IEEE SiPhotonics2025 | 光功率诱导的硅微环调制器带宽增强
引言硅基光电子技术因数据中心传输容量需求增长和人工智能应用兴起而受到越来越多关注。在各种硅基光电子器件中，硅微环调制器(SiMRM)以其微米级的尺寸和低功耗特性脱颖而出，成为能源高效且空间受限的数据中心应用的优秀解决方案。
1硅微环调制器简介硅基光电子提供了一个可扩展平台，用于集成大规模并行数据通道以实现高速数据传输。在这一领域中，已开发出几种调制器，包括马赫-曾德尔调制器(MZM)、锗硅(GeSi)电吸收调制器(EAM)和硅微环调制器(SiMRM)。
数据中心(DC)传输容量需求的增长和人工智能(AI)的兴起使硅基光电子(SiPh)技术受到越来越多关注，该技术提供了一个可扩展平台，用于集成大规模并行数据通道以实现高速数据传输。
由于微米级尺寸和低功耗特性，SiMRM被视为能源高效且空间受限的数据中心应用的理想解决方案。高速SiMRM可通过调制嵌入波导中的反向偏置pn结来实现。光子寿命通常限制了腔体调制速率。为克服这一限制，提出了各种方法，包括特殊设计如耦合调制结构、紧凑环设计，甚至采用深度神经网络来提高传输数据速率。
2实验设置和器件特性本研究中使用的实验设置包括可调谐激光器、功率计、射频探针、任意波形发生器和实时示波器。SiMRM器件是在IMEC ISIPP50G平台上制造的标准库组件，具有220纳米硅层和2微米埋氧层，波导宽度为500纳米，刻蚀深度为170纳米。微环半径为5微米，环与总线波导之间的间隙为160纳米。图1：SiMRM测量的实验设置，显示了任意波形发生器(AWG)、实时示波器(RTO)、功率计(PM)、光电二极管(PD)、掺铒光纤放大器(EDFA)和可变光衰减器(VOA)。
3光功率对传输光谱的影响图2(a)和(b)显示了在低(3 dBm)和高(8 dBm)光功率输入条件下，不同偏置电压下测量的光传输光谱。在两种光谱中，当反向偏置电压从0变为-4 V时，可以观察到共振红移。这是由于等离子体色散效应导致波导折射率降低。
此外，由于总线和环波导之间的耦合变化，两种光谱中的消光比在较高反向偏置电压下均降低。图2：在(a)低(3 dBm)和(b)高(8 dBm)光功率输入条件下，不同偏置电压下测量的光传输光谱，显示共振波长移动和光谱形状变化。
在图2(b)中观察到一个有趣的效应：由于高光功率输入，出现了不对称形状的光谱，展示了从空值到通带在长波长侧的急剧转变。高光功率注入下的非线性效应是由双光子吸收(TPA)、自由载流子吸收(FCA)、自由载流子色散(FCD)的综合效应导致的，使Q因子从3,000降低到2,200。
4理解Q因子和带宽增强Q因子的物理意义是光在环形谐振器内被捕获的持续时间。较低的Q因子意味着光在环中保持限制的时间更短，这将导致更快的调制速度。为更好地理解调制带宽增强，使用70 GHz带宽矢量网络分析仪测量了SiMRM在不同光功率输入下的S21频率响应。
为更好地理解调制带宽的变化，如图3所示，通过70 GHz带宽矢量网络分析仪(VNA)测量了SiMRM在不同光功率输入下的S21频率响应。在强光功率输入下，3-dB频率响应从55增加到70 GHz。图3：测量的SiMRM的S21频率响应，显示在不同光功率条件下的带宽改善，随着更高的光功率，3-dB频率响应从55增加到70 GHz。
根据研究，SiMRM带宽可以用数学表达为：其中fT, fopt和fele分别是总带宽、光学带宽和电气带宽。电气带宽受SiMRM电容限制；而光学带宽可以写成：其中ω0和QT是光频率和总质量因子。因此，降低Q因子可以增加光学带宽，从而也增加总带宽。
5OFDM传输结果和性能改进为评估光功率诱导的非线性效应对调制带宽的增加，进行了正交频分复用(OFDM)数据调制。OFDM调制计算不同子载波的信噪比，并相应地分配适当的位级。
图4(a)和(b)显示了在低(3 dBm)和高(8 dBm)光功率输入下接收的信噪比(SNR)和相应的位加载(每符号位数)。我们可以观察到，当SiMRM处于非线性操作时，数据速率从62.31增加到70.17 Gbit/s，信噪比得到改善。支持的最大位加载水平从6位/符号(64正交幅度调制，QAM)增加到7位/符号(128 QAM)。图4：完整的数据传输性能，显示(a,b)在不同光功率条件下接收的SNR和相应的位加载，以及(c,d)测量的BER，证明在更高光功率下性能得到改善。
图4(c)和(d)显示了在低(3 dBm)和高(8 dBm)光功率输入下SiMRM生成的OFDM测量的误码率(BER)，说明可以满足硬判决前向错误修正(HD-FEC)阈值(即BER = 3.8 × 10-3)。
6结论SiMRM具有微米级尺寸和低功耗的优点。本文展示了光功率诱导的SiMRM调制带宽增强，说明3-dB频率响应从55增加到70 GHz。SiMRM生成的OFDM数据速率从62.31增加到70.17 Gbit/s，满足HD-FEC阈值要求。
这种增强方法提供了一种简单而有效的方式来提高硅微环调制器的性能，无需复杂的设计修改或高级数字信号处理技术。更高光功率诱导的非线性效应，包括双光子吸收、自由载流子吸收和自由载流子色散，导致谐振器的Q因子降低。这种降低的Q因子直接导致调制带宽增加，如频率响应测量和数据传输实验所证明的那样。
本文提出的发现强调了一种实用方法，用于增强下一代数据中心应用中硅基光电子器件的能力，在这些应用中，高带宽和能源效率是关键要求。通过利用光学非线性，可以显著提高SiMRM性能，潜在地满足人工智能和其他数据密集型应用日益增长的需求，而不增加器件设计或制造的复杂性。
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