通用磷化铟集成光子平台上的320 Gbps共面带线马赫-曾德尔调制器
引言数据流量的持续增长推动了高性能、高带宽电光(EO)调制器的研发工作。这些器件在光通信系统中是核心组件，特别是在数据中心互连和电信网络中。开发具有高带宽和低驱动电压的调制器对于实现能源高效的高速光互连和增加光通信网络的整体容量非常重要。
在各种光电子集成芯片(PIC)材料平台中，磷化铟(InP)由于其广泛的应用潜力提供了独特的优势。InP材料系统允许在单个芯片上整合激光器、调制器、放大器和光电探测器。此外，InP在利用多量子阱利用量子限制Stark效应时具有强电光效应，能够实现具有低半波电压、低损耗和高带宽的调制器。
本文探讨了高速光调制器的最新进展，重点关注InP平台上的共面带线(CPS)马赫-曾德尔调制器(MZM)。我们将研究这些器件的设计、表征和性能，这些器件展示了最先进的数据传输率和带宽能力。
1理解马赫-曾德尔调制器马赫-曾德尔调制器是相干光通信系统中的基础组件。它们通过将输入光信号分成两条路径，对一条或两条路径应用相位调制，然后重新合并它们来工作。两条路径之间的干涉导致输出信号的幅度调制。
InP平台上的传统MZM通常使用共面波导(CPW)设计。然而，这些设计由于阻抗和速度匹配挑战而在带宽方面经常表现出限制。共面带线(CPS)设计已经成为一种替代方法，提供了几个优势。CPS传输线与CPW线相比占用更少空间，并且能够获得相对更大范围的特性阻抗。CPS设计允许改进阻抗和速度匹配，增加带宽并减少信号衰减。
对于JePPIX通用铸造平台，CPS设计比CPW-MZM提供了显著改进，后者表现出低特性阻抗(约30Ω)和显著高于光学群速度指数的微波指数(约5对3.7)。
2CPS-MZM设计的等效电路模型为了优化CPS-MZM的性能，研究人员开发了一种半分析和半经验的等效电路模型。该模型允许基于物理尺寸和材料特性优化器件性能指标。图1：共面带线马赫-曾德尔调制器的横截面示意图，显示其等效电路模型，以及示意电路图和芯片的显微镜图像。
等效电路模型相比传统计算方法提供了几个优势。它在计算上高效且非迭代，使用空间分辨元素用于行波电极MZM。它将所有输入参数追溯到物理尺寸和可测量的材料特性，并将电气和电光现象纳入分析程序。
该模型考虑了影响器件行为的各种物理效应，包括掺杂和材料对载流子迁移率和层电导率的影响，器件设计对微波速度的影响，偏置电压对耗尽区宽度和重叠积分的影响，本征层电导率随温度的变化，以及非平面电极的影响。
使用基尔霍夫定律，等效电路可以简化为匹配基本传输线理论，允许计算特性阻抗、复微波传播常数和微波群速度指数。
3CPS-MZM器件的设计和制造为了验证等效电路模型，在一个4.6 mm × 4.0 mm芯片上制造了22个器件阵列。这些器件具有关键几何参数的变化：波导宽度(wwvg)从0.7到1.5 μm，信号轨道宽度(wsig)从5.0到20 μm，以及信号-信号间隙(ws2s)从5.0到20 μm。
每个"通道"的器件包括沿传播方向1 mm和2 mm的电极长度。CPS-MZM使用JePPIX工艺设计套件创建，并在SMART光子公司的InP通用平台上使用半绝缘衬底制造。有源层带隙为1.39 ± 0.02 μm。图2：显示波导宽度变化的器件集合的端口1到端口2传输电功率、端口1到端口1反射电功率、输入阻抗和微波相位指数。
调制器设计包括输入/输出2 × 2多模干涉仪(MMI)、相移电极和DC相移器。从第一个MMI输入到最后一个MMI的MZM长度分别为1.7 mm和3.7 mm，对应于1 mm和2 mm的电极长度。
4性能表征和结果静态光学性能：通过从0到15 V扫描反向偏置电压来表征制造的器件，确定其半波电压-长度乘积(VπL)。完整1 mm器件的插入损耗估计为9.1 ± 0.8 dB，不包括光耦合损耗。图3：展示了不同电极长度的CPS-MZM的Vπ曲线，显示输出功率与反向偏置电压和消光比测量的关系。
