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引言
5 G& U+ o3 \. t( L- d随着人工智能、云计算和高性能计算的快速发展，对高速、能效高的互连技术的需求变得日益关键。硅基光电子(SiPh)技术已成为芯片和系统集成的一种有效解决方案，在带宽、能效和集成密度方面提供显着优势。本文探讨的是来自OFC 2025会议张江实验室所牵头发表的研究成果，一种突破性的硅基光电子微环调制器(MRM)，该调制器实现了290 Gbps的数据速率，同时功耗仅为83aJ/bit。
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( y! w% z4 `! H9 E) e8 z, ^( o值得注意的是，这是国内首家"12英寸硅光工艺平台"的公开成果展示，体现了张江实验室在光电子集成领域的综合实力，且有能力为各类光电子器件的研发和产业化提供强大支持。这项技术在当前对高速、低功耗互连日益增长的需求背景下，展现了国内在硅基光电子领域的研发水平和创新能力[1]。
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4 W; Q/ k1 c) S2 o器件设计与制造工艺3 z0 d. D& F" g }
这里讨论的微环调制器代表了硅基光电子技术的重大进步。该器件在300毫米硅基光电子平台上制造，具有紧凑的5微米微环半径，总线波导与微环之间的间隙为260纳米，从而实现了13纳米的更大自由光谱范围(FSR)。调制器采用侧向PN结设计，掺杂浓度经过精心优化：p型区域为1×10^17厘米^-3，n型区域为3.5×10^17厘米^-3。! W; B' J. U% [* K7 \9 \* \4 H
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环形结构由硅肋波导组成，尺寸为220纳米高度、380纳米宽度和150纳米的台阶厚度。制造过程利用先进的制造技术优化波导形态，降低了波导损耗并提高了微环的品质因数(Q因数)。波导顶部集成的钨加热器提供了MRM的热光控制功能。
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( o. n5 M$ g \1 r& `$ p图1：(a)设计的MRM示意图，(b)PN结横截面视图，(c)300毫米硅基光电子平台上生产的晶圆，(d)制造的MRM显微图像。
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' g) \1 U: e. [) U: C7 k性能特性与测量结果
% f% ~5 u& v5 f, X( n, ?对制造的MRM进行了广泛的表征，以评估其光学和电学特性。在不同偏置电压下对1316纳米共振附近的透射光谱进行测量，显示非共振插入损耗仅约为0.5 dB。MRM实现了26,300的负载Q因数，在3伏反向偏置电压下，PN结的相位效率测得为0.9伏·厘米。% ]5 X; z. g# g+ q
0 s! k. n- _4 r0 H8 Z7 N3 ^使用矢量网络分析仪和光波组件分析仪(LCA)分析了器件的电气特性。S11测量允许提取关键参数：电阻值Rs = 193欧姆和电容值Cj = 10.13fF。值得注意的是，外围金属连接的接触电阻和电感增强了MRM在低频下的性能并改善了其带宽。电光(EO)响应带宽在0伏偏置下达到38 GHz，在-3伏偏置下达到51 GHz。6 r1 O/ p; H6 I. x, ]
Q. |, m/ W0 Y晶圆级测试确认了器件性能在300毫米晶圆上的一致性，EO带宽在0伏偏置下显示中值为37 GHz，标准偏差仅为1.29 GHz。这种一致性凸显了MRM的制造可靠性，表明该技术具有大规模生产的潜力。3 g5 k6 p6 d: g# m8 ?9 E1 C
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图2：(a)不同偏置电压下测量的透射光谱，(b)测量的S11和提取的RC特性，(c)硅MRM的电光S21响应，(d)晶圆级测试结果中0伏偏置下的3 dB EO带宽。7 A, V. w" H& p+ w; ]
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高速数据传输能力
4 L$ W" [/ H# {2 L! i为验证MRM的高速性能，研究团队进行了全面的眼图测量。测试设置包括使用256 GS/s任意波形发生器驱动MRM，后接偏置三通和射频探针。光信号源自O波段可调谐激光器，经光放大器放大，然后通过被测器件传输到数字通信分析仪。4 ?5 [. H# q1 d9 |( B& t
