NLM Photonics/Enosemi/AMF：多通道单波200G/400G PAM4硅-有机物混合(SOH)调制器

原文链接：

https://arxiv.org/abs/2509.24825

◆ 核心成果：高性能硅-有机混合光子集成方案

为满足200G/λ及更高速率的光通信需求，由NLm Photonics公司与Enosemi公司研发的硅-有机混合（SOH）光子集成芯片（PIC）实现了两大关键突破：其一，在1.6T-DR8架构的PIC中，成功实现224G PAM4信号的清晰眼图传输，其核心的SOH调制器VπL低于0.5 V·mm，电光带宽超过80.3GHz；其二，针对3.2T-DR8架构开发的PIC芯片，调制器带宽突破110GHz，可支持400G/λ传输。两种PIC均采用商用可交联有机电光（OEO）材料，且无需对现有硅光子工艺的前端流程进行修改，为高密度、低功耗光模块的规模化应用提供了技术支撑。

◆ 技术背景：SOH技术的选型逻辑

200G/λ以上速率的高效数据传输，对电光调制器的性能提出严苛要求——尤其是线性可插拔光模块（LPO）与共封装光模块（CPO），调制器的效率直接决定系统的功耗、集成度与成本。传统基于硅光子pn结的调制器已面临性能瓶颈，行业目前尝试了InP、TFLN、BTO及等离激元技术等替代方案，但均存在明显短板：InP成本高且集成难度大，TFLN带宽与效率难以兼顾，BTO工艺成熟度不足，等离激元技术则存在损耗过高的问题。

SOH技术的独特优势在此背景下凸显：其一，兼容成熟硅光子平台，无需改动前端工艺，可直接基于现有产线制造；其二，核心的OEO材料电光响应性能优异，其电光系数是TFLN的10倍以上，能显著提升调制效率；其三，近年在调制效率优化、插损控制与热稳定性提升三大关键领域取得突破，彻底解决了早期SOH技术的商业化障碍。

尽管SOH技术在20年前已首次报道，但此前的技术验证均局限于单通道调制器层面，本文首次将其拓展至多通道PIC架构，实现1.6T与3.2T的并行传输能力，且工作于光通信领域常用的O波段，具备极强的实用价值。

◆ 芯片设计与制造

1. 架构与版图设计

1.6T-DR8与3.2T-DR8两种PIC均由Enosemi与NLM Photonics联合设计，基于先进微铸造厂（AMF）的O波段GP v4.5工艺平台，采用200mm硅光子晶圆制造，确保与量产工艺兼容。两种架构的核心设计高度统一：每个PIC集成8个差分驱动（GSGSG封装形式）马赫-曾德尔调制器（MZM），每个MZM均配套mPD与Heater，用于实时监测并精准控制调制器的偏置状态；

激光输入采用双路设计，每路最大输入功率达+18dBm，可分别驱动4个MZM，实现8通道并行传输。为兼顾量产测试需求，芯片在量产型端面耦合器基础上，额外集成光栅耦合器抽头，无需破坏封装即可完成芯片性能验证，降低测试成本。

2. 关键器件结构

SOH调制器的结构设计是性能核心：1.6T-DR8架构的SOH调制器采用槽型波导设计，相移器长度为400μm；3.2T-DR8架构为提升带宽，将相移器长度缩短。两种设计的槽宽统一为160nm，两侧波导宽度为240nm，且严格遵循工艺设计套件（PDK）标准的脊形波导与平板层厚度，确保与现有硅光子工艺的兼容性。

为优化电极导电性与射频带宽，硅电极采用多级n型掺杂工艺，无需额外施加栅极偏置即可稳定工作；调制器通过金属互连与芯片的多层金属堆叠直接连接，并在片上端接100Ω阻抗，实现与高速射频信号的阻抗匹配，减少信号反射。这种紧凑型设计使8通道PIC的总面积仅为17mm²，大幅提升单位面积的集成密度。

3. SOH工艺实现

SOH工艺的核心是有机电光材料的处理，由NLM Photonics在管芯层面完成全套流程：首先，沉积Selerion HTX™（HLD型号）OEO材料；其次，进行封装、极化与交联处理，以提升材料的热稳定性。

由于AMF平台的端面耦合器为悬空结构，传统全片旋涂等涂覆方法会导致耦合器损坏，因此原型PIC采用定制化半自动微毛细管沉积系统，精准将OEO材料沉积至指定区域；目前已开发出适用于大规模量产的OEO材料沉积替代方案。

封装环节采用基于原子层沉积（ALD）的共形沉积技术，确保OEO材料被均匀包裹，提升环境稳定性；极化与交联处理则在Maple Leaf Photonics定制的半自动探针台上完成，通过基于多接触探针的方法，对芯片所有通道同时进行极化与交联，保证多通道性能一致性。尽管原型芯片的极化温度控制在115°C，但Selerion HTX™材料本身支持更高温度极化，可实现≥120°C的长期工作稳定性，满足工业级环境的温度要求。

