITiO-Gated MOSCAP 矽光環調變器，實測結果顯示其在 0.8 Vpp 驅動條件下達成 11 GHz 頻寬、25 Gb/s 資料率與 53 fJ/bit 能耗。裝置特性依據實驗數據進行評估，提供具體參數作為設計與應用參考。

參考資料

[1]    W.-C. Hsu, N. Nujhat, B. Kupp, J. F. Conley, Jr., and A. X. Wang, "High-Speed Low-Voltage MOSCAP-Driven Silicon Microring Modulator," School of Electrical Engineering and Computer Science, Oregon State University, Corvallis, Oregon, USA, and Department of Electrical and Computer Engineering, Baylor University, Waco, Texas, USA, 2024.