硅基光电子技术利用成熟的互补金属氧化物半导体制造基础设施，为下一代光通信提供了具有成本效益且可扩展的解决方案。电光调制器作为核心组件，负责将电信号转换为光数据流。随着数据中心将单波长传输速率推向200Gbps以上，行业面临双重挑战：在提高传输速度的同时，还需缩小器件尺寸以满足规模化网络日益增长的带宽密度需求。
上海张江实验室的研究人员在300毫米硅基光电子平台上制造了一款紧凑型马赫-曾德尔调制器，在应对这些挑战方面取得了显著进展。该器件实现了优异的性能指标，包括94.7GHz的中位电光带宽、仅2.4dB的中位插入损耗，以及使用PAM-8调制格式成功实现400Gbps传输，所有这些性能均在500微米的超紧凑尺寸内实现[1]。
图1：慢光调制器的完整设计架构，包括光子能带曲线、TE模式的电场分布、1310nm波长处的群折射率特性、具有掺杂分布的横向p-n二极管相移器截面图，以及制造完成的300mmSOI晶圆和调制器器件的照片。
基于慢光技术的紧凑型调制器
传统马赫-曾德尔调制器相比微环调制器具有明显优势，包括宽波长工作范围、极低的热敏感性以及对制造偏差的出色鲁棒性。然而，传统MZ调制器的长度通常达到数毫米，这对高密度互连应用造成了显著限制。张江实验室团队取得的突破核心在于采用光子晶体波导实现慢光技术，通过提高群折射率大幅增强光与物质的相互作用。
调制器采用由一系列布拉格光栅构成的一维光子晶体波导。每个光栅结构由单元晶胞组成，该晶胞由垂直于光传播方向延伸的指状特征定义。通过精心优化，晶格常数设定为245纳米，设计在1310纳米目标波长处实现了16.3的群折射率。这一高群折射率使尺寸大幅缩减的同时保持了优异的调制性能。光子晶体波导的几何结构通过使用商业工艺计算机辅助设计软件和时域有限差分软件进行迭代仿真，以实现最佳器件性能。
器件制造采用300毫米高阻硅绝缘体晶圆，具有220纳米厚的硅层，位于2微米厚的埋氧化层之上。该平台的40纳米工艺节点提供了稳定制造光子晶体波导所需的精度，解决了历史上困扰O波段慢光调制器的工艺偏差敏感性问题。器件实施了绝热锥形结构，以最小化模式转换损耗并提高标准脊形波导与光子晶体部分之间的耦合效率。
先进的掺杂架构和推挽式配置
调制器采用了复杂的掺杂架构，精心平衡了光损耗、串联电阻和调制效率。嵌入在两个波导臂中的横向p-n结采用定制的轻掺杂浓度，p型区域为3.8×10¹⁷cm⁻³，n型区域为7.1×10¹⁷cm⁻³。距离p-n结400纳米处的中间掺杂区域采用2.8×10¹⁸cm⁻³的浓度，而浓度为1.9×10²⁰cm⁻³的重掺杂p++和n++区域确保了与金属电极的低阻欧姆接触。
器件架构包含两个500微米长的有源光子晶体波导，配合优化的地-信号-信号-地差分驱动电极配置。两个p-n结串联连接形成推挽式配置，将结电容减半，从而提高调制器的带宽。为确保工作期间的最佳增益和线性度，调制器的一个臂上集成了热相移器，可精确控制正交偏置点。
图2：全面的表征结果，包括显示插入损耗性能的静态透射谱、展示整个晶圆2.4dB中位插入损耗的晶圆级测量统计数据、电光带宽测试的实验装置示意图、测量的电光S21频率响应曲线，以及显示优异均匀性的晶圆级3dB带宽测量分布（中位值为94.7GHz）。
多项指标的卓越性能
使用O波段可调谐激光源和光栅耦合器进行的晶圆级表征显示了出色的器件性能。静态透射测量显示单个器件的插入损耗为2.9dB，晶圆级统计数据显示，排除光栅耦合器贡献后的中位插入损耗为2.4dB。对于500微米长的器件，这一性能转化为0.66伏特-厘米的调制效率。在晶圆不同位置进行的电光S21测量表现出显著的一致性，所有曲线与仿真预测吻合良好。这种均匀性证明了40纳米工艺节点可实现的制造稳定性。
大信号表征采用256GSa/s任意波形发生器，以2.7Vpp的射频信号驱动调制器。输出光信号通过镨掺杂光纤放大器放大，并使用宽带示波器检测。对于非归零开关键控调制格式，器件在56GBaud下生成了清晰的眼图，消光比为4.3dB，在112GBaud下消光比为3.2dB。
图3：大信号实验配置和传输性能结果，包括完整的光传输测试装置、56GBaud和112GBaudOOK信号的测量眼图及其消光比、112GBaud和150GBaudPAM-4信号的眼图（TDECQ测量值分别为1.05dB和1.8dB），以及展示135GBaudPAM-8调制实现400Gbps总数据速率的演示。
对于四电平脉冲幅度调制，当使用源同步相位随机四进制模式驱动时，调制器在112GBaud下通过5抽头均衡实现了1.05dB的发射机色散眼图闭合四进制测量值，在150GBaud下通过18抽头均衡实现了1.8dB。接收器采用四阶贝塞尔滤波器和前馈均衡器来减轻噪声，值得注意的是，未采用深度学习神经网络等先进人工智能算法。最令人印象深刻的是，器件成功生成了135GBaud八电平脉冲幅度调制信号，展示了400Gbps的最大聚合传输速率。
这款紧凑型慢光马赫-曾德尔调制器在超紧凑尺寸内结合了高带宽、低损耗和优异的调制效率，适用于下一代高密度光互连的规模化网络架构。
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