张江实验室报道晶圆级微型化95 GHz带宽O波段慢光硅调制器，突破硅光400Gbps互连带宽与效率瓶颈

光芯

发布于 2026-07-21 09:11:32

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本文工作由张江实验室联合中国科学院空天信息创新研究院完成，相关成果发表于2026年7月的《Optica》第13卷第7期。针对硅基马赫-曾德尔调制器（MZM）固有存在的调制效率与工作带宽权衡难题，以及O波段慢光器件难以实现晶圆级量产的工程挑战，研究团队基于300mm硅光子平台40nm工艺节点，设计并制备了基于一维光子晶体（PhC）波导的O波段慢光硅MZM。该器件通过慢光效应增强光与物质相互作用，在仅500μm的调制臂长度下，实现了0.65 V·cm的低半波电压长度积与94.7 GHz的中位电光带宽；在2.7 V峰峰值驱动电压下，可支持300 Gbps/λ的PAM-4传输与400 Gbps/λ的PAM-8传输，单比特功耗低至15.0 fJ/bit。该工作首次实现了O波段慢光调制器在300mm硅光平台的晶圆级稳定制造，为下一代高密度、低功耗光互连提供了核心器件支撑。

一、研究背景与核心挑战

人工智能、云计算与5G网络的快速普及，推动数据中心与AI集群的光互连吞吐量需求呈指数级增长，对光收发模块的带宽、功耗、可量产性提出了更高要求。硅光子技术凭借与CMOS工艺的天然兼容性，成为低成本、大规模制造光电集成芯片的核心平台，其中马赫-曾德尔调制器因波长灵活性强、环境鲁棒性优于谐振型器件，成为光互连的核心功能单元。

硅基调制器依赖等离子体色散效应实现折射率调制，这一物理机制决定了调制效率与工作带宽之间存在固有权衡：提升调制效率通常需要更长的相移区或更高的掺杂浓度，前者会增大器件 footprint，后者会升高结电容并限制带宽。同时，传统硅MZM毫米级的器件尺寸，也制约了其在高密度共封装光学（CPO）等场景的部署。

慢光效应是突破上述瓶颈的关键技术路径。通过光子晶体波导结构降低光的群速度，可延长光子寿命、增强光与物质的相互作用，在大幅缩短器件长度的同时保持调制深度。当前高性能慢光调制器的研究多集中于C波段长距传输场景，而数据中心、5G前传等短距互连主流采用O波段，以利用光纤零色散窗口简化收发器架构。O波段光子晶体结构的横向特征尺寸更小，对光刻的光学邻近效应、关键尺寸波动高度敏感，长期以来难以实现从实验室原型到晶圆级量产的跨越。

二、慢光波导的结构设计与物理机制

2.1 一维光子晶体波导结构

该慢光MZM基于标准220nm厚度的绝缘体上硅（SOI）平台实现，调制臂的慢光波导为一维鱼骨形布拉格光栅结构，单元晶格常数设定为245nm，使慢光工作区对准O波段窗口。通过设置几何参数W₁=0.8Λ、W₂=0.7Λ、W₃=0.45Λ，结合界面的滑移平面对称性，可在布里渊区边缘实现慢光模式简并，形成强色散的慢光区域。

器件选择性激发TE偏振基模，其光场与波导中心横向分布的载流子耗尽区具有更高的空间重叠度，可最大化等离子体色散效应的调制效率。经时域有限差分法仿真计算，1320nm波长处基模的群折射率约为8.2，研究团队选取该中等群折射率数值，在调制效率提升与传播损耗之间取得平衡。

2.2 绝热过渡taper设计

光子晶体波导的布洛赫模式与普通单模脊波导的高斯模场存在模式失配，会引发严重的菲涅尔反射与耦合损耗。为此，研究团队在慢光波导两端设计了20个周期的线性绝热过渡锥，通过两段宽度的线性渐变实现模场的绝热演化。其中W₁从输入单模波导的380nm线性过渡至慢光波导的196nm（0.8Λ），W₂从初始7nm线性过渡至171nm（0.7Λ），有效抑制了端面反射，显著降低了耦合损耗。

2.3 慢光增强调制的物理机制

慢光效应对调制效率的增强作用可通过相位调制公式定量描述：相移量与波导有效折射率变化、作用长度成正比，而在慢光波导中，等效的相互作用长度与群折射率正相关。靠近光子带隙边缘时，群折射率快速升高，光场在波导内的局域性增强、光子寿命延长，等效于延长了光与载流子的相互作用距离，从而在更短的物理长度下获得同等的相位调制量，实现器件微型化与效率提升的统一。

