摘要：我们报告了一种在300毫米CMOS硅光子工厂中实现的推拉式马赫-曾德尔调制器，具有60 GHz的电光带宽。我们展示了在200 Gbps PAM-4传输中，使用7-tap FFE的情况下，TDECQ为2.9 dB，ER为3.7 dB。
1. 引言
为了应对数据通信中快速增长的网络流量需求，开发高性能、低成本的器件对于增加通道容量至关重要[1]。硅光子学（SiPh）已成为实现高性能电路大规模低成本生产的领先技术[2,3]。在超高速调制器和光电探测器的进展中，取得了显著的进展[4]。在SiPh平台中，最广泛使用的调制器是环形调制器（RMs）和马赫-曾德尔调制器（MZMs）。环形调制器提供紧凑的占地面积和高带宽，而马赫-曾德尔调制器则提供优越的调制线性度、热稳定性和广泛的光学带宽。此外，环形辅助马赫-曾德尔调制器已被引入，以提高整体性能[5]。
本工作针对硅基马赫-曾德尔调制器（Si MZMs）中的一个关键性能瓶颈：有限的电光（EO）带宽，这是在先前的研究中已被识别出的[6]。传输线的高电容负载引入了频率依赖的损耗，随着调制频率的增加，这种损耗会迅速加剧，导致调制效率与带宽之间的基本权衡。为克服这一限制，我们展示了一种优化的PN结设计，以最小化其对射频损耗的影响。该设计有效提高了电光带宽，同时保持了实际的消光比（ER），无需复杂的设计，如分段马赫-曾德尔调制器或光学带宽峰值等。通过静态和高速测量的实验验证，确认了60 GHz的电光带宽，并且通过100GBaud/通道（200 Gbps PAM4）光传输的演示，表明它是下一代高速数据通信系统的强有力候选者。我们的统计数据收集证明了该设计在多个批次和晶圆中的稳定性能。
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2. MZM设计考虑因素
图1(a)展示了包含慢波电极结构的MZM示意图。
图1
(a) 使用慢波传输线和芯片内交流终端的GSGSG配置差分推拉驱动MZM示意图。
(b) 自由载流子浓度与肋波导中的光学模式的叠加图。
T形齿状结构将传输线的轨迹连接到PN结，以施加偏置和射频调制信号。这一设计将电流流动路径远离彼此， effectively 增加了线路电容，并减小了射频信号的传播速度，以更好地匹配光学模式的群速度，从而在操作过程中增强了调制效果，这一结果通过Synopsys TCAD仿真和实验测量得到了验证。热相位调节器被集成到MZM的每一臂中，以实现正交相位偏置。研究[9]展示了加载传输线损耗的模型：
其中线性损耗系数αRF随着PN结电阻 Rl 和电容 Cl 的增加而增长，并且加载传输线的总特征阻抗为 ZRF 。最小化结电容是实现超高速电光（EO）带宽的关键。为此，肋区内的掺杂浓度被故意保持在较低水平，无论是p型还是n型掺杂。尽管降低掺杂浓度会固有地降低调制效率，但通过调整掺杂能量和剂量精确设计PN结的垂直位置，以最小化 VπL 。为了进一步减小带宽限制，还通过优化接触掺杂减少了电阻。还采用了狭窄的中间掺杂区域，以平滑肋和接触掺杂之间的过渡，平衡了薄膜电阻和光学吸收。
PN结的横截面细节如图1(b)所示，肋宽度经过优化，以实现最紧密的TE模式。采用了S形PN（SPN）结，以确保光学模式和耗尽区之间的大重叠，从而增强调制效率。考虑到空穴在较低的光学吸收下能产生更大的折射率变化[8]，PN结的边界被不对称地偏移到N型掺杂区，形成了更宽的P区。这种不对称性增强了有效折射率的调制。
3. 实验演示
图2展示了MZM在10个制造批次中的最新直流性能读数。测得的电压-长度积（Vπ⋅L）为1.80 V·cm，标准差为0.016 V·cm，显示了卓越的一致性。图2(b)展示了传播损耗数据，显示中位值为10.3 dB/cm，标准差为0.15 dB/cm。这些结果证明了不同晶圆和制造批次之间的高重复性和最小性能变化。
图2
MZM的直流性能统计箱线图：
(a) ������，
(b) 传播损耗。
