微环调制器超快相干动力学研究

hdy

微环调制器基础原理及应用背景

人工智能和机器学习应用的快速发展对下一代计算集群中的超高带宽光互连产生了巨大需求。传统电子处理能力已达到极限，需要开发能够支持现代AI应用大规模数据吞吐量要求的创新光电子技术解决方案。在这种背景下，微环调制器(MRMs)作为具有卓越紧凑性和能源效率的器件出现，通过共振增强调制机制实现了显著的性能优势。

尽管具备诸多关键优势，微环调制器（MRMs）在历史上一直面临着阻碍其在先进光通信系统中广泛应用的重大挑战。这些挑战包括显著的频率啁啾、动态非线性效应，以及对其相干动力学机制理解的不足。因此，MRMs 的应用主要局限于频谱效率较低的强度调制-直接检测（IM-DD）链路，难以在复杂的相干传输系统中充分发挥其潜力[1]。

图1：超紧凑相干硅基光电子链路的概念化图，展示了支持未来解聚数据中心的完整系统架构，从AI/ML工作负载到光Fabric集成以及与最先进发射器的性能比较。

1

微环系统中复振幅调制的理解

利用MRMs实现相干应用的根本突破在于理解复振幅调制特性。传统方法主要专注于强度调制，但相干光学需要对光的振幅和相位进行精确控制。解锁这种能力的关键在于研究微环谐振器与总线波导之间的耦合条件。

微环调制器可以在三种不同的耦合模式下工作：欠耦合、临界耦合和过耦合条件。每种模式都表现出截然不同的相位和振幅响应，其中过耦合配置为相干应用提供了最通用的性能。在过耦合MRMs中，输出信号在谐振波长范围内经历完整的2π相位移，在复平面中创建涵盖所有象限的圆形轨迹。这种特性使过耦合MRMs特别适合需要精确相位控制的高级调制格式。

图2：微环调制器工作原理，展示了MRM和MRA-MZM配置的示意图、不同耦合条件下的归一化电场频谱，以及显示弯曲和直线过渡轨迹差异的星座图。

实现无啁啾工作的关键创新来自于将一对MRMs嵌入到马赫-曾德尔干涉仪中的推挽配置，创建了所谓的微环辅助MZM (MRA-MZM)。这种配置有效地消除了困扰单个MRMs的频率啁啾，同时保持了共振增强调制效率的优势。MRA-MZM展现出双稳态相位响应，并实现了无啁啾振幅调制，使其非常适合高阶调制格式。

2

频率响应特性和相干动力学

MRMs的频率响应特性揭示了在不同工作条件下行为的深刻见解。MRMs中的传统强度调制在传输呈现最陡斜率的频率失谐下工作时最为有效。然而，相位调制在接近谐振时达到最大效率，随着失谐增加而减弱。频谱响应的这种根本差异为优化不同类型的调制方案创造了机会。

图3：微环调制器的相干动力学，显示传输频谱、光调制振幅、电光带宽特性，以及比较MRM和MRA-MZM在各种参数下性能的大信号轨迹分析。

振幅调制(AM)响应在频率失谐范围内表现出显著的稳定性，与强度调制不同，对谐振条件的依赖性极小。这种特性对于在不同工作条件下保持一致性能特别有价值。MRA-MZM配置在宽频率失谐范围内展现出与单个MRMs几乎相同的AM性能，证实了推挽方法在保持有益特性的同时消除不需要啁啾的有效性。

大信号分析显示，MRMs在复平面中呈现弯曲过渡轨迹，表明存在显著的频率啁啾。相比之下，MRA-MZMs展现出线性过渡路径，确认了无啁啾工作。这种根本差异直接转化为高级调制格式的优异星座质量，使得能够传输具有改善信号完整性的高阶正交振幅调制(QAM)信号。

3

实验实现和性能成就

这些理论进展的实际实现需要开发使用CMOS兼容硅基光电子工艺制造的超紧凑I/Q调制器。器件架构由两个嵌套在更大MZI结构内的MRA-MZMs组成，每个MRA-MZM处理复信号的一个正交分量。这种设计的卓越紧凑性，有源器件仅占用100微米宽度，展示了光电子集成线路中实现带宽密度的潜力。

图4：可扩展系统架构原型和制造的相干发射器芯片概览，显示原型示意图的3D可视化、芯片显微照片，以及包括微环调制器和光电探测器在内的关键器件的详细显微镜图像。

实验表征揭示了为硅基光电子调制器建立新基准的卓越性能指标。器件实现了超过60 GHz的6-dB带宽，支持高达180 Gbaud符号速率的相干传输。MRA-MZM配置的测量消光比超过30 dB，而单个MRMs展现约17 dB的消光比。3,200的品质因子在调制效率和带宽之间提供了最优平衡，支持自由频谱范围内的多个波分复用信道。

图5：实验表征结果，显示测量和仿真的传输频谱、星座图、RF探针下的封装芯片、S11测量，以及比较MRM和MRA-MZM性能的归一化电光响应。

4

相干传输性能和记录级结果

MRA-MZM方法的最终验证来自全面的相干传输实验，展示了卓越的性能能力。单偏振实验实现了QPSK调制高达180 Gbaud、16QAM 150 Gbaud和32QAM 130 Gbaud的符号速率，同时保持误码率低于前向纠错阈值。双偏振配置成功实现了超过1太比特每秒的净数据速率，传输距离达80公里，为基于硅微环的相干系统创立了新记录。

图6：相干数据传输结果，显示单偏振背靠背性能、净比特率成就、不同调制格式的OSNR曲线，以及双偏振结果与各种传输距离的典型星座图。

能效成就代表了另一个重要里程碑，32QAM调制的调制能耗低至每比特10.4飞焦耳。出色的效率，结合超紧凑占用面积，产生了超过每毫米5太比特每秒的破纪录海岸线带宽密度。这些性能指标将该技术定位为AI和机器学习应用中下一代光互连解决方案的前沿。

5

未来发展前景和可扩展性潜力

微环谐振器的波长选择性质通过在MZI臂上级联多个调制器来实现密集WDM系统，每列针对特定波长。保守估计表明，在单个自由频谱范围内可以容纳七到二十个信道，潜在地实现每根光纤7-20太比特每秒的聚合传输速率。

这种影响超越了简单的容量扩展，涵盖了数据中心设计理念的根本变化。超高带宽密度、卓越能源效率和CMOS兼容制造工艺的结合，将这项技术定位为支持人工智能和机器学习应用不断增长需求的解聚计算架构的关键因素。前进的道路涉及将技术精炼为商业部署，同时探索能够进一步增强频谱效率和整体系统性能的先进多维调制技术。