We present a high-speed silicon optical modulator with a low V(pp) (peak-to-peak driving voltage) and ultralow energy consumption based on a microring resonator, with the refractive index modulation achieved by electric-field-induced carrier depletion in a reverse-biased lateral pn diode embedded in the ring structure. With a V(pp) of 2 V, we demonstrate a silicon modulator with a 3 dB bandwidth of 11 GHz, a modulation depth of 6.5 dB together with an insertion loss of 2 dB, ultralow energy consumption of 50 fJ per bit, and a small device active area of approximately 1000 microm(2).

We present thermally tunable silicon racetrack resonators with an ultralow tuning power of 2.4 mW per free spectral range. The use of free-standing silicon racetrack resonators with undercut structures significantly enhances the tuning efficiency, with one order of magnitude improvement of that for previously demonstrated thermo-optic devices without undercuts. The 10%-90% switching time is demonstrated to be ~170 µs. Such low-power tunable micro-resonators are particularly useful as multiplexing devices and wavelength-tunable silicon microcavity modulators.

Storing light on-chip, which requires that the speed of light be significantly slowed down, is crucial for enabling photonic circuits on-chip. Ultraslow propagation1,2,3 and even stopping4,5 of light have been demonstrated using the electromagnetically induced transparency effect in atomic systems1,3,4,5 and the coherent population oscillation effect in solid-state systems2. The wavelengths and bandwidths of light in such devices are tightly constrained by the property of the material absorption lines, which limits their application in information technologies. Various slow-light devices based on photonic structures have also been demonstrated6,7,8,9,10; however, these devices suffer a fundamental trade-off between the transmission bandwidth and the optical delay. It has been shown theoretically11,12,13 that stopping light on-chip and thereby breaking the fundamental link between the delay and the bandwidth can be achieved by ultrafast tuning of photonic structures. Using this mechanism, here we report the first demonstration of storing light using photonic structures on-chip, with storage times longer than the bandwidth-determined photon lifetime of the static device. The release time of the pulse is externally controlled.

We demonstrate a single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulator (MZM) with a π-phase-shift voltage of 3.1 V and speed up to 30 Gb/s. The on-chip insertion loss is 9 dB due to the use of a 6 mm-long phase shifter. Higher switching speed up to 40-50 Gb/s is also demonstrated in devices with shorter phase shifters which require higher drive voltages but have lower insertion losses.

We present silicon photonic integrated circuits (PICs) based coherent optical transmitters and receivers for high-speed long-distance fiber optical transmission. High-degree photonic integration is achieved by monolithically integrating silicon electro-optic modulators, germanium photo detectors, silicon nitride-assisted on-chip polarization rotators, thermal phase shifters, and various passive silicon optical devices on a single wafer platform. We demonstrate the use of these PICs for modulating and detecting 112-Gb/s polarization-division-multiplexed quadrature phase-shift keying (PDM-QPSK) and 224-Gb/s PDM 16-ary quadrature amplitude modulation (PDM-16-QAM) signals. Transmission and coherent detection of a 112-Gb/s PDM-QPSK signal over 2560-km standard single-mode fiber is also demonstrated. The high-degree photonic integration for silicon PICs promises small-form-factor and low-power-consumption transceivers for future coherent systems that demand high cost efficiency and energy efficiency.

We report a directly reflectivity modulated laser that generates a 50-Gbaud QPSK signal with a BER of 2.2×10 −5 . We believe this is the first demonstration of a coherent transmitter made from a directly driven laser.

Future optical transceivers will rely on silicon photonics to address the increasing need for high capacity density and energy efficiency. We review its applications in 800G and beyond and highlight the challenges ahead.