Whoscored(中国·中文)官网-专注足球数据分析的专业平台

Nature Communications更新|能支持 5x200Gps的全硅制程硅基光电子微环调制器

引言

随着人们步入生成式人工智能（AI）、扩展实境（XR）和全自动驾驶（FSD）技术的时代，对更快更高效的互连需求激增。传统的电连接已无法满足这些新兴应用对带宽、密度和功耗的需求。利用其高带宽、低损耗信号传输和波长多路复用能力，光互连已成为应对这些不断增长的数据传输需求可行的解决方案。

在各种光电子集成平台中，硅基光电子技术因其与CMOS兼容和高体积的生产潜力而脱颖而出。此外，光电共封装（CPO）方法能够无缝集成电子和光子技术于单一基板上，大大缩短链路长度、提高数据密度并降低能耗。

硅基光电子互连的核心是微环谐振调制器（MRM），一种紧凑可扩展的调制解决方案，利用微环谐振器的波长选择性。通过操纵自由载流子色散效应，MRM可以通过电控载流子浓度来调制光。然而，传统MRM一直受到调制效率和带宽之间固有折衷的制约，限制了其性能。

本文将简析2024年一月刊登在Nature Communication 的”A 5 × 200 Gbps microring modulator silicon chip empowered by two-segment Z-shape junctions”一文，介绍硅基光电子技术的突破性创新 - 采用两段Z形结的5x200Gbps微环调制器硅芯片。这一最新成果表明，全硅调制器实际上能够支持未来200Gb/s/lane光互连，为下一代高速数据传输打开方向 [1]。

器件设计

该硅芯片的关键创新在于微环调制器的两段Z形结设计。每个MRM包含两个单独的调制段，最高有效位（MSB）和最低有效位（LSB），长度比约为2：1。这种两段结构专为四电平脉冲幅度调制（PAM4）而设计，将复杂的PAM4驱动信号简化为两个非归零（NRZ）信号。

如图1b所示，Z形p-n结的横截面基于标准的500nm宽、220nm厚的Si波导，具有90nm厚的slab。设计了一种量身定制的Z形掺杂剖面，包含四种不同的离子植入：浓度为3x10^18cm^-3的n型掺杂、浓度为3x10^18cm^-3的p型掺杂、浓度为6x10^18cm^-3的n^+型掺杂和浓度为6x10^18cm^-3的p^+型掺杂。这种独特的掺杂剖面优化了波导模式与耗尽区的重叠，提高了调制效率，同时降低了自由载流子吸收损耗和串联电阻。

MRM的耦合区域设计基于损耗模拟，形成了如图1e所示的4μm长耦合区域，间隙为180nm。

图1 | 硅两段Z形微环调制器（MRMs）的器件设计。a 5通道硅两段MRMs的示意图。b Z形结的横截面图及其对应的波导横电模式（c）和-3V时的电场分布（d）。e 耦合区域的有限差分时域（FDTD）仿真场分布图。

单个微环调制器表征

为评估这一创新设计的性能，对单信道MRM进行了广泛测量。如图2a所示的测量透射光谱显示，平均非共振插入损耗约为0.9dB，自由光谱范围（FSR）约为5.7nm，直流（DC）消光比（ER）约为16dB，半高全宽（FWHM）约为0.35nm，品质因子（Q）约为3700。

通过测量谐振波长对结电压的偏移来表征Z形结的调制效率。如图2g和2h所示，LSB段的谐振波长偏移量约为11.0pm/V，MSB段约为16.3pm/V，相当于LSB的惊人调制效率V_π⋅L为0.53V⋅cm，MSB为0.69V⋅cm。这比之前最先进的横向结两段MRM的调制效率提高了约67%。

图 2 | 单个微环调制器（MRM）的直流（DC）特性。a 测量的单通道MRM（蓝色）和一对光栅耦合器（橙色）的传输谱。b 随加热器电压从 0 V 到 4 V 变化的测量传输谱和共振波长。c， d 不同结的波导横向电模式（TE）与耗尽区的重叠比例计算。e， f 从 0.5 V 到 -4 V 的结电压下测量的传输谱，针对最不显着位（LSB）和最显着位（MSB）。g， h 提取的共振波长与结电压的关系，针对LSB和MSB。

MRM的调制带宽由结的电阻-电容（RC）时间常数、微环的光子寿命和相对于共振的波长偏移决定。通过分析测量的S参数，推导出LSB和MSB段的等效电路，如图3b和3e所示。LSB的RC限制带宽为79.1GHz，而MSB的带宽为64.0GHz。