三、光电协同的掺杂结优化设计

3.1 三级梯度掺杂架构

结电容是决定调制效率与电光带宽权衡的核心参数：更高的掺杂浓度可增强等离子体色散效应、提升调制效率，但会增大结电容，升高微波损耗并压缩带宽。为实现目标性能，器件采用三级梯度掺杂剖面，适配300mm硅光平台的工艺能力：轻掺杂区在光子晶体波导内部形成横向pn结；中掺杂区分布在脊波导两侧，最小间距为800nm，作为浓度梯度过渡以降低串联电阻；重掺杂区实现与金属层的欧姆接触。

3.2 掺杂浓度的协同优化

研究团队通过TCAD-Lumerical联合仿真，对轻掺杂区的掺杂剂量进行扫描优化。低掺杂剂量下（P型1.6×10¹⁷ cm⁻³、N型2.8×10¹⁷ cm⁻³），零偏置下结电容低于3.0 pF/cm的目标值，但500μm长度调制器的半波电压超过20V，调制效率不足；高掺杂剂量下（P型5.2×10¹⁷ cm⁻³、N型9.8×10¹⁷ cm⁻³），需要大于5V的反向偏置才能达到目标结电容，会引入额外的功耗。

最终设计采用中等掺杂剂量，轻掺杂区P型浓度为3.8×10¹⁷ cm⁻³、N型浓度为7.1×10¹⁷ cm⁻³，中掺杂区浓度为2.8×10¹⁸ cm⁻³，重掺杂区浓度达到1.9×10²⁰ cm⁻³。在-3V反向偏置、100GHz调制频率下，耗尽区充分展宽，结电容降至约2.3 pF/cm，匹配设计目标。仿真同时分析了结串联电阻随偏置电压与小信号频率的演化规律，为后续微波设计提供了准确的器件参数。

四、GSSG差分电极的微波特性设计

4.1 差分电极与推挽结构

慢光调制器采用地-信号-信号-地（GSSG）的差分电极配置，支持差分驱动方案，可抑制共模噪声、提升调制线性度，适配SerDes等高速电接口标准。电极采用串联推挽结构，两个pn结背靠背放置，可使等效结电容减半、结电阻加倍，整体介质损耗降低50%，进一步拓展电光带宽。

4.2 全波仿真与参数提取

研究团队采用ANSYS HFSS对电极进行全波电磁仿真，设置铝电导率、二氧化硅与硅的介电常数等材料参数，提取0~110GHz范围内的S参数。通过S参数与ABCD矩阵的标准微波网络变换，进一步推导电极的分布电阻、分布电感、分布电导、分布电容参数，以及微波等效折射率、衰减系数、特性阻抗等关键指标。

经优化，电极几何参数最终确定为：地电极宽度100μm，地-信号间距25μm，信号电极宽度15μm，信号-信号间距30μm，电极总长度500μm。加载pn结后，-3V偏置下电极的特性阻抗约为72Ω。

4.3 端接阻抗匹配设计

调制器的电光频率响应受源阻抗、端接电阻与传输线特性阻抗的匹配关系影响。差分驱动方案下源阻抗为100Ω，研究团队将端接电阻设计为65Ω，略低于加载后的特性阻抗。仿真结果表明，轻微的阻抗失配会产生反射，对射频信号形成预加重效应，可抬升电光响应的低频段并小幅拓展3dB带宽。对比仿真显示，65Ω端接电阻下3dB电光带宽可达100GHz，显著优于70Ω、80Ω端接方案。

五、晶圆级制备工艺与制造稳定性

5.1 制备工艺流程

器件在300mm高阻SOI晶圆上制备，硅层厚度220nm，埋氧层厚度2μm，采用40nm光刻节点的标准硅光工艺。有源区制备包含五次离子注入步骤、三层铜互连与一层铝电极，通过先进的光刻与刻蚀能力保障光子晶体微纳结构的加工精度。波导过渡锥连接380nm宽的单模波导与相移区，实现模式的绝热过渡。

5.2 晶圆级制造均匀性

研究团队对整片晶圆进行了光谱透射测试，验证慢光波导的量产稳定性。晶圆中心区域的16颗芯片中，光子带隙截止波长的抖动小于5nm；包含晶圆边缘的28颗芯片中，截止波长抖动小于15nm，整片晶圆的关键尺寸制造偏差小于±20nm，中心区域的工艺波动被显著抑制。该波动源于晶圆级制造中的光学邻近效应，整体处于可控范围，慢光工作区均可覆盖调制器的工作波长。

进一步的工艺容差仿真显示，波导波纹宽度W₂发生±20nm偏差时，通带位置偏移约14nm；W₃发生±20nm偏差时，通带偏移约26nm。结合先进工艺节点的加工精度，器件具备良好的工艺鲁棒性。

5.3 无源性能统计

快光区域的插入损耗晶圆级统计结果显示，整片晶圆插入损耗中值为2.4dB（不含光栅耦合器），最大值3.71dB，最小值1.46dB，标准差仅0.7dB，体现了优异的工艺一致性。不同结构参数的光子晶体波导测试表明，增大W₁或晶格常数会使透射谱的截止区发生明显红移，带隙位置与结构参数的关联规律与仿真一致。

