OFC2025 | 290 Gbps 硅基光电子微环调制器及其 83aJ/bit超低功耗特性

逍遥设计自动化

引言
- e4 e+ F$ q* N' S& A随着人工智能、云计算和高性能计算的快速发展，对高速、能效高的互连技术的需求变得日益关键。硅基光电子(SiPh)技术已成为芯片和系统集成的一种有效解决方案，在带宽、能效和集成密度方面提供显着优势。本文探讨的是来自OFC 2025会议张江实验室所牵头发表的研究成果，一种突破性的硅基光电子微环调制器(MRM)，该调制器实现了290 Gbps的数据速率，同时功耗仅为83aJ/bit。

值得注意的是，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。这项技术在当前对高速、低功耗互连日益增长的需求背景下，展现了国内在硅基光电子领域的研发水平和创新能力[1]。

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9 O0 H. e( x' g. W器件设计与制造工艺
" X2 L* B: P, ~3 O这里讨论的微环调制器代表了硅基光电子技术的重大进步。该器件在300毫米硅基光电子平台上制造，具有紧凑的5微米微环半径，总线波导与微环之间的间隙为260纳米，从而实现了13纳米的更大自由光谱范围(FSR)。调制器采用侧向PN结设计，掺杂浓度经过精心优化：p型区域为1×10^17厘米^-3，n型区域为3.5×10^17厘米^-3。

环形结构由硅肋波导组成，尺寸为220纳米高度、380纳米宽度和150纳米的台阶厚度。制造过程利用先进的制造技术优化波导形态，降低了波导损耗并提高了微环的品质因数(Q因数)。波导顶部集成的钨加热器提供了MRM的热光控制功能。

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图1：(a)设计的MRM示意图，(b)PN结横截面视图，(c)300毫米硅基光电子平台上生产的晶圆，(d)制造的MRM显微图像。

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性能特性与测量结果
" w9 C; R( d5 |& n# d5 l对制造的MRM进行了广泛的表征，以评估其光学和电学特性。在不同偏置电压下对1316纳米共振附近的透射光谱进行测量，显示非共振插入损耗仅约为0.5 dB。MRM实现了26,300的负载Q因数，在3伏反向偏置电压下，PN结的相位效率测得为0.9伏·厘米。

使用矢量网络分析仪和光波组件分析仪(LCA)分析了器件的电气特性。S11测量允许提取关键参数：电阻值Rs = 193欧姆和电容值Cj = 10.13fF。值得注意的是，外围金属连接的接触电阻和电感增强了MRM在低频下的性能并改善了其带宽。电光(EO)响应带宽在0伏偏置下达到38 GHz，在-3伏偏置下达到51 GHz。
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! k) o9 q3 n. @3 H2 b" [晶圆级测试确认了器件性能在300毫米晶圆上的一致性，EO带宽在0伏偏置下显示中值为37 GHz，标准偏差仅为1.29 GHz。这种一致性凸显了MRM的制造可靠性，表明该技术具有大规模生产的潜力。
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+ h* {! W6 P# [2 q# ?1 x9 S. P图2：(a)不同偏置电压下测量的透射光谱，(b)测量的S11和提取的RC特性，(c)硅MRM的电光S21响应，(d)晶圆级测试结果中0伏偏置下的3 dB EO带宽。
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7 Z0 }0 p1 H: t高速数据传输能力
0 v8 O+ E$ S/ a为验证MRM的高速性能，研究团队进行了全面的眼图测量。测试设置包括使用256 GS/s任意波形发生器驱动MRM，后接偏置三通和射频探针。光信号源自O波段可调谐激光器，经光放大器放大，然后通过被测器件传输到数字通信分析仪。
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5 Y! X3 c0 f6 Z为获得最佳光调制幅度(OMA)和线性度，MRM在对应于6 dB插入损耗的波长失谐点和3伏反向偏置电压下运行。对于112 GBaud PAM4和PAM6电气输入，峰峰值射频摆幅仅维持在0.4伏。采用信号处理技术，包括升余弦函数、接收端的31抽头FFE均衡器和1×10^-2的软判决前向纠错阈值，来评估发射机色散眼图闭合四元(TDECQ)惩罚。
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MRM的测量TDECQ在112 Gbps(56 GBaud)时为1.26 dB，在240 Gbps(120 GBaud)时为2.26 dB。该器件在146 Gbps和290 Gbps数据速率下的PAM-6信号表现出色。根据器件的驱动电压和电容，调制功耗计算为PAM-4操作时114阿焦/比特，PAM-6操作时仅为83aJ/bit。
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) d% b1 D. y, y3 c图3：测量的电气眼图：(a)112 GBaud PAM4，(b)112 GBaud PAM6；光学眼图：(c)112 Gbps PAM4，(d)146 Gbps PAM6，(e)224 Gbps PAM4，(f)290 Gbps PAM6。
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( J9 i$ ?# Z) G7 U, g与最先进器件的比较
与先前报道的环形调制器相比，本文介绍的MRM提供了显着优势。传统设计通常面临Q因数和电光带宽之间的权衡，而该器件成功缓解了这一限制，实现了超低功耗的高速运行。比较突显了该器件在驱动电压(0.4伏)和能效(83aJ/bit)方面的优越性能，同时保持了有竞争力的数据速率(290 Gbps)和带宽(51 GHz)。

$ e* h8 |7 r8 W' }4 Z8 R引述论文中的表1详细比较了本研究中的MRM与近年来报道的其他硅基微环调制器的性能。通过这种比较，可以清晰地看到张江实验室研发的器件在维持高数据速率的同时，实现了更低的驱动电压和能耗，这对于未来的实际应用极为重要。

这些性能表明，所提出的MRM在未来片上和芯片间光互连应用中具有广泛应用价值，特别是在能效和高带宽都是首要考虑因素的场景中。
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结论
; v/ A5 B* v: L/ W) ]这种硅基光电子微环调制器在该领域取得了重大进展，实现了290 Gbps PAM-6数据调制，电压摆幅仅为0.4伏，能耗仅为83阿焦/比特。通过对掺杂浓度和器件几何结构的精心优化，研究团队有效解决了品质因数和电光带宽之间的传统权衡问题，使这种技术成为下一代高速、高能效光互连的理想选择。

& ~! ]$ k2 g8 `0 ?, T  m3 F作为国内首家12英寸硅光工艺平台的成果，这项研究不仅展示了国内在硅基光电子领域的技术实力，也为未来的光电子集成芯片发展提供了重要参考。

! `- S( M; k; A9 x+ E8 X, X参考文献
: `- h& t; R) Q+ S& R* C[1] X. Wang, F. Yang, Y. Liu, Y. Wang, F. Hu, X. Zhao, W. Chu, and H. Cai, "A 290 Gbps Silicon Photonic Microring Modulator with 83 aJ/bit Power Consumption," in Optical Fiber Communications Conference (OFC), 2025, paper M3K.5.
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