此外，如图3c和3f所示的测量电光（EO）响应显示，在最大调制斜率波长下，LSB的3dB EO带宽为48.9GHz，MSB为48.3GHz，这是非常了不起的成绩。

图3 | 两段硅微环调制器（MRM）的频率响应。a、d -3V时， LSB和MSB的测量（红色）和拟合（蓝色）S11 Smith图。b、e LSB和MSB在-3V时的拟合等效电路及其相应的结RC响应。c、f LSB和MSB在-3V、Δλ~0.1nm偏移时的测量电光（EO）响应（|S21|2）。

由于两段Z形设计赋予了高调制效率和带宽，该MRM可以支持清晰开口的200Gb/s PAM4调制，如图4e所示。在软决策正向纠错（SD-FEC）的符号误码率（SER）1E-2阈值下，测量的发射端色散眼图闭合四分位数（TDECQ）为0.2dB，外部ER为3.6dB。

值得一提的是，这款高性能MRM在1.6V峰峰值射频（RF）摆幅电压下，200Gb/s PAM4调制的能耗仅为6.3fJ/bit。

图 4 | 单个微环调制器（MRM）的眼图。a 两段式Si MRM的显微照片。测量的100 Gb/s 非归零（NRZ）的最不显着位（LSB）、最显着位（MSB），以及LSB和MSB的组合（b–d）的眼图；以及200 Gb/s 四级脉冲幅度调制（PAM4）的LSB和MSB的组合（e）。

DWDM微环调制器

在单信道MRM的卓越性能基础上，通过根据期望的通道间距略微修改微环周长，实现了5通道DWDM MRM阵列。图5a显示了这个5通道DWDM MRM阵列的微图，其中五个微环串联连接并共享一根总线波导。如图5b所示，5通道MRM阵列的测量透射光谱展示了在一个FSR内均匀分布的谐振波长，无需热调谐即可直接调制每个通道。

利用与单通道MRM相同的实验设置，对所有五个通道均测量到开口的200Gb/s PAM4眼图，如图5c-5g所示。通道1至5的测量TDECQ值（在SER=1E-2时）分别为~1.02dB、~0.83dB、~0.93dB、1.00dB和0.67dB，所有通道的外部ER约为3.6dB。

DWDM调制器的一个关键指标是通道串扰。通过测量MRM在相邻信道波长和本信道波长下的EO响应来量化通道串扰。如图5h所示，通道2上的MRM与信道1和信道3的平均串扰分别约为-33.4dB和-57.7dB，即使没有热调谐。这个极低的串扰值可以通过精确调谐通道间距得到进一步改善。

这款5通道DWDM MRM阵列是一项突破性成果，展示了1Tb/s（5x200Gb/s PAM4）的总数据速率，为下一代高速光互连开辟了道路。

图5 | 5通道硅微环调制器（MRM）阵列的眼图和串扰性能。a 5通道DWDM硅MRM阵列的微图。b 5通道硅MRM阵列的测量透射光谱。c-g 信道1、信道2、信道3、信道4和信道5（C1-C5）的200Gb/s PAM4测量眼图。h DWDM MRM阵列的测量通道串扰。

结论

本文介绍了采用两段Z形结的5x200Gbps微环硅调制器芯片。通过优化的Z形掺杂剖面和两段架构相结合，这一创新设计缓解了调制效率和带宽之间的固有权衡，实现了高速调制，且能耗低于10fJ/bit。

这一最新成果的关键成就包括：

高达约48.6GHz的3dB电光带宽
大的调制效率，V_π⋅L约为0.6V⋅cm
在仅1.6V峰峰值电压且能耗为6.3fJ/bit下，200Gb/s PAM4眼图开口良好
支持1Tb/s（5x200Gb/s PAM4）总数据速率的5信道DWDM MRM阵列
极低的小于-33dB通道串扰，有望进一步降至约-57dB

这项突破性硅基光电子技术证明，全硅调制器实际上能够支持未来200Gb/s/lane光互连，满足生成式AI、XR和FSD等新兴应用对数据传输的迅猛需求。作为可扩展且高能效的解决方案，该5x200Gbps微环调制器硅芯片为下一代高性能计算系统和数据中心指明了方向。

参考文献

[1]Yuan, Y., Peng, Y., Sorin, W.V. et al. A 5 × 200 Gbps microring modulator silicon chip empowered by two-segment Z-shape junctions. Nat Commun 15, 918 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45301-3