基于硅光子晶体慢光调制器与开集电流模式驱动器的0.78 pJ/bit高效紧凑型光发射机

《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》：High-Efficiency Compact Optical Transmitter With a Total Bit Energy of 0.78 pJ/bit Including Silicon Slow-Light Modulator and Open-Collector Current-Mode Driver

本文报道了一种创新性光发射机设计方案，通过结合高阻抗硅光子晶体波导（PCW）马赫-曾德尔调制器（MZM）与开集电流模式驱动器，成功实现了64 Gbaud传输速率下50 mW的超低功耗和0.78 pJ/bit的比特能量，同时将占地面积缩减至0.66 mm2。该研究突破了传统电压模式驱动架构的能效瓶颈，采用电子-光子协同仿真技术优化系统性能，为数据中心光互连的大规模并行集成提供了关键技术支撑。

　　

随着云计算和人工智能应用的爆发式增长，数据中心正面临着前所未有的能耗挑战。其中，光互连技术作为替代高功耗电互连的关键方案，其能效和集成度直接影响着数据中心的可持续发展。然而，传统基于硅肋形波导马赫-曾德尔调制器（MZM）的光发射机存在显著瓶颈：毫米级长度的相位调制器导致器件尺寸庞大，电压模式驱动架构中的终端电阻造成双重功耗，使得单通道总功耗往往超过1瓦，占地面积大于1平方毫米，严重限制了大规模并行集成的发展前景。

针对这一技术难题，日本横滨国立大学Toshihiko Baba教授团队在《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》上发表了一项突破性研究。他们创新性地将光子晶体波导（PCW）慢光调制器与开集电流模式驱动器相结合，成功开发出能效和尺寸均实现数量级提升的新型光发射机。

研究团队采用的核心技术方法包括：首先，通过光子晶体波导的慢光效应增强调制效率，将相位调制器长度缩短至150微米；其次，利用电极阻抗工程设计将特征阻抗提升至50欧姆；第三，开发基于Verilog-A的光子器件模型库，实现电子-光子协同仿真优化；最后，采用130纳米BiCMOS工艺制造驱动器，并通过引线键合实现与硅光子芯片的异质集成。研究过程中还对热耦合效应进行了系统仿真分析，验证了器件在无温控条件下的工作稳定性。

设计概念：研究团队提出了全新的发射机架构理念。与传统电压模式驱动相比，开集电流模式驱动省去了终端电阻，使晶体管负载阻抗从15欧姆提升至50欧姆。结合PCW相位调制器的小电容特性，驱动电流从40毫安降至20毫安，功耗相应降低70%。这种设计不仅显著降低功耗，还减少了晶体管寄生电容，有利于提升带宽。

电子-光子协同设计：PCW调制器采用三角形晶格线缺陷结构，通过插入电感器L_H实现电极阻抗匹配，将特征阻抗从30欧姆提升至50欧姆。驱动器采用多级峰值增强技术，包括f倍增器、负阻抗可调峰值电路和堆叠晶体管结构，通过协同仿真优化所有器件参数，实现了46 GHz的3-dB带宽。

器件制备与热特性：发射机采用引线键合方式将硅光子芯片与BiCMOS驱动器集成在印刷电路板上，有源占地面积仅0.66 mm2。热仿真表明，即使在300毫瓦功耗下，PCW相位调制器温度升至84°C，但波长漂移仅2.6纳米，远小于5.9纳米的工作带宽，证明器件无需温控即可稳定工作。通过片上TiN加热器进行偏置控制，最大功耗仅3.3毫瓦。

频率响应：实验测得发射机的电光频率响应与协同仿真结果高度一致。在群折射率n_g=30条件下，通过可调峰值技术实现了55 GHz的3-dB带宽，显示出超越100 Gbaud的操作潜力。不同n_g条件下的响应变化验证了慢光效应对带宽的影响，同时也证明了峰值电路的有效补偿能力。

传输性能：在50 Gbps传输速率下，发射机在所有测试功率水平（50-260毫瓦）均呈现清晰的眼图开口，消光比（ER）从1.5 dB提升至4.6 dB，兼容硬判决前向纠错（HD-FEC）。在64 Gbps速率下，即使功耗降至70毫瓦仍保持软判决前向纠错（SD-FEC）兼容性。接收端采用5抽头线性前向均衡后，最低比特能量达到0.78 pJ/bit（50毫瓦功耗）。功耗分析显示，在低功耗条件下，主要功耗来自开集驱动晶体管和峰值电路。

研究结论与意义：本研究成功演示了基于PCW MZM和开集电流模式驱动器的64 Gbaud光发射机，实现了50毫瓦功耗、0.78 pJ/bit比特能量和0.66 mm2占地面积的突破性性能。这一成果的关键创新在于采用非终端电流模式驱动紧凑型高阻抗PCW调制器，并通过电子-光子协同仿真解决了传统分离设计难以应对的射频反射问题。与现有技术相比，该方案在保持高速度的同时，避免了微环调制器所需的温控或后处理修调，为大规模多通道集成提供了理想解决方案。未来通过倒装焊等先进封装技术进一步降低寄生参数，有望实现超越100 Gbps的单通道速率和低于0.5 pJ/bit的比特能量，推动光互连技术向更高能效和集成度发展。