0 o, ~0 @) a# E2 n. N3 T9 q( m为获得最佳光调制幅度(OMA)和线性度，MRM在对应于6 dB插入损耗的波长失谐点和3伏反向偏置电压下运行。对于112 GBaud PAM4和PAM6电气输入，峰峰值射频摆幅仅维持在0.4伏。采用信号处理技术，包括升余弦函数、接收端的31抽头FFE均衡器和1×10^-2的软判决前向纠错阈值，来评估发射机色散眼图闭合四元(TDECQ)惩罚。; y) q$ O9 k# ` T6 }& I! Z: J# x
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MRM的测量TDECQ在112 Gbps(56 GBaud)时为1.26 dB，在240 Gbps(120 GBaud)时为2.26 dB。该器件在146 Gbps和290 Gbps数据速率下的PAM-6信号表现出色。根据器件的驱动电压和电容，调制功耗计算为PAM-4操作时114阿焦/比特，PAM-6操作时仅为83aJ/bit。
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图3：测量的电气眼图：(a)112 GBaud PAM4，(b)112 GBaud PAM6；光学眼图：(c)112 Gbps PAM4，(d)146 Gbps PAM6，(e)224 Gbps PAM4，(f)290 Gbps PAM6。
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9 J9 K1 `# y, l1 i& i0 c与最先进器件的比较% s; g% F/ y( y* p4 ^! t* p
与先前报道的环形调制器相比，本文介绍的MRM提供了显着优势。传统设计通常面临Q因数和电光带宽之间的权衡，而该器件成功缓解了这一限制，实现了超低功耗的高速运行。比较突显了该器件在驱动电压(0.4伏)和能效(83aJ/bit)方面的优越性能，同时保持了有竞争力的数据速率(290 Gbps)和带宽(51 GHz)。8 O( L( ^6 U! V; x1 s3 y* P
& U9 M: n5 ~& m+ n5 J6 x% B引述论文中的表1详细比较了本研究中的MRM与近年来报道的其他硅基微环调制器的性能。通过这种比较，可以清晰地看到张江实验室研发的器件在维持高数据速率的同时，实现了更低的驱动电压和能耗，这对于未来的实际应用极为重要。, e# X- ^9 o1 Q
0 }& n' ~( P) N3 X这些性能表明，所提出的MRM在未来片上和芯片间光互连应用中具有广泛应用价值，特别是在能效和高带宽都是首要考虑因素的场景中。8 l) n4 }4 [) j$ k3 W9 z/ \8 ^
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这种硅基光电子微环调制器在该领域取得了重大进展，实现了290 Gbps PAM-6数据调制，电压摆幅仅为0.4伏，能耗仅为83阿焦/比特。通过对掺杂浓度和器件几何结构的精心优化，研究团队有效解决了品质因数和电光带宽之间的传统权衡问题，使这种技术成为下一代高速、高能效光互连的理想选择。
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作为国内首家12英寸硅光工艺平台的成果，这项研究不仅展示了国内在硅基光电子领域的技术实力，也为未来的光电子集成芯片发展提供了重要参考。+ O. w* O3 _% y/ a, P$ D% m! _, l
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参考文献' v7 @/ O i# N$ ]/ z
[1] X. Wang, F. Yang, Y. Liu, Y. Wang, F. Hu, X. Zhao, W. Chu, and H. Cai, "A 290 Gbps Silicon Photonic Microring Modulator with 83 aJ/bit Power Consumption," in Optical Fiber Communications Conference (OFC), 2025, paper M3K.5.
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7 r4 h! U7 [0 o" Y$ Q2 x关于我们：3 Y: \) B% A9 F* R
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。' E5 d% N8 E! o \
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