引言
在快速发展的光电子集成芯片(PIC)领域,高密度集成电光(E-O)元件的需求不断增加。这种集成对于开发用于数据中心、高性能计算和5G(及以后)网络的紧凑、低成本、高容量收发器模块非常重要。然而,随着不断提高集成密度,遇到了重大挑战:密集排列的元件之间的串扰。
本文主要研究和表征光电子集成芯片中并行排列的硅基行波马赫-曾德尔调制器(TW-MZM)之间的串扰。探讨使用浮动屏蔽条来减少这种串扰,可以显著提高芯片边缘带宽密度,同时不影响性能[1]。
理解并行TW-MZM中的串扰
并行TW-MZM中的串扰发生在两个共面带状线(CPS)之间通过互感和互容耦合射频(RF)信号时。这些耦合波在受害调制器中传播,干扰主信号并在接收器中造成噪声。这种干扰可能导致传输系统中的显著功率损失,特别是当串扰超过-20 dB时。
图1:提出的结构示意图,两个平行的3 mm屏蔽TW-MZM,间距为D。图像还显示了横截面和电场分布。
串扰缓解技术
为了解决这个挑战,研究了两种方法来抑制并行TW-MZM中的串扰:
侧边导线:这种方法涉及在TW电极上添加侧边导线。
浮动屏蔽条(FSS):这种方法实施浮动屏蔽条来屏蔽TW-MZM。
研究表明,使用FSS来屏蔽调制器可以显著减少串扰,无需后处理,允许集成线路紧凑度提高达50%。
器件设计和制造
带FSS的调制器设计包括两个相同的屏蔽调制器,每个长度为3 mm。使用的TW电极是CPS,间距为D。该设计采用了TW-MZM的宽带设计,一个CPS作为TW电极,由两个推挽配置的PN结加载。
图2:串扰模拟的三种设计:(a)两个平行MZM作为参考(无屏蔽),(b)两个带侧边导线的平行MZM,和(c)两个用FSS屏蔽的平行MZM。
该器件使用200毫米晶圆硅基光电子代工工艺制造,具有220纳米Si层和3微米埋氧层。这些MZM的PN结设计采用三级掺杂结构,位于220纳米高的硅肋波导内。采用串联推挽配置来最小化加载的PN结电容,这限制了带宽。
设计优化
为了优化设计,使用ANSYS HFSS进行了模拟。系统地改变了屏蔽参数,特别是条宽(SW)和条间距(SS),并计算了回波损耗。
图3:(a) HFSS模拟结果,显示不同条宽(SW)和条间距(SS)组合的回波损耗。(b)在SW=2μm时,最大回波损耗和射频串扰随条间距(SS)的变化。
模拟显示,当调制器的整个顶部表面被单一、无缝的金属屏蔽覆盖时,几乎所有功率都被反射。随着减小条宽并增加条间距,回波损耗降低。发现SW=2μm和SS=150μm的配置产生的最大回波损耗为10 dB,与参考MZM相似。
模拟结果
HFSS模拟展示了FSS在减少串扰方面的有效性。屏蔽MZM相比无屏蔽MZM显示出约10 dB的串扰减少。
图4:HFSS模拟结果:(a)远端串扰和(b)近端串扰,适用于图2所示的三种结构,包括无屏蔽参考(在D=350μm,650μm),侧边导线,和屏蔽MZM。
有趣的是,与无屏蔽MZM相比,加入侧边导线并没有显著减少射频串扰。观察到,对于所有三种结构,远端和近端串扰在较高频率下都会增加。然而,使用屏蔽MZM可以在这些较高频率下仍然减少串扰。
测量结果和讨论
进行了电-电(E-E)和电-光(E-O)表征来验证模拟结果。
射频测量
使用4端口矢量网络分析仪,测量了不同MZM配置的E-E响应和串扰。
图5:无屏蔽MZM(CPS在金属2(M2)和金属1(M1)层)和屏蔽MZM的E-E响应测量结果。
测量证实,将TW电极从Metal2移到Metal1对调制器的E-E响应影响有限。对结构添加屏蔽也是如此。
图6:无屏蔽(参考)MZM、带侧边导线的MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的测量结果:(a)远端和(b)近端串扰。
远端和近端串扰测量与模拟结果很好地吻合。屏蔽MZM表现出最小的串扰,比其他调制器低约5到10 dB。
图7:屏蔽效能(SE)的模拟和测量结果。
观察到屏蔽效能的模拟和测量结果之间有很好的一致性,在50 GHz以下保持在约10 dB,在50到60 GHz范围内降至约5 dB。
E-O测量
对于E-O测量,使用了相同的矢量网络分析仪和70 GHz光电探测器,以及1553 nm的外腔激光器。
图8:无屏蔽(参考)MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的测量结果:(a) E-O响应(无屏蔽MZM在Metal 1和Metal2都进行了测量),和(b) E-O串扰。
E-O测量证实,E-O响应不受行波电极重新定位或加入浮动屏蔽的显著影响。在4V DC偏置下,无屏蔽和屏蔽MZM都表现出几乎相同的3 dB带宽,大约集中在60 GHz附近。
E-O串扰测量显示,使用浮动屏蔽可以大幅抑制串扰。然而,在较高频率下,E-O串扰的减少变得不那么明显,可能是由于射频串扰增加。
结论
研究表明,在并行TW-MZM中使用浮动屏蔽可以显著减少串扰,允许集成线路紧凑度提高达50%。在金属2层实施浮动屏蔽来屏蔽调制器不会影响其电光响应,并且可以与其他串扰缓解方法有效结合,进一步减少串扰。
这项研究为光电子集成芯片中电光元件的高密度集成提供了可能,使更紧凑、高效和强大的光通信系统的开发成为可能,以满足下一代数据中心、高性能计算和5G(及以后)网络的需求。
参考文献
[1] Mohammadi, L. A. Rusch and W. Shi, "RF crosstalk mitigation via floating shields in parallel silicon traveling-wave modulators," Opt. Express, vol. 32, no. 21, pp. 36075-36084, Oct. 2024.
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