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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在快速發(fā)展的光電子集成芯片(PIC)領(lǐng)域,高密度集成電光(E-O)元件的需求不斷增加。這種集成對(duì)于開發(fā)用于數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算和5G(及以后)網(wǎng)絡(luò)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?dāng)_。
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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?dāng)_。探討使用浮動(dòng)屏蔽條來減少這種串?dāng)_,可以顯著提高芯片邊緣帶寬密度,同時(shí)不影響性能[1]。
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0 j% V$ G0 h' N! i, a& _& W2 _理解并行TW-MZM中的串?dāng)_
  ]: i: Z! A/ {  ^7 [* K* j并行TW-MZM中的串?dāng)_發(fā)生在兩個(gè)共面帶狀線(CPS)之間通過互感和互容耦合射頻(RF)信號(hào)時(shí)。這些耦合波在受害調(diào)制器中傳播,干擾主信號(hào)并在接收器中造成噪聲。這種干擾可能導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)中的顯著功率損失,特別是當(dāng)串?dāng)_超過-20 dB時(shí)。


圖1:提出的結(jié)構(gòu)示意圖,兩個(gè)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(chǎng)分布。
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5 u4 S+ |+ t2 Q" ]串?dāng)_緩解技術(shù)
( S+ n1 f! f7 g9 e5 K/ `+ B為了解決這個(gè)挑戰(zhàn),研究了兩種方法來抑制并行TW-MZM中的串?dāng)_:
側(cè)邊導(dǎo)線:這種方法涉及在TW電極上添加側(cè)邊導(dǎo)線。
浮動(dòng)屏蔽條(FSS):這種方法實(shí)施浮動(dòng)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?dāng)_,無(wú)需后處理,允許集成線路緊湊度提高達(dá)50%。

2 k& o  c5 @: C- c( D5 ^$ {器件設(shè)計(jì)和制造
帶FSS的調(diào)制器設(shè)計(jì)包括兩個(gè)相同的屏蔽調(diào)制器,每個(gè)長(zhǎng)度為3 mm。使用的TW電極是CPS,間距為D。該設(shè)計(jì)采用了TW-MZM的寬帶設(shè)計(jì),一個(gè)CPS作為TW電極,由兩個(gè)推挽配置的PN結(jié)加載。

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: \0 O4 _" A5 I7 T1 ^1 Z圖2:串?dāng)_模擬的三種設(shè)計(jì):(a)兩個(gè)平行MZM作為參考(無(wú)屏蔽),(b)兩個(gè)帶側(cè)邊導(dǎo)線的平行MZM,和(c)兩個(gè)用FSS屏蔽的平行MZM。
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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(jié)設(shè)計(jì)采用三級(jí)摻雜結(jié)構(gòu),位于220納米高的硅肋波導(dǎo)內(nèi)。采用串聯(lián)推挽配置來最小化加載的PN結(jié)電容,這限制了帶寬。

0 a8 N4 l5 V. U' E2 U設(shè)計(jì)優(yōu)化
' j) E& y9 R: W3 R( W# ~& l' D為了優(yōu)化設(shè)計(jì),使用ANSYS HFSS進(jìn)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(jì)算了回波損耗。

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圖3:(a) HFSS模擬結(jié)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(shí),最大回波損耗和射頻串?dāng)_隨條間距(SS)的變化。

模擬顯示,當(dāng)調(diào)制器的整個(gè)頂部表面被單一、無(wú)縫的金屬屏蔽覆蓋時(shí),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(jié)果
7 c) m6 S, w+ Y  A  t8 qHFSS模擬展示了FSS在減少串?dāng)_方面的有效性。屏蔽MZM相比無(wú)屏蔽MZM顯示出約10 dB的串?dāng)_減少。
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圖4:HFSS模擬結(jié)果:(a)遠(yuǎn)端串?dāng)_和(b)近端串?dāng)_,適用于圖2所示的三種結(jié)構(gòu),包括無(wú)屏蔽參考(在D=350μm,650μm),側(cè)邊導(dǎo)線,和屏蔽MZM。

