Optics Express | 減少并行硅基行波調(diào)制器中的射頻串擾

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引言
在快速發(fā)展的光電子集成芯片(PIC)領域,高密度集成電光(E-O)元件的需求不斷增加。這種集成對于開發(fā)用于數(shù)據(jù)中心、高性能計算和5G(及以后)網(wǎng)絡的緊湊、低成本、高容量收發(fā)器模塊非常重要。然而,隨著不斷提高集成密度,遇到了重大挑戰(zhàn):密集排列的元件之間的串擾。
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5 [9 D' e* \& L4 k) @! v- g$ j本文主要研究和表征光電子集成芯片中并行排列的硅基行波馬赫-曾德爾調(diào)制器(TW-MZM)之間的串擾。探討使用浮動屏蔽條來減少這種串擾,可以顯著提高芯片邊緣帶寬密度,同時不影響性能[1]。



理解并行TW-MZM中的串擾
: l. @: X6 M) ]0 j并行TW-MZM中的串擾發(fā)生在兩個共面帶狀線(CPS)之間通過互感和互容耦合射頻(RF)信號時。這些耦合波在受害調(diào)制器中傳播,干擾主信號并在接收器中造成噪聲。這種干擾可能導致傳輸系統(tǒng)中的顯著功率損失,特別是當串擾超過-20 dB時。
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圖1:提出的結構示意圖,兩個平行的3 mm屏蔽TW-MZM,間距為D。圖像還顯示了橫截面和電場分布。

  Z0 e/ Q$ q- \/ s  b1 R" `串擾緩解技術
( s0 }4 {5 ?& X為了解決這個挑戰(zhàn),研究了兩種方法來抑制并行TW-MZM中的串擾:
側邊導線:這種方法涉及在TW電極上添加側邊導線。
浮動屏蔽條(FSS):這種方法實施浮動屏蔽條來屏蔽TW-MZM。
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研究表明,使用FSS來屏蔽調(diào)制器可以顯著減少串擾,無需后處理,允許集成線路緊湊度提高達50%。
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% j4 a0 S$ k  G6 {/ ?器件設計和制造
6 J- J% f3 i4 ^! K; l% J( W帶FSS的調(diào)制器設計包括兩個相同的屏蔽調(diào)制器,每個長度為3 mm。使用的TW電極是CPS,間距為D。該設計采用了TW-MZM的寬帶設計,一個CPS作為TW電極,由兩個推挽配置的PN結加載。
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% b$ s" c6 b8 X! [# j4 H3 t圖2:串擾模擬的三種設計:(a)兩個平行MZM作為參考(無屏蔽),(b)兩個帶側邊導線的平行MZM,和(c)兩個用FSS屏蔽的平行MZM。

. s, |6 c6 H0 m該器件使用200毫米晶圓硅基光電子代工工藝制造,具有220納米Si層和3微米埋氧層。這些MZM的PN結設計采用三級摻雜結構,位于220納米高的硅肋波導內(nèi)。采用串聯(lián)推挽配置來最小化加載的PN結電容,這限制了帶寬。

設計優(yōu)化
; C1 w, k! ^9 X4 \" @. I# [5 {3 b6 S! S  C為了優(yōu)化設計,使用ANSYS HFSS進行了模擬。系統(tǒng)地改變了屏蔽參數(shù),特別是條寬(SW)和條間距(SS),并計算了回波損耗。

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圖3:(a) HFSS模擬結果,顯示不同條寬(SW)和條間距(SS)組合的回波損耗。(b)在SW=2μm時,最大回波損耗和射頻串擾隨條間距(SS)的變化。
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模擬顯示,當調(diào)制器的整個頂部表面被單一、無縫的金屬屏蔽覆蓋時,幾乎所有功率都被反射。隨著減小條寬并增加條間距,回波損耗降低。發(fā)現(xiàn)SW=2μm和SS=150μm的配置產(chǎn)生的最大回波損耗為10 dB,與參考MZM相似。
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模擬結果
HFSS模擬展示了FSS在減少串擾方面的有效性。屏蔽MZM相比無屏蔽MZM顯示出約10 dB的串擾減少。


圖4:HFSS模擬結果:(a)遠端串擾和(b)近端串擾,適用于圖2所示的三種結構,包括無屏蔽參考(在D=350μm,650μm),側邊導線,和屏蔽MZM。
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9 Y8 D, X) ]! B4 [有趣的是,與無屏蔽MZM相比,加入側邊導線并沒有顯著減少射頻串擾。觀察到,對于所有三種結構,遠端和近端串擾在較高頻率下都會增加。然而,使用屏蔽MZM可以在這些較高頻率下仍然減少串擾。

5 m/ m, R9 f7 @6 c6 |- O0 r測量結果和討論
: r  _8 n/ T/ o, T( r進行了電-電(E-E)和電-光(E-O)表征來驗證模擬結果。

射頻測量
使用4端口矢量網(wǎng)絡分析儀,測量了不同MZM配置的E-E響應和串擾。


圖5:無屏蔽MZM(CPS在金屬2(M2)和金屬1(M1)層)和屏蔽MZM的E-E響應測量結果。
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測量證實,將TW電極從Metal2移到Metal1對調(diào)制器的E-E響應影響有限。對結構添加屏蔽也是如此。

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+ E6 V( \0 k3 \  j圖6:無屏蔽(參考)MZM、帶側邊導線的MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的測量結果:(a)遠端和(b)近端串擾。
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遠端和近端串擾測量與模擬結果很好地吻合。屏蔽MZM表現(xiàn)出最小的串擾,比其他調(diào)制器低約5到10 dB。


+ ~# z' p. f: T; n圖7:屏蔽效能(SE)的模擬和測量結果。

+ C. B( }! L) j" {6 D3 m1 @# h觀察到屏蔽效能的模擬和測量結果之間有很好的一致性,在50 GHz以下保持在約10 dB,在50到60 GHz范圍內(nèi)降至約5 dB。
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% q" q0 e, Z4 h4 [E-O測量
對于E-O測量,使用了相同的矢量網(wǎng)絡分析儀和70 GHz光電探測器,以及1553 nm的外腔激光器。


圖8:無屏蔽(參考)MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的測量結果:(a) E-O響應(無屏蔽MZM在Metal 1和Metal2都進行了測量),和(b) E-O串擾。
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E-O測量證實,E-O響應不受行波電極重新定位或加入浮動屏蔽的顯著影響。在4V DC偏置下,無屏蔽和屏蔽MZM都表現(xiàn)出幾乎相同的3 dB帶寬,大約集中在60 GHz附近。
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E-O串擾測量顯示,使用浮動屏蔽可以大幅抑制串擾。然而,在較高頻率下,E-O串擾的減少變得不那么明顯,可能是由于射頻串擾增加。
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! K' b1 s9 C6 E7 J- a, F$ I結論
研究表明,在并行TW-MZM中使用浮動屏蔽可以顯著減少串擾,允許集成線路緊湊度提高達50%。在金屬2層實施浮動屏蔽來屏蔽調(diào)制器不會影響其電光響應,并且可以與其他串擾緩解方法有效結合,進一步減少串擾。

! i% g. y. J6 u% x- i8 D! E8 I這項研究為光電子集成芯片中電光元件的高密度集成提供了可能,使更緊湊、高效和強大的光通信系統(tǒng)的開發(fā)成為可能,以滿足下一代數(shù)據(jù)中心、高性能計算和5G(及以后)網(wǎng)絡的需求。
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參考文獻
[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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