一种采用45纳米CMOS工艺制造的、单片集成的五段马赫-曾德尔调制器，该调制器配备了分布式驱动电路

《IEEE Photonics Technology Letters》：A Monolithically Integrated Five-Segment Mach–Zehnder Modulator With Distributed Driver in 45-nm CMOS

硅光子学五段马赫-曾德尔调制器在45nm CMOS工艺中实现分布式驱动集成，通过混合结构优化带宽与能效，40Gbaud下测得3.09pJ/ bit能效，50Gbaud下采用5抽头FIR均衡器达到2.47pJ/ bit能效且满足前向纠错阈值。

　　

摘要：

我们展示了一种采用45纳米CMOS工艺单片集成的O波段硅光子学五段式马赫-曾德尔调制器，该调制器配备了分布式驱动器，并通过导线键合封装在PCB上。每个段包含一个共栅驱动器和一个0.7毫米长的行波电极以及相应的终端。在没有前馈均衡（FFE）的情况下，测量结果显示在40 Gbaud速率下，该调制器的误比特率（BER）低于KP-4和KR-4 FEC阈值，同时能量效率为3.09 pJ/bit。在使用模拟五抽头有限脉冲响应（FIR）均衡器的情况下，同样在50 Gbaud速率下，误比特率也低于KP-4 FEC阈值，能量效率为2.47 pJ/bit。这种设计方法使得功耗仅为116.5 mW。

引言

将光子学和电子学在同一工艺中实现单片集成，为利用马赫-曾德尔调制器（MZM）的光学发射器提高速度和能量效率提供了协同设计的机会。马赫-曾德尔调制器因其广泛的温度稳定性而在硅光子学收发器中得到广泛应用，无论是采用行波形式[1]还是分段形式[2],[3],[4]。行波马赫-曾德尔调制器（TW-MZM）使用反向偏置的载流子耗尽型PN移相器，并配备连续电极，因此必须仔细考虑阻抗不匹配、电光速度不匹配、寄生RC带宽和电极损耗等问题，以实现高速设计而不牺牲消光比。分段马赫-曾德尔调制器通过使用多个带有独立驱动器的短移相器段来打破这种权衡，每个移相器都作为一个集总元件工作，无需传输线或终端。分段设计允许在光域中进行均衡[4]。然而，大量的分布式驱动器单元需要精确的群延迟管理，并会增加功耗。采用较少数量带终端的行波段的混合设计具有显著优势：较短的段可以实现比传统TW-MZM更高的带宽，同时不牺牲消光比，也不需要传统分段马赫-曾德尔调制器所需的那么多段。终端可用于减少反射，同时支持任意数量的行波段，这些段可以根据消光比、带宽和功耗进行优化。尽管其他研究已经证实了STW-MZM的优势[5],[6]（其中[5]展示了5伏电压下GHz带宽的可行性），但据我们所知，此前尚未有人尝试将互补金属-氧化物-半导体（CMOS）驱动器与STW-MZM单片集成。单片集成使得STW-MZM更具优势，因为无需额外的封装即可实现调制器和驱动器的集成。我们的STW-MZM设计和封装分别如图1(a)和(b)所示。