新一代光通信中的微环调制器高级控制系统

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子技术在提升数据中心光通信的密度、速度和效率方面展现出显著优势。微环调制器(MRM)因其体积小巧和能效优势，相比传统的马赫-曾德尔调制器(MZM)具有明显优势。本文介绍一种创新的多目标热控制系统，用于优化MRM的性能指标[1]。
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微环调制器的基本原理与挑战
* n. C! Y9 G/ c: Q, N1 U) {# Y6 C9 Y微环调制器代表了硅基光电子技术的重要进展。传统的MZM长度通常在1-5毫米范围内，而MRM的直径不到100微米。这种尺寸的减小带来显著改善：能源效率提升源于更小的驱动电压需求；寄生效应减少使得信号完整性更好；带宽密度提高则得益于更紧凑的器件布局。MRM的波长选择特性通过级联多个调谐到不同波长的环形结构，实现密集波分复用(DWDM)，这在高密度光通信系统中具有重要应用价值。

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图1：通用调制器及其控制器系统框图。展示了谐振波长如何与激光波长产生失谐，以及控制器如何主动管理以实现性能优化。
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" F/ n0 D* m: KMRM面临两个主要挑战：电光非线性和温度敏感性。电光非线性会导致信号失真，特别是在高阶调制格式如4-PAM中表现明显。温度变化则会引起谐振波长漂移，直接影响调制效率。为解决这些问题，需要精密的热控制系统来维持稳定运行。通过监测输出光强并动态调节加热器电压，系统可以实时补偿这些波动。
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$ _6 R! b8 z) g) ?' Z, E. R3 c6 V! o先进热控制架构
本文提出的热控制器采用创新的两阶段运行机制。在搜索阶段，系统通过精确扫描确定最佳失谐值，同时保持数据传输不中断。这个过程需要仔细平衡搜索速度和系统稳定性。控制阶段则实施闭环反馈控制，根据实时监测数据调整加热器电压，应对温度波动和激光功率变化。
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# G' z2 I4 t8 J2 t图2：多目标热控制器的详细框图，展示了完整的系统架构，包括搜索阶段单元、数模转换器和反馈机制。
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0 ~3 m+ ~3 h1 T该控制器的独特之处在于能够针对不同应用场景优化多个关键性能指标。消光比(ER)反映调制深度，直接影响信号质量；光调制幅度(OMA)决定了接收端的信号检测能力；电平分离失配比(RLM)则在4-PAM等多电平调制中起着决定性作用。系统能够根据具体需求，动态调整优化目标。
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性能优化与结果
系统的性能优化通过全面的测试进行验证，测试条件涵盖了实际应用中可能遇到的各种情况。系统采用了精密的测量方法，包括眼图分析和信号质量评估。

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图3：最大RLM模式的结果显示：(a)扫描阶段的信号，(b)在优化加热器电压下的40-Gb/s眼图，(c)加30mV偏置的眼图，(d)减30mV偏置的眼图，展示了热控制对信号质量的影响。

# M( i. g* F, \) x' J在最大RLM模式下，控制器通过精确调节加热器电压实现了优化。测试结果显示，系统达到了10.3 dB的消光比，这个数值对于高速数据传输非常理想。540 μW的光调制幅度确保了足够的信号强度，使接收端能够可靠地检测信号。0.67 dB的TDECQ值表明系统具有优秀的信号完整性，特别是在40 Gb/s的高速传输条件下，0.96的RLM更是证明了系统在多电平调制中的卓越性能。

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' h$ }0 S7 V' \; l; N# r+ S3 [/ T图4：最大OMA模式的结果展示：(a)扫描阶段的信号，(b)在优化设置下的40-Gb/s眼图，(c)加60mV偏置的眼图，(d)减60mV偏置的眼图，展示了系统维持最佳信号质量的能力。
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热稳定性与功率管理
! E# G5 Z( ?) t& p* u0 T* u3 I! l热稳定性是该系统的核心特征之一。通过创新的控制算法，系统能够在温度剧烈变化的条件下保持稳定运行。这种能力在实际数据中心环境中极为重要，因为温度波动是影响光通信系统性能的主要因素之一。
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图5：热应力测试结果比较开环与闭环控制器在温度变化下的性能，展示了系统在热应力下维持信号完整性的能力。
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& p1 B- b+ h, `! V; H闭环控制系统采用了先进的反馈机制，能够实时检测温度变化并做出快速响应。测试结果显示，即使在外部温度发生显著变化时，系统也能保持稳定的信号质量。这种robust设计确保了在实际应用环境中的可靠运行。
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功率管理方面，系统采用了智能的能量分配策略。通过优化加热器的工作状态，在保证性能的同时最小化能量消耗。这对于大规模部署的数据中心应用尤为重要。
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% v8 U# H! [$ Q+ B实现与集成
该系统采用45纳米CMOS-SOI工艺实现，将高摆幅驱动器和MRM集成在同一衬底上，实现了高度集成的解决方案。
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图6：芯片显微照片和测量设置展示：(a)完整测试配置，(b)测得的40-Gb/s 4-PAM眼图，(c)测得的25-Gb/s NRZ电眼图，展示了系统的实际实现。

$ @! W5 y9 H* P1 p$ I2 o/ P集成方案的核心组件包括精心设计的170欧姆电阻加热器，其阻值经过优化以实现最佳的热响应特性。耦合系数为0.05的定向耦合器保证了适度的信号采样，既能获得足够的监测信号，又不会过度影响主信号传输路径。响应度达到0.9 A/W的监测光电二极管提供了高灵敏度的信号检测能力。

) ]  }5 G5 v( m' [* `3 \控制系统采用了高性能的模数转换器和数模转换器，配合微控制器实现复杂的控制算法。这种设计在保证系统性能的同时，也考虑到了实际生产的可行性和成本因素。
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  W/ V  K5 F+ |0 j2 x结论
9 j  Y; p1 q: i4 J3 v. I# {本文介绍的多目标热控制器系统展现了在硅基光电子技术领域的重要技术突破。通过创新的控制策略和优化的集成设计，系统实现了优秀的性能指标。测试结果表明，该方案在实际应用环境中具有可靠的性能和稳定性，为下一代高速光通信系统提供了实用的技术方案。

. H8 _/ Z5 a/ D( u! h. w参考文献
$ n1 t% K8 j. f6 O' S9 _" a  F. c[1] Sadr and A. C. Carusone, "A Monolithic Microring Modulator-Based Transmitter With a Multiobjective Thermal Controller," IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society, vol. 4, pp. 340-350, 2024, doi: 10.1109/OJSSCS.2024.3507754.
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