◆ 性能验证：调制器与链路的双重测试

1. 调制器性能表征

（1）低频表征

由NLM Photonics采用Maple Leaf探针台完成，核心目标是确定调制器的偏置点与半波电压（Vπ）：采用低频过调制法测量Vπ，以100kHz差分三角波作为激励信号，通过光栅耦合器实现光信号的输入与输出，完成测试。

（2）高频表征

由VLC光子学实验室完成，采用是德科技N4372型110GHz二端口光波组件分析仪，测量多通道的S参数与3dB带宽。测试结果显示：

- 200G/λ调制器：3dB带宽为80.3GHz，差分半波电压设计值为2.08V，1310nm波长下的插损为2.4dB；静态消光比通常≥25dB，部分通道可超过40dB；

单通道测得的最佳差分Vπ为1.57V。由于MZM的两个臂仅各承担一半电压摆幅，换算为单端推挽（SEPP）等效调制效率为0.31V·mm。

- 基于泡克尔斯效应关系式，代入参数（折射率n=1.9、模式限制因子Γ=0.14、测量波长λ₀=1290nm），计算得出器件内r33（电光系数）为343pm/V；在设计目标附近，通道间性能差异约为10%，SEPP等效调制效率稳定在0.5V·mm左右（对应r33为200-250pm/V）。

- 400G/λ调制器：因相移器长度缩短，设计Vₙ,diff提升至5.52V，但SEPP等效调制效率仍保持在0.5V·mm左右；3dB电光带宽均超过110GHz（部分样品实测带宽>110GHz）。需特别说明的是，测试中在约为设计带宽一半的频率处出现陷波，该陷波为仪器限制导致的测量伪影（因对调制器单臂进行二端口测量），并非器件本身的性能缺陷。

2. 链路传输测试

由NLM Photonics与是德科技合作完成，针对两个1.6T-DR8 PIC的多通道进行224G PAM4数据传输测试，测试系统搭建与关键流程如下：

- 测试平台：基于Maple Leaf半自动探针台，配备67GHz探针与1.85mm射频电缆（用于高速电信号传输）；信号生成端采用是德科技M8050型误码仪（BERT），配套M8042A码型发生器、M8009时钟模块与M8059A；接收端采用是德科技N1000 DCA-X型数字采样示波器（DSO），配套N1032A光前端；激光源为Santec TSL-570型可调谐光纤激光器，输出波长为1310nm；PIC通过端面耦合方式与光纤连接。

- 信号补偿：因激光输入功率较低，且未使用折射率匹配环氧树脂导致边缘耦合效率下降，测试中引入Thorlabs PDFA-100型掺镨光纤放大器（PDFA），将光信号电平恢复至+4-5dBm，确保测试条件满足传输要求。

- 测试参数：每个通道测试前，通过热调谐将调制器偏置至正交点；采用PRBS13Q测试码型，搭配35抽头FFE、2级CTLE及TDECQ均衡器与测量模块；驱动摆幅范围为1.0-1.8Vₚₚₙ（差分峰峰值电压）。

- 测试结果：在112G波特速率下，PAM4信号的符号误码率（SER）通常约为1×10⁻²，低于SD-FEC阈值3.8×10⁻³；SER对驱动摆幅不敏感，且在不同器件间保持稳定，推测大部分误码由光学环节（如PDFA的噪声）引入，可通过优化耦合效率与提升输入激光功率进一步降低。

在奈奎斯特频率（56GHz）下，探针与电缆的射频损耗为2.88dB，因此1.8Vₚₚ的驱动摆幅实际施加到调制器的电压为1.29Vₚₚ；即便片上电压≤1V（对应1.4Vₚₚₙ驱动摆幅），仍能实现动态消光比>5dB、光调制幅度（OMA）＞2.5dBm的传输性能，验证了低功耗优势。

◆ 技术价值：为400G/λ硅光子技术提供可行路径

本文展示的多通道SOH PIC，实现了三大核心价值：

1. 性能领先性：200G/λ通道的3dB带宽超80GHz，400G/λ通道超110GHz，SEPP等效调制效率达0.5V·mm，静态消光比≥25dB，关键指标均处于行业领先水平，满足200G/λ-400G/λ速率的传输需求。

2. 工艺兼容性：基于现有200mm硅光子晶圆与AMF GP v4.5平台，无需修改前端工艺，且已识别OEO材料的量产沉积方案，具备大规模量产潜力，可大幅降低制造成本。

3. 功耗优势：在低驱动摆幅（≤1.4Vₚₚₙ）下仍能保持稳定传输，动态消光比>5dB，适配LPO与CPO等低功耗光模块场景，符合下一代光通信系统的功耗需求。

该技术不仅验证了224G PAM4传输的可行性，更突破了传统硅光子调制器的性能瓶颈，为400G/λ硅光子技术提供了潜在的产业化路径——通过SOH材料与硅平台的结合，可在不牺牲集成度的前提下，实现高带宽、低功耗、低成本的多通道传输，为下一代高密度光通信系统奠定技术基础。