OFC2025 | 无冷却O波段InP MZ调制器光电子集成芯片在下一代数据中心的应用

逍遥设计自动化

引言
  [* r$ a$ e) u: G数据流量的指数级增长，特别是在数据中心内部，已经创造了对高速光学器件的迫切需求。尽管下一代1.6T和3.2T以太网系统（支持每通道400 Gb/s）预计将在未来五年内成为重要的基础设施组件，但目前尚无成熟平台上的稳定光学解决方案能满足这些苛刻的要求。本文研究了光通信技术的一项重大进展：一种无需热电制冷器（TEC-less）的O波段InP马赫-曾德尔调制器光电子集成芯片，该芯片能够实现3.2 Tb/s的吞吐量[1]。
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% |$ s1 R3 B. R' b8 EO波段电光调制器的现状
) b7 r! z5 Y& m8 ?2 m+ }目前在短距离应用的O波段电光调制器领域有几种竞争技术平台。基于InP的电吸收调制器集成激光二极管（EA-DFB）和硅基光电子马赫-曾德尔调制器（MZM）因其成熟和发展完善的制造平台而被广泛使用。然而，这两种技术都难以在没有外部驱动IC的情况下同时实现100-GHz级带宽和足够的光调制幅度（OMA），导致功耗增加。

, M4 a( T% Z& ^6 ?0 Y4 J薄膜铌酸锂（TFLN）MZM作为一种有希望的替代方案出现，原因是其超过100 GHz的极其平滑的频率响应特性、低驱动电压和制造便利性。尽管有这些优势，TFLN调制器为了保持低驱动电压需要相对较大的占用面积。
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3 h# s8 f0 l3 Y+ PInP-MZM技术提供了几个令人信服的优势：高带宽、低驱动电压、小占用面积以及即将支持6英寸晶圆生产的成熟制造工艺。然而，传统观点认为，O波段应用的InP-MZM需要热电制冷器（TEC），这会增加成本和功率需求——直到现在。
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调制器设计和结构

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图1展示了8通道InP-MZM光电子集成芯片的示意图、横截面图和照片，芯片占用面积为5.0×5.0 mm2。

) ~# |0 I: e0 y( U9 h研究人员开发了一种针对单波长8通道并行传输应用（如DR8）的8通道InP-MZM光电子集成芯片。该器件在5.0×5.0 mm2的芯片上集成了八个MZM。考虑到1×8配置会产生9 dB的光分路损耗并影响光信噪比，该设计采用了双1×4配置，具有两个光输入端口。
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3 g7 T2 f7 ^2 U# b8 r) V" G" a调制区域采用精心设计的低电气和光学损耗的n-i-p-n异质结构。多量子阱的光致发光波长经过精确调整，以考虑高温下的带边吸收，同时保持在整个工作温度范围内的调制效率。
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6 p" f+ V2 Q5 z! e; j* }! p3 H调制器集成了几个关键组件：差分RF电路、625μm通道间距、65Ω差分片上终端电阻、20 mW半波移相功率的热光相位调节器和与商用C/L波段双IQ调制器中使用的相同的光斑尺寸转换器（SSC）。

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基本性能特性
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图2展示了MZM的静态特性：(a)半波电压与额外吸收损耗的依赖关系，(b)MZM传输曲线的温度依赖性，(c)电光响应的温度依赖性。

- ?* N4 q% z/ M4 C半波电压（Vπ）与额外带边光吸收损耗之间的关系可通过衬底偏置控制。在2.0V的Vπ下，器件表现出1 dB的额外损耗。在最大传输点和2.2V的Vπ下，每个MZM的光插入损耗约为12.0 dB，其中包括四个MZM的6 dB固有分路损耗和4.4 dB的聚焦光纤耦合损耗。
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当适当调整衬底偏置时，静态消光特性在20°C、50°C和80°C的工作温度下保持一致，消光比超过30 dB。电光带宽在所有温度条件下达到100 GHz，表现出平滑的小信号响应滚降特性。这些特性表明MZM能够支持224 GBd级的强度调制，摆幅电压低于1Vppd。
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实验设置和调制性能

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' O) J7 N5 _1 h图3显示：(a)172 GBd PAM-6 500米传输的实验设置，(b)调制器输出后的光谱，(c)恢复眼图的温度和通道依赖性，(d)BER与ROP的温度依赖性，(e)BER与ROP的通道依赖性。
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为了进行实验验证，MZM光电子集成芯片安装在能够在20°C至80°C范围内工作的温度控制平台上，每个MZM单独使用RF探针测试，该探针从256 GSa/s 80 GHz带宽的任意波形发生器（AWG）提供差分电信号。一个峰值波长为1311 nm的商用高输出（+20 dBm）DFB-LD作为激光源。
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; u& E2 b0 r2 @! q& O每个MZM的光输出功率约为+4 dBm，其中10%用于监测，其余部分通过500米标准单模光纤传输。在接收端，使用100 GHz光电带宽的PIN光电二极管，由于没有100 GHz级的跨阻放大器，补充使用了掺镨光纤放大器。

$ [$ ^4 ^' t$ u研究人员采用172 GBaud 2.5比特/符号的6级脉冲幅度调制（PAM-6）作为调制格式，其中每对符号代表32-QAM符号的两个正交分量。这产生了430 Gbps的总比特率。发送端数字信号处理包括预加重以补偿系统组件的频率响应和线性滤波器以减轻RF反射问题。

在MZM输出处测量的光谱确认了其高带宽调制能力，显示172 GHz的光谱宽度。在+11 dBm接收光功率下，自适应均衡后的眼图显示，在所有八个通道和三个测试温度（20°C、50°C和80°C）下，六个信号电平清晰可分。在所有情况下，误码率保持在3.8×10?3以下，低于7%开销硬判决前向纠错所需的阈值，产生每通道401.8 Gbps的净比特率。
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( Z% \+ T' J5 f0 ]( L7 {3 ~值得注意的是，BER性能对温度变化不敏感，并且在所有八个通道上均匀分布，接收光功率灵敏度约为+8 dBm。相邻通道之间的远端串扰在90 GHz以下低于-30 dB，即使同时操作所有八个通道，也不会显著降低BER性能。

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7 Y# B* p) F& a结论
这项研究展示了一种100 GHz级无冷却8通道O波段InP-MZM光电子集成芯片，能够在20°C至80°C的工作温度范围内实现净3.2 Tb/s的500米传输。小占用面积和低驱动电压的组合使这项技术成为下一代1.6T DR4和3.2T DR8小型可插拔收发器与PAM-DSP直接驱动的有力候选，有望为数据中心互连技术带来重要技术进步。
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参考文献
& D7 [% }) W* G[1] Y. Ogiso et al., "Uncooled O-band InP MZ Modulator PIC for 3.2 Tb/s (400 Gb/s/lane) Pluggable Transceiver," in OFC 2025, Optica Publishing Group, 2025, Paper Th4D.1.
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