对于"优化"器件(波导宽度= 0.8 μm，信号宽度= 10 μm，信号-信号间隙= 7 μm)，第一个象限点分别在1 mm和2 mm电极长度的6 V和7 V处找到。相应的Vπ值为11.9 V和7 V(VπL = 1.3 ± 0.1 Vcm)，静态消光比为20.1 dB和15.4 dB。
有趣的是，在更高的反向偏置电压下，观察到额外的象限点，具有显著较低的Vπ值但不同的消光比。例如，1 mm器件在13.4 V处显示第二个象限点，Vπ为3.1 V，但静态消光比降低至17.0 dB。
高频性能：使用Keysight PNA-X系列矢量网络分析仪进行小信号测量，验证CPS调制器设计的预测超过100 GHz的性能。测量在1.7-110 GHz的频率范围内进行。
最佳性能的1 mm器件(wwvg = 0.8 μm，wsig = 10 μm，ws2s = 7 μm)提取的电-电(EE)带宽约为80 ± 8 GHz，与InP基调制器的最先进性能相当。这比使用JePPIX通用铸造工艺制造的CPW-MZM先前报告的值有显著改进。图4：显示波导宽度、信号轨道宽度和信号间隙宽度变化的测量和模拟电-电带宽以及群延迟的比较。
测量和模拟表明，减小波导宽度增加带宽，这可以理解为减小耗尽区两侧的有效电容器面积。此外，信号轨道宽度显示了最大带宽的最佳值(约7 μm)，在较小和较大尺寸下性能都会下降，这是由于传输线电感和阻抗匹配的竞争效应。
大信号电光性能：为了展示这些CPS-MZM的实际能力，使用各种调制格式进行了大信号测量：开关键控(OOK)、4级脉冲幅度调制(PAM-4)和8级脉冲幅度调制(PAM-8)。 图5：显示使用不同调制格式在各种符号速率下的误码率和信噪比，以及OOK和PAM-4调制的眼图。
使用OOK调制，在高达160 GBd时未检测到误码。对于PAM-4调制，误码率在高达160 GBd时保持在HD-FEC阈值以下，对应于320 Gbit/s的线路速率。电极长度为2 mm的器件的眼图在较高符号速率下显示OOK的开放眼和PAM-4的日益受限眼。
电极长度为2 mm的器件在所有符号速率下显示出更高的信噪比，与1 mm器件相比，尽管后者具有更大的电-电带宽。这归因于长电极器件的更大有效消光比。
5未来方向：优化的CPS-MZM设计基于验证的等效电路模型，研究人员预测通过优化几何参数可以进一步提高性能。优化设计特征为：波导宽度(wwvg)为0.6 μm，信号宽度(wsig)为3.8 μm，波导到信号间隙(ww2s)为0.3 μm，信号-信号间隙(ws2s)为3.6 μm，以及DC电压(VDC)为10 V。图4：显示默认和优化调制器设计在不同阻抗和频率范围内的电-电和电-光传输的等高线图。
这些优化尺寸可能使电光带宽达到120 GHz。虽然这些尺寸中的一些比当前制造的器件小，但它们仍然可以用当前的制造技术实现。通用InP工艺中使用的深紫外扫描光刻技术具有约100 nm的临界尺寸，使得实现0.6 μm的波导宽度目标成为可能。同样，已发表的剥离工艺已经展示了用于金属结构的亚微米分辨率。
6结论本文介绍了InP平台上共面带线马赫-曾德尔调制器的设计、制造和表征。计算高效、非迭代和空间分辨的等效电路模型的开发使得能够基于物理尺寸和材料特性优化器件性能。
制造的器件在60-90 GHz范围内展示了带宽，偏置依赖的VπL值在0.31-1.4 Vcm之间，消光比在10.7-20.1 dB范围内。它们显示在256 Gbit/s下开放眼图的能力，以及在320 Gbit/s线路速率下符合开销HD-FEC允许BER阈值的线路误码率。
验证的等效电路模型预测，通过进一步优化几何参数，可以实现高达120 GHz的电光带宽，推动了使用通用铸造工艺制造的InP基调制器的可能性边界。
这些在InP平台上高速CPS-MZM的进展代表了向满足下一代每秒多太比特光通信系统要求迈出的重要一步，与传统设计相比提供了改进的带宽、效率和集成能力。
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