基于静态和动态联合分析的高密度行波马赫-曾德尔调制器阵列串扰抑制技术

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子技术的快速发展推动了微型化电子-光电集成线路的研发，使其能够与传统的CMOS工艺兼容。在各类光学器件中，马赫-曾德尔调制器（MZM）因具有宽谱范围和热不敏感特性，在光收发器中得到广泛应用。然而，随着对更高带宽密度和更低成本要求的不断提升，MZM之间的串扰已成为一个亟待解决的重要挑战[1]。
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行波MZM阵列中电学串扰的基本原理
! G1 y3 z! e1 m* g行波MZM（TWMZM）阵列中的电学串扰主要通过两种机制表现：辐射耦合和传导耦合。辐射耦合（也称为非接触耦合）由电容和电感的相互作用引起，耦合强度与MZM通道间的间隔直接相关。传导耦合则发生在多个组件共享共同回流路径（如共享接地路径）时。

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图1展示了(a)平行行波电极间辐射耦合的分析方法，(b)等效电路模型，以及(c)两个TWMZM之间的辐射耦合串扰。
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静态和动态串扰分析
为全面理解串扰效应，研究人员开发了静态和动态分析方法。静态分析侧重于前向和后向串扰系数，而动态分析则考虑串扰在系统运行过程中的整体影响。
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! C( N( D- A- w% l: Z( V图2显示了(a)MZM之间的共享接地电极结构，(b)评估近端串扰的仿真设置，以及(c)不同键合线电感下的近端串扰结果。

线路级串扰抑制技术
开发了三种主要的线路级技术来抑制串扰：
1. 差分双驱动电极方案
该方法利用紧耦合电极对来最小化相邻MZM之间的辐射耦合。该方案采用差分信号，在S+和S-电极上传输互补信号。

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7 j& [7 Z, G$ D; E' Q5 p! I图3展示了(a)差分双驱动电极方案和(b)MZM2上臂的串扰抑制机制。
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, b7 X0 O, ~# e# E2. 虚拟接地结构
1 \) O  l: q' q; P* p% u该技术通过在输入PAD附近的上下臂接地电极之间实现低电阻路径来解决传导耦合问题。

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0 t, E' i9 F: B# k4 s. N: |2 ]图4展示了(a)通过金属M2桥接的接地电极用于噪声消除和(b)全匹配终端拓扑。
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3. 全匹配终端线路
该设计确保差分信号和共模信号的阻抗匹配，减少反射引起的串扰。
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  E3 ~' {4 N9 t性能评估与结果
2 i: B! r* t2 d* R广泛的仿真和实验结果证明了这些串扰抑制技术的有效性：

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' c# b/ P; D+ k图5展示了25 Gbps下不同操作通道的(a)眼图和(b)误码率曲线。
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这些技术的组合实现了显著成果：
1 v0 y9 {* l" x* @5 |: f动态电学串扰系数降低到1.5%以下
/ x6 `- L  _" i多通道运行的误码率从1E-3提升到1E-12
  d1 d6 F) q3 Z3 B7 x7 L) k高速应用中信噪比显著提升
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5 [; T! _" n5 F, ^) ~实际实现
: i' Y+ V. R. ~# }通过原型开发和测试验证了这些技术的实际应用：
( i$ `, O: c) A/ O+ K

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: H1 q6 t" |5 p4 D图6显示了(a)4通道硅基光电子TWMZM阵列芯片照片，(b)测试板照片，以及(c)电光链路实验设置。
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# X7 o* u7 e/ S& j' i" N% x图7显示了(a)不同通道运行时的接收端眼图和(b)证明性能提升的误码率曲线。

7 z" a; }: @4 {/ S结论
) W3 Y0 n) y5 H+ y9 g" B, ]通过线路级设计实现的TWMZM阵列串扰抑制系统方法展现了显著效果。差分双驱动电极、虚拟接地结构和全匹配终端线路的组合为高密度光互连提供了可靠解决方案。这些技术在保持与现有制造工艺兼容的同时实现了显著的性能提升，对下一代光通信系统具有重要价值。

1 C0 c5 M  L) S, }参考文献
[1] P. Ji et al., "Crosstalk suppression for high-density traveling-wave MZM array based on static and dynamic combined analysis and circuit-level designs," Opt. Express, vol. 30, no. 15, pp. 27333-27345, Jul. 2022.
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