) F4 y6 H6 I/ V, m5 c有趣的是,與無(wú)屏蔽MZM相比,加入側(cè)邊導(dǎo)線并沒有顯著減少射頻串?dāng)_。觀察到,對(duì)于所有三種結(jié)構(gòu),遠(yuǎn)端和近端串?dāng)_在較高頻率下都會(huì)增加。然而,使用屏蔽MZM可以在這些較高頻率下仍然減少串?dāng)_。

測(cè)量結(jié)果和討論
- |/ }& `; L5 z) X1 A; v" o1 S9 p進(jìn)行了電-電(E-E)和電-光(E-O)表征來驗(yàn)證模擬結(jié)果。

0 u- Q5 a8 ^. t2 n0 u射頻測(cè)量
使用4端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,測(cè)量了不同MZM配置的E-E響應(yīng)和串?dāng)_。


圖5:無(wú)屏蔽MZM(CPS在金屬2(M2)和金屬1(M1)層)和屏蔽MZM的E-E響應(yīng)測(cè)量結(jié)果。

$ o+ D9 H0 g. N3 C; B測(cè)量證實(shí),將TW電極從Metal2移到Metal1對(duì)調(diào)制器的E-E響應(yīng)影響有限。對(duì)結(jié)構(gòu)添加屏蔽也是如此。


圖6:無(wú)屏蔽(參考)MZM、帶側(cè)邊導(dǎo)線的MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的測(cè)量結(jié)果:(a)遠(yuǎn)端和(b)近端串?dāng)_。

  U2 C: P  n  N- O# L$ H遠(yuǎn)端和近端串?dāng)_測(cè)量與模擬結(jié)果很好地吻合。屏蔽MZM表現(xiàn)出最小的串?dāng)_,比其他調(diào)制器低約5到10 dB。
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圖7:屏蔽效能(SE)的模擬和測(cè)量結(jié)果。

觀察到屏蔽效能的模擬和測(cè)量結(jié)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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! i0 t. h" E0 c$ A+ p9 l# I+ [E-O測(cè)量
對(duì)于E-O測(cè)量,使用了相同的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和70 GHz光電探測(cè)器,以及1553 nm的外腔激光器。
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# y/ {0 Q6 T" ?# Q圖8:無(wú)屏蔽(參考)MZM和屏蔽MZM(D=350μm)的測(cè)量結(jié)果:(a) E-O響應(yīng)(無(wú)屏蔽MZM在Metal 1和Metal2都進(jìn)行了測(cè)量),和(b) E-O串?dāng)_。
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/ K1 s9 f8 h, E1 L- W, p) v) ^) @E-O測(cè)量證實(shí),E-O響應(yīng)不受行波電極重新定位或加入浮動(dòng)屏蔽的顯著影響。在4V DC偏置下,無(wú)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。

E-O串?dāng)_測(cè)量顯示,使用浮動(dòng)屏蔽可以大幅抑制串?dāng)_。然而,在較高頻率下,E-O串?dāng)_的減少變得不那么明顯,可能是由于射頻串?dāng)_增加。
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/ \7 I% F6 u0 k; n結(jié)論
# s- e5 n8 n$ _( L7 m! ]  o5 h$ X研究表明,在并行TW-MZM中使用浮動(dòng)屏蔽可以顯著減少串?dāng)_,允許集成線路緊湊度提高達(dá)50%。在金屬2層實(shí)施浮動(dòng)屏蔽來屏蔽調(diào)制器不會(huì)影響其電光響應(yīng),并且可以與其他串?dāng)_緩解方法有效結(jié)合,進(jìn)一步減少串?dāng)_。
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這項(xiàng)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(qiáng)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(jì)算和5G(及以后)網(wǎng)絡(luò)的需求。
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- y5 H- c7 o6 D: \  `% F參考文獻(xiàn)
[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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