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引言8 X! L6 |) e/ \& N6 T( M
在快速发展的光电子集成芯片(PIC)领域,高密度集成电光(E-O)元件的需求不断增加。这种集成对于开发用于数据中心、高性能计算和5G(及以后)网络的紧凑、低成本、高容量收发器模块非常重要。然而,随着不断提高集成密度,遇到了重大挑战:密集排列的元件之间的串扰。
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本文主要研究和表征光电子集成芯片中并行排列的硅基行波马赫-曾德尔调制器(TW-MZM)之间的串扰。探讨使用浮动屏蔽条来减少这种串扰,可以显著提高芯片边缘带宽密度,同时不影响性能[1]。2 `$ f! \8 z& W% h) y
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理解并行TW-MZM中的串扰4 m9 X1 e! X9 c
并行TW-MZM中的串扰发生在两个共面带状线(CPS)之间通过互感和互容耦合射频(RF)信号时。这些耦合波在受害调制器中传播,干扰主信号并在接收器中造成噪声。这种干扰可能导致传输系统中的显著功率损失,特别是当串扰超过-20 dB时。
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图1:提出的结构示意图,两个平行的3 mm屏蔽TW-MZM,间距为D。图像还显示了横截面和电场分布。# p0 ^% h) Z1 Z' ^
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串扰缓解技术, `5 W1 b% b$ B, i# G0 {
为了解决这个挑战,研究了两种方法来抑制并行TW-MZM中的串扰:
0 R6 e" u) h9 }侧边导线:这种方法涉及在TW电极上添加侧边导线。/ c' u, B( ~- }- @
浮动屏蔽条(FSS):这种方法实施浮动屏蔽条来屏蔽TW-MZM。8 ~3 }; N) Y6 i7 U' Y) ?
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6 {: V2 u* M" a" ^* }6 k* [研究表明,使用FSS来屏蔽调制器可以显著减少串扰,无需后处理,允许集成线路紧凑度提高达50%。: t# j* E a& P# H+ W2 r+ ?
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器件设计和制造
+ d$ b ~% A9 j- z带FSS的调制器设计包括两个相同的屏蔽调制器,每个长度为3 mm。使用的TW电极是CPS,间距为D。该设计采用了TW-MZM的宽带设计,一个CPS作为TW电极,由两个推挽配置的PN结加载。/ q8 T) z, d% Z8 {0 Y
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8 ~7 ~+ V0 s! |: I( F图2:串扰模拟的三种设计:(a)两个平行MZM作为参考(无屏蔽),(b)两个带侧边导线的平行MZM,和(c)两个用FSS屏蔽的平行MZM。
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]3 d+ o' L, v) p8 {: p+ R4 R4 \该器件使用200毫米晶圆硅基光电子代工工艺制造,具有220纳米Si层和3微米埋氧层。这些MZM的PN结设计采用三级掺杂结构,位于220纳米高的硅肋波导内。采用串联推挽配置来最小化加载的PN结电容,这限制了带宽。
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& h# j' H+ I" I5 R; D: E设计优化 T* T1 d" R1 a$ ?) s
为了优化设计,使用ANSYS HFSS进行了模拟。系统地改变了屏蔽参数,特别是条宽(SW)和条间距(SS),并计算了回波损耗。- y; R0 U5 n' T9 M
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图3:(a) HFSS模拟结果,显示不同条宽(SW)和条间距(SS)组合的回波损耗。(b)在SW=2μm时,最大回波损耗和射频串扰随条间距(SS)的变化。
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模拟显示,当调制器的整个顶部表面被单一、无缝的金属屏蔽覆盖时,几乎所有功率都被反射。随着减小条宽并增加条间距,回波损耗降低。发现SW=2μm和SS=150μm的配置产生的最大回波损耗为10 dB,与参考MZM相似。) v' p1 W/ b7 N
2 \8 L6 r }' O( T8 K7 S模拟结果* z4 L9 \. S g$ S. E0 o
HFSS模拟展示了FSS在减少串扰方面的有效性。屏蔽MZM相比无屏蔽MZM显示出约10 dB的串扰减少。9 N8 @* Q2 ~ v+ c
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图4:HFSS模拟结果:(a)远端串扰和(b)近端串扰,适用于图2所示的三种结构,包括无屏蔽参考(在D=350μm,650μm),侧边导线,和屏蔽MZM。
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# `4 ?5 t. q. I: A, f1 |有趣的是,与无屏蔽MZM相比,加入侧边导线并没有显著减少射频串扰。观察到,对于所有三种结构,远端和近端串扰在较高频率下都会增加。然而,使用屏蔽MZM可以在这些较高频率下仍然减少串扰。% A$ w) [* P0 @3 }) g) j. l$ h
