IEEE SiPhotonics2025 | 硅基光电子行波马赫-曾德尔调制器在400G/Lane发射器中的应用

逍遥设计自动化 · 发表于 2025-5-26 08:00:00

引言
数据中心的光通信技术正快速发展，硅基光电子引擎日益重要。当前一代光收发器模块采用100G/lane硅基光电子引擎，下一代预计将转向200G/lane，随后的一代则可能需要400G/lane光子引擎。行业中一个关键讨论点是硅基光电子引擎能否在不集成其他材料的情况下支持400G/lane[1]。

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硅基光子调制器简介
硅基光子调制器在高速光通信中扮演关键角色。近年来，硅基光子调制器/发射器取得显著进步。先前研究展示了224 Gb/s (112 GBaud PAM4)硅基光子发射器，同时强调了先进电子-光子封装的重要性。然而，传统长硅调制器面临带宽限制。

研究人员探索了多种方法克服这些限制。一些研究者将长调制器分成单独驱动的短段，使用ASK8调制达到360 Gb/s速度。另一些研究者采用翻转芯片驱动器的新型驱动方法，使用PAM4达到224 Gb/s，并通过光均衡技术进一步提高性能至308 Gb/s。还有方法利用慢光减少调制器长度至124 μm，实现110 GHz带宽。

然而，这些方法面临挑战。多段方法可能需要比较模块级别的总功耗与传统单驱动方法。慢光调制器需要工程设计以在光收发器所需的波长范围内运行（如当前400G-DR4收发器中的1304.5-1317.5nm），并可能在大规模制造中面临制造敏感性挑战。

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调制器设计与优化

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图1：TWMZM EO S21响应。优化后的调制器显示了改进的S21响应，在高频下尤为明显。

本研究探索了使用单段行波马赫-曾德尔调制器(TWMZMs)通过PAM-N调制实现400G/lane。由于硅PN结的高电容，实现具有非常高带宽的单段TWMZMs具有挑战性。因此，设计方法转而专注于改善高频滚降特性，从而在奈奎斯特频率处获得改进的S21。

这些TWMZMs在商业硅光子学代工厂工艺中使用一对一运行的定制工艺流程制造。对TWMZM的多个方面进行了优化，包括结掺杂轮廓、降低串联电阻和微波与光波之间的速度匹配，同时保持合理的光损耗和调制效率。图1显示了优化前后的电光(EO) S21响应，展示了高频性能的显著改善。

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实验结果

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图2：(a) 测试设置示意图。(b) - (e) 不同符号率和PAM-N调制格式的眼图，包括276 Gb/s (138 GBaud PAM4)、345 Gb/s (138 GBaud PAM6)、384 Gb/s (128 GBaud PAM8)和414 Gb/s (138 GBaud PAM8)。

对优化后的调制器进行了眼图测试。测试设置如图2(a)所示。使用是德科技任意波形发生器(AWG)向TWMZM生成电测试信号。来自TWMZM的调制光信号由是德科技数字通信分析仪(DCA)捕获并分析。

该硅基TWMZM在使用PAM4、PAM6和PAM8调制的各种符号率下进行了测试。图2(b)-(e)显示了测量的眼图。在276 Gb/s PAM4 (138 GBaud)、345 Gb/s PAM6 (138 GBaud)和384 Gb/s PAM8 (128 GBaud)下获得了清晰的眼图。在414 Gb/s PAM8 (138 GBaud)下，眼图质量略有下降。这种下降归因于测试设置的限制，其中RF电缆和探针有显著损耗。

虽然PAM6和PAM8调制格式能够实现更高的数据率，但与PAM4相比，会导致额外的信噪比惩罚并有其他缺点。在实际实施中必须仔细考虑这些调制格式之间的权衡。

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仿真结果

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图3：(a) 仿真模型。(b) 212 GBaud PAM4在424 Gb/s下的仿真眼图和接收机FFE响应，显示了通过适度均衡获得的清晰眼电平。还展示了169.6 GBaud PAM6和141.3 GBaud PAM8作为可能的替代方案。

为进一步探索单段TWMZM的潜力，进行了仿真以评估在424 Gb/s PAM4 (212 GBaud)下的性能。图3(a)显示了使用的仿真模型。应用了基于3抽头FFE的预均衡以抵消链路中的RF损耗。驱动器假定具有80 GHz带宽和高斯响应。

图3(b)展示了仿真结果。最左列显示了带有预均衡的驱动器输出眼图。该信号被输入到硅基TWMZM模型中，该模型包含了实际测量的S21响应。调制光信号由参考接收机接收，该接收机具有四阶贝塞尔滤波器响应，其中3-dB带宽设置为每种情况下波特率的一半。

应用前馈均衡(FFE)和判决反馈均衡(DFE)恢复传输信号，形成图3(b)中间列所示的后均衡器眼图。仅使用7个FFE抽头和2个DFE抽头就实现了清晰的眼电平，尽管在实际实施中可能需要更长的FFE抽头长度来解决其他信道损伤，如阻抗不匹配引起的电反射。

FFE均衡的幅度在图3(b)最右列中说明。通过利用DFE（在不放大噪声的情况下消除后游标ISI），后接收机FFE均衡引起的噪声增强大大减少。

仿真结果表明，使用单段硅基TWMZM通过PAM4 (212 GBaud)、PAM6 (169.6 GBaud)或PAM8 (141.3 GBaud)调制格式实现424 Gb/s传输是可行的。每种调制格式在带宽要求、复杂性和信噪比方面提供不同的权衡。

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结论与未来方向
通过实验结果和仿真，证明了全硅基TWMZMs用于400G/lane光通信的可行性。在实验测试中，制造的TWMZMs使用138 GBaud PAM8实现了414 Gb/s的数据率。通过使用实际测量的TWMZM模型进行链路仿真，进一步证明了使用212 GBaud PAM4、169.6 GBaud PAM6和141.3 GBaud PAM8在424 Gb/s下运行的可能性。

这些结果具有重要意义，因为它们表明硅基光电子引擎可能在不集成其他材料的情况下支持400G/lane，解决了行业中的一个关键争论。利用具有优化高频滚降特性的单段TWMZMs的方法为下一代光收发器提供了可行路径。

未来工作可能专注于进一步优化TWMZM设计，改进测试设置以减少RF损耗，探索更先进的均衡技术。此外，对功耗、可制造性和与光收发器其他组件的集成考虑对实际实施也很重要。

硅基光电子TWMZMs的性能展示为下一代高速光通信系统提供了基础，使数据中心连接能够持续增长并满足不断增加的高带宽需求。

参考文献
[1] X. Li, J. C. Davies, E. S. C. Koh, and J. T.-Y. Liow, "Silicon Photonic Traveling Wave Mach-Zehnder Modulators for 400G/Lane Transmitters," in IEEE SiPhotonics 2025.
END
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