在交流表征中，使用了67 GHz光波分量分析仪（LCA）和光学示波器进行调制带宽和眼图表征。需要注意的是，芯片内使用了串联的聚合物电阻器和电容器作为交流终端。在差分驱动方案中，传输线的特征阻抗和终端阻抗都约为70 Ω（差分），并且匹配良好。终端的电容选择足够大，以使其截止频率远低于100 MHz，从而有效阻止由PN结偏置引起的直流电流，同时保持MZM的高频调制性能。
图3
MZM的归一化S21电光调制响应，在PN结偏置为：
(a) -1V，
(b) -2V。
(c) MZM在PN结偏置为-1V时的3dB电光调制带宽的统计箱线图。
在PN结施加-1V偏置时，获得了平均电光带宽61 GHz，如图3(a)所示。当将反向偏置提高至-2V时，如图3(b)所示，MZM的电光带宽提高到>67 GHz，因为随着反向偏置增大，结电容减小，从而减少了射频损耗。值得注意的是，由于在-2 V偏置下传输线阻抗的增加，电光响应出现了轻微的峰值效应，使得MZM在终端时未完全匹配。图3(c)展示了带宽统计数据，显示中位值为61 GHz，标准差为3 GHz。这些结果验证了器件高频性能的一致性和可靠性。
在眼图表征中，施加了外部驱动电压为3.2 Vppd（对应于每臂1.6 Vpp）。由于探针与MZM之间的阻抗不匹配，MZM输入端约有19%的信号反射，导致每臂的有效摆幅为1.3 Vpp。此时，测得的消光比（ER）为3.2 dB，适用于所有比特率，如图4(f)中的蓝色曲线所示。在直流下实现了3.7 dB的ER，符合所需的驱动器阻抗匹配。使用标准的7-tap前馈均衡器（FFE），并针对硬判决位错误率（BER）为3.8×10⁻³，在-1 V偏置下，器件在160 Gbps（80 GBaud）下演示了1.3 dB的发射机色散眼闭合四元值（TDECQ），对应的眼图如图4(a)所示。
图4
MZM在不同比特率下的PAM4光学眼图：
(a) 160 Gbps PAM4，
(b) 和 (c) 200 Gbps PAM4，
(d) 240 Gbps PAM4。
(e) 电气驱动信号示例。
(f) 在53~100 Gbaud PAM4信号传输中，所有比特率下使用3.2 Vppd时测得的消光比（ER）和发射机色散眼闭合四元值（TDECQ）。
随着比特率的增加，测试设置中电子组件（如开关和放大器）的噪声变得更加明显（见图4(e)），导致在200 Gbps下TDECQ降级为2.9 dB，如图4(b)所示。图4(f)中的红线展示了PAM4符号率从53 GBaud到100 GBaud增加时TDECQ的趋势，驱动摆幅保持一致为3.2 Vppd。通过使用较低摆幅水平的更干净的驱动信号，改进了传输性能，TDECQ值分别为1.6 dB（200 Gbps）和3.1 dB（240 Gbps），如图4(c)和4(d)所示。未来的表征工作将包括与MZM共同设计的阻抗匹配的3.2 Vppd片上驱动器。
文章名：A 60 GHz EO Bandwidth Mach-Zehnder Modulator for 200G/λ O-band Datacom in 300-mm Monolithic CMOS Silicon Photonics Foundry作者：Ming Gong*, Qidi Liu, Hanyi Ding, Minerva Webster-Pact, Kevin Dezfulian, Yusheng Bian, Sujith Chandran, Teodor Stanev, Massimo Sorbara, Won Suk Lee, Michal Rakowski, Takako Hirokawa, Yahui Xiao, Bob Mulfinger, Janet Tinkler, Andrea Paganini, Ken Giewont, Rick Carter, and Ted Letavic单位：GlobalFoundries, 400 Stone Break Rd Extension, Malta, NY 12020, USA*