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测量结果和讨论- V6 f: t) `8 p* ?& a+ ^4 }' j
进行了电-电(E-E)和电-光(E-O)表征来验证模拟结果。) ~7 d1 f0 E1 F: o* |
0 U& |! A; @/ u9 l射频测量
. v5 g% S% U, i3 l4 B3 o c' v: ?使用4端口矢量网络分析仪,测量了不同MZM配置的E-E响应和串扰。3 `1 \( Q' C; D. x g, V; d ^' O
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图5:无屏蔽MZM(CPS在金属2(M2)和金属1(M1)层)和屏蔽MZM的E-E响应测量结果。4 x- Z) Q. ?; p3 d' I
1 k, s+ ?- B) N& [( y( h测量证实,将TW电极从Metal2移到Metal1对调制器的E-E响应影响有限。对结构添加屏蔽也是如此。
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图6:无屏蔽(参考)MZM、带侧边导线的MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的测量结果:(a)远端和(b)近端串扰。
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远端和近端串扰测量与模拟结果很好地吻合。屏蔽MZM表现出最小的串扰,比其他调制器低约5到10 dB。+ I9 k3 E* f$ k' D" S
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图7:屏蔽效能(SE)的模拟和测量结果。: p- {) v4 k% i
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观察到屏蔽效能的模拟和测量结果之间有很好的一致性,在50 GHz以下保持在约10 dB,在50到60 GHz范围内降至约5 dB。% H p4 G6 i6 p. L# |7 l# Q
& ^* I' ` o" H) HE-O测量
' S+ _. y, X% n5 }/ Q3 Q2 y5 U对于E-O测量,使用了相同的矢量网络分析仪和70 GHz光电探测器,以及1553 nm的外腔激光器。
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4 J4 q5 t8 ^& d: [图8:无屏蔽(参考)MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的测量结果:(a) E-O响应(无屏蔽MZM在Metal 1和Metal2都进行了测量),和(b) E-O串扰。1 M+ J- w$ `* a4 I" u$ z$ r9 q
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E-O测量证实,E-O响应不受行波电极重新定位或加入浮动屏蔽的显著影响。在4V DC偏置下,无屏蔽和屏蔽MZM都表现出几乎相同的3 dB带宽,大约集中在60 GHz附近。5 P. l t6 C0 r C' Q* V
0 }/ L' I/ p4 \8 C) UE-O串扰测量显示,使用浮动屏蔽可以大幅抑制串扰。然而,在较高频率下,E-O串扰的减少变得不那么明显,可能是由于射频串扰增加。6 P2 m& g- b9 P% u! w& L* z
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结论
" U; X2 N* Y1 M- f' j2 b* k5 F研究表明,在并行TW-MZM中使用浮动屏蔽可以显著减少串扰,允许集成线路紧凑度提高达50%。在金属2层实施浮动屏蔽来屏蔽调制器不会影响其电光响应,并且可以与其他串扰缓解方法有效结合,进一步减少串扰。1 d$ C6 `* E3 q9 U# D' |' m( Q
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这项研究为光电子集成芯片中电光元件的高密度集成提供了可能,使更紧凑、高效和强大的光通信系统的开发成为可能,以满足下一代数据中心、高性能计算和5G(及以后)网络的需求。% n2 ?( u* K. ]4 E
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参考文献
7 t: ~8 `5 ~* A. x: k[1] Mohammadi, L. A. Rusch and W. Shi, "RF crosstalk mitigation via floating shields in parallel silicon traveling-wave modulators," Opt. Express, vol. 32, no. 21, pp. 36075-36084, Oct. 2024.
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% A7 W3 \4 I0 A2 W, @+ m' N深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。 L4 M) Z/ q( P2 R& B5 A
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