六、静态与动态电光性能表征

6.1 静态调制效率

在1319nm的最优慢光工作波长处，测得器件半波电压为13.1V，对应500μm作用长度下的半波电压长度积为0.65 V·cm，达到同类型器件的领先水平。该波长靠近布里渊区边缘，插入损耗为4.3dB，在慢光增强效率与插入损耗之间取得了最优平衡。

作为对比，在远离带边的快光区域（1328nm），通过MZI结构的自由光谱范围估算得到调制效率为1.02 V·cm，插入损耗为2.9dB，验证了慢光效应对调制效率的显著提升作用。

6.2 小信号电光带宽

采用110GHz带宽的光波元件分析仪，通过GSSG微波探针进行小信号测试，整片晶圆的3dB电光带宽中值达到94.7GHz，最高值100.1GHz，最低值89.8GHz，标准差仅2.9GHz，测试结果与TCAD-Lumerical联合仿真结果高度吻合，验证了结工程与微波相位匹配设计的准确性。

同一芯片的快慢光带宽对比显示，快光区域的3dB电光带宽仅为73GHz，慢光区域带宽提升超过20GHz。这一差异源于带边附近更强的光与物质相互作用，说明慢光效应不仅提升调制效率，还能改善器件的高频响应。

6.3 波长与温度依赖性

器件的可用慢光光学窗口约为4nm：在1319nm波长处插入损耗4.3dB，3dB电光带宽95GHz；在1323nm波长处插入损耗3.1dB，电光带宽仍可保持90GHz，窗口内均具备优异的高频性能。

温度特性方面，基于硅的热光系数1.86×10⁻⁴ K⁻¹的仿真结果显示，温度从293K升高30K至323K时，光子带边发生2.4nm的红移，体现了O波段小尺寸光子晶体结构对环境温度的敏感性。结合热光移相器的波长调谐能力，可实现工作点的稳定控制。

6.4 热光移相器性能

调制器单臂集成了热光移相器，用于精确控制MZI的正交偏置点。移相器采用波导两侧对称布置的n型重掺杂硅加热器，加热器距波导中心2μm，移相区长度300μm。实测得到π相移所需的直流功率为31.7mW，消光比可达52.6dB，可满足偏置点稳定控制的需求。

七、高速传输能力验证与能耗分析

7.1 大信号传输实验

研究团队搭建了背靠背传输系统，采用224GSa/s任意波形发生器驱动器件，验证不同调制格式下的传输性能。

NRZ格式下，56Gbaud速率下消光比为4.3dB，112Gbaud速率下消光比为3.2dB，眼图交叉点接近50%，线性度良好。作为对比，快光区域对应速率下的消光比仅为2.7dB与2.3dB，进一步印证慢光效应可提升动态消光比，改善信号质量。

PAM-4格式下，112Gbaud（224Gbps）速率下TDECQ为1.05dB，150Gbaud（300Gbps）速率下TDECQ为1.8dB，符号错误率均低于2×10⁻²的前向纠错阈值。

PAM-8格式下，实现了135Gbaud速率下的400Gbps/λ传输，验证了器件的超高吞吐能力。所有测试仅采用四阶贝塞尔滤波器与前馈均衡器，未依赖复杂的AI均衡算法。

7.2 400Gbps PAM-4能力验证

受限于测试系统中任意波形发生器与驱动器的带宽，实验无法直接开展400Gbps PAM-4测试（对应112GHz奈奎斯特频率）。为此，研究团队构建了背靠背通信链路仿真模型，导入器件实测的小信号电光响应、调制效率与静态消光比等真实参数，并对测试系统的固有频率响应进行预补偿。仿真结果显示，在理想宽带驱动源下，该慢光调制器在400Gbps PAM-4速率下可实现清晰张开的四电平眼图，误码率低于3.8×10⁻³，证明器件本身具备单通道400Gbps PAM-4传输的物理性能。

7.3 能量效率分析

基于结电容与驱动电压摆幅，可定量计算不同调制格式下的比特能耗。在-3V偏置、2.7V峰峰值驱动电压下，NRZ格式的平均单比特能耗为104.8 fJ/bit，PAM-4格式下为29.1 fJ/bit。结合串联推挽结构的结电容折算，500μm长度调制器的整体单比特功耗约为15.0 fJ/bit，具备优异的能量效率。

八、结论

该工作首次在300mm硅光子平台上实现了高性能O波段慢光马赫-曾德尔调制器的晶圆级制造，通过设计-工艺协同优化，突破了O波段光子晶体结构加工精度不足、量产稳定性差的工程瓶颈。器件兼具微型化尺寸、高调制效率、超宽带宽与低功耗的优势，各项性能指标均达到同类型器件的领先水平，且晶圆级工艺均匀性优异，具备大规模量产潜力。