引言
随着数据中心流量需求的增加，研究人员正在探索800 Gbps和1.6 Tbps光互连技术，其中每条通道200 Gbps的调制已成为关键里程碑。本文介绍的是来自OFC 2025会议上张江实验室所牵头发表的研究成果。该研究探讨了在300毫米（即12英寸）硅基光电子平台上实现的高速马赫-曾德调制器(MZM)的设计、制造和性能，该调制器能够实现336 Gbps PAM-8操作[1]。
这是国内首家“12英寸硅光工艺平台”的公开成果展示，体现了张江实验室在光电子集成领域的综合实力，且有能力为各类光电子器件的研发和产业化提供强大支持。
对先进硅基光子调制器的需求
随着数据中心扩展和云服务激增，高带宽光通信系统的需求变得非常重要。IEEE 802.3工作组正在积极讨论如何提高800 Gbps以太网标准的符号率。为了实现这些高数据速率，光收发器中的每个组件都必须提供高操作带宽和调制效率。
虽然存在各种调制器技术，如电吸收调制器、等离子体-有机混合调制器和薄膜铌酸锂调制器，但硅基光电子技术已成为特别有前途的方法。其与CMOS制造工艺的兼容性使其非常适合大规模生产，这对于在数据中心和电信基础设施中的广泛应用是一个关键考虑因素。
行波马赫-曾德调制器设计
由于行波马赫-曾德调制器具有高线性度、低啾效应以及对温度和制造变化的敏感性较低的特点，因此对高速光通信特别具有吸引力。本文描述的调制器是在300毫米高电阻硅绝缘体(SOI)晶圆上制造的，该晶圆具有220纳米厚的顶层硅和2微米厚的埋氧层(BOX)。
图1. (a) MZM调制器的横截面和示意图，显示带GSG电极的器件结构。(b) 横向p-n二极管相移器中载流子浓度的数值结果。(c) 显示制造的300毫米SOI晶圆和MZ调制器的照片。
MZ调制器采用宽度为380纳米的肋状波导，槽厚度为70纳米。每个调制器由两个3毫米长的有源波导和形成行波结构的接地-信号-接地(GSG)电极组成。一个关键设计元素是集成到调制器一个臂中的热相移器，用于精确控制正交偏置点以获得最佳增益和线性度。
嵌入两个波导臂中的横向PN结具有精心定制的轻掺杂浓度：3.5×10^17 cm^-3 (P)和7.6×10^17 cm^-3 (N)。中间掺杂区域位于距PN结440纳米处，掺杂浓度为5.7×10^18 cm^-3。为了与金属层M1形成欧姆接触，P++和N++区域的掺杂浓度为1.5×10^20 cm^-3。
GSG电极设计为在高频操作下保持50欧姆阻抗，以最小化反射。两个PN结串联连接形成推挽配置，优化的单驱动GSG电极宽度为10微米，电极间隙为25微米。数值模拟显示负载阻抗为52欧姆，非常接近50欧姆的目标值。
器件性能特性
为了验证设计，对制造的MZ调制器进行了晶圆级表征。测试利用O波段激光光通过光栅耦合器进出调制器。
图2. (a) 显示调制器性能的静态传输谱。(b) 测量电光带宽的实验装置示意图。(c) -6V DC偏置下3 dB EO带宽的晶圆级测量结果。(d) MZ调制器的电光频率响应。
静态测试显示插入损耗为4.6 dB，对于这种类型的调制器来说相当令人印象深刻。在-6V偏置下，3毫米长调制器的DC Vπ(π相移所需电压)测量为3.8V，对应调制效率为1.1 V·cm。这一效率值对于硅基调制器来说非常出色，表明可以使用相对较低的驱动电压实现高调制深度。
小信号频率响应测量显示，在-6V DC偏置下，晶圆上电光(EO)带宽的中值为39 GHz。最佳器件实现了44 GHz的EO带宽，足以支持非常高的数据速率。测量的S11(电反射损耗)在约30 GHz以下保持在-15 dB以下，表明良好的阻抗匹配。使用Silvaco TCAD、Ansys Optics和Ansys Electronics进行的基于工艺的光电共模拟数值结果与测量数据显示出极好的一致性，验证了设计方法。
高速数据传输性能
任何光调制器的真正测试是其在真实数据传输场景中的性能。进行了大信号测试来评估调制器的高速数据传输能力。
图3. (a) 光传输测试的实验装置示意图。(b)-(c) 56 Gbaud和112 Gbaud OOK信号的测量眼图。(d)-(f) 56、112和128 Gbaud PAM-4信号的眼图。(g)-(h) 112 Gbaud PAM-6和PAM-8格式的光眼图。
测试装置采用256 GSa/s任意波形发生器(Keysight M8199A)生成RF信号，该信号经放大(使用SHF S804B放大器)后发送至110 GHz GSG RF探针。调制后的光信号通过PDFA(掺镨光纤放大器)放大，并由宽带示波器(Keysight N1000A)检测。
调制器在各种调制格式下表现非常出色：
对于开关键控(OOK)格式，器件实现了56 Gbaud，消光比(ER)为10.1 dB(SNR = 9.98 dB)，以及112 Gbaud，ER为7.2 dB(SNR = 6.77 dB)。 对于PAM-4调制(4级脉冲幅度调制)，发射器色散眼闭合四元(TDECQ)测量值为：56 Gbaud时为0.98 dB(外部ER = 4.9 dB)，112 Gbaud时为1.47 dB(外部ER = 1.9 dB)，128 Gbaud时为2.85 dB(外部ER = 1.1 dB)。 最令人印象深刻的是，调制器成功演示了112 Gbaud PAM-6和PAM-8调制，后者实现了惊人的336 Gbps数据速率。
接收器信号处理采用4阶贝塞尔滤波器和32抽头前馈均衡器(FFE)来减少噪声，这是实际部署中的实用方法。
结论
在300毫米硅基光电子平台上制造和测试的336 Gbps(112 Gbaud PAM-8)MZ调制器代表了光通信技术的重大进步。在-6V偏置下，这些器件具有44 GHz的电光带宽和1.1 V·cm的调制效率，展示了推动硅基光电子边界的能力。
模拟和实验结果之间的紧密一致性突显了设计方法和300毫米硅基光电子平台工艺的成熟度。这种一致性使MZ调制器能够为未来应用进行有效的迭代优化。
演示的128 Gbaud PAM-4和112 Gbaud PAM-8光传输能力使这些调制器成为下一代800 Gbps和1.6 Tbps光互连的极佳候选者。高性能、CMOS兼容性和大规模晶圆制造的结合使这项技术特别适合满足数据中心和电信网络日益增长的带宽需求。值得强调的是，张江实验室拥有的12英寸硅光线为此类先进器件的研发和大规模生产提供了坚实基础，这对于推动国内在硅基光电子领域的进步具有重要意义。
参考文献
[1] E. Jia, F. Yang, Y. Liu, Y. Wang, Y. Zhou, X. Hu, X. Zhao, W. Chu, and H. Cai, "A 336 Gbps Traveling-Wave Mach-Zehnder Modulator in a 300 mm Silicon Photonic Platform," in Optical Fiber Communication Conference (OFC), 2025, paper M3K.1.
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