OFC 2026 PDP：Coherent团队报道硅光MZM 400G/lane PAM4调制

随着AI/机器学习工作负载与超大规模数据中心的带宽需求爆发式增长，光互连向400G/lane演进已成为下一代技术升级的核心方向。当光端口容量向3.2T及以上规模拓展时，提升单通道数据速率是控制系统复杂度的核心路径——400G/lane架构可有效减少光纤用量、组件密度与设备占地面积，同时降低功耗与成本，显著提升大规模部署中的能源效率与单位比特成本竞争力。

此前，行业内已有基于InP电吸收调制器（EAM）、InP马赫-曾德尔调制器（MZM）、薄膜铌酸锂调制器、混合硅/III-V族EAM、等离子体调制器、硅慢光调制器等技术的400G/lane PAM4调制验证，这类方案普遍具备高带宽与强调制效率的优势。与之相对，标准硅基MZM因固有带宽偏低、半波电压Vπ较高，行业普遍对其驱动电压需求与设计余量存在顾虑；此前相关研究仅实现了300-350 Gbps的PAM4调制，且大多依赖离线处理与非实用化的均衡方案，基于实用化驱动芯片的400G/lane可行性始终未得到验证。

本次研究的核心突破在于首次在不采用特殊材料或非常规结构的前提下，基于硅基MZM实现了400G PAM4调制。该成果采用商用SiGe驱动芯片提供2.5V输出摆幅，适配实用化的系统接口，充分证明硅基MZM可实现400G/lane性能，同时完整保留了硅基器件高量产性、成熟可靠性与完善供应链的核心优势，为可插拔光模块、近封装光学（NPO）、共封装光学（CPO）提供了可规模化落地的解决方案，解决了行业内关于硅基MZM是否适用于400G/lane光互连的争议。

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二、核心器件：硅基MZM的设计与关键性能

本次研究采用的硅基MZM，基于220nm硅工艺制作在3μm厚BOX的SOI衬底上，核心采用反向偏置的横向PN结相移器。

器件的电光（EO）带宽本质上由结电容与串联电阻决定的RC时间常数限制，团队通过精细优化PN结的掺杂剖面，在保留调制效率的同时最小化串联电阻；采用2.8μm厚铝制作行波电极，实现了信号速度与阻抗的匹配；调制器采用双驱动差分结构，目标差分阻抗为75Ω。

实测结果显示，该硅基MZM的3dB电光带宽>70GHz，S11参数表明其在宽频率范围内具有极低的反射特性；高频段的响应振荡，主要来自测试系统中射频器件与电缆的带宽限制带来的校准难度。器件的有效半波电压Vπ约为7V，可在实用化调制器驱动的供电下，实现目标调制消光比。

三、测试验证：收发机原型与实验设置

为验证硅基MZM的调制能力，团队设计并搭建了收发机原型，核心配置全部基于商用化的器件方案：

- 信号收发端：采用商用DAC/ADC芯片组，可生成与接收400G/lane PAM信号，芯片倒装焊接在PCB上；

- 驱动链路：DAC输出驱动一款SiGe调制器驱动芯片，该芯片最大差分输出摆幅2.5V，小信号增益18dB，带4dB增化峰值，3dB带宽达135GHz，功耗约500mW；驱动芯片通过键合线连接至集成了4个MZM的硅光子集成芯片（PIC），因驱动为单通道，本次仅对1个MZM进行了特性表征；

- 光输入链路：70mW的连续波（CW）激光器通过自由空间透镜耦合进入PIC，PIC内集成的1×2光功分器将输入光功率分配至一对MZM；

- 光输出与接收链路：发射端输出通过光纤阵列（FAU）与PIC对接耦合，收集调制后的光信号；接收端采用集成了正照PD的SiGe跨阻放大器（TIA）。该实验所用的PD与TIA为200G/lane应用设计，电带宽低于80GHz，研究开展时尚无商用化的、专为400G/lane优化的PD/TIA方案；TIA输出通过键合线连接至PCB，完成信号采集与处理。

四、核心测试结果

团队在光背靠背（B2B）配置下，对300 Gb/s、360 Gb/s、420 Gb/s速率的PAM4信号性能进行了完整评估，所有测试配置与结果均忠实于实验设置：

- 码型配置：DAC支持集成FIR滤波与查找表（LUT）电平优化的码型生成，采用随机码型，300 Gb/s、360 Gb/s、420 Gb/s速率下分别采用5组长度为1280、1152、1344符号的码型；

- 测试指标：涵盖调制消光比（ER）、线性度（RLM）、链路误码率（BER），其中BER基于200G/lane接收机配合ADC与离线数字信号处理测量，眼图通过DCA采集；

- 均衡配置：300 Gb/s速率下采用15抽头前馈均衡（FFE），360 Gb/s与420 Gb/s速率下采用31抽头FFE，360 Gb/s与420 Gb/s的眼图采集与BER测量均采用了信号平均处理。

实测核心数据如下：

300 Gb/s速率下，即使采用带宽受限的200G/lane接收机与ADC，链路BER仍达到3×10⁻⁶（受总码长限制）；随着速率提升，调制消光比有所下降，链路BER随之升高，但调制线性度RLM始终稳定在0.93-0.95的优秀水平。在420Gbps PAM4调制格式下，ER可以达到3.71dB，线性度为0.94。团队明确指出，本次实验中BER的恶化，主要归因于接收端PD/TIA的带宽限制；随着速率提升，DCA测量结果显示眼图逐渐闭合、垂直压缩，验证了带宽受限带来的码间干扰加剧问题。

五、结论与未来优化方向

硅基MZM是当前100G/200G/lane光互连系统中最成熟、最适合大规模量产的调制器平台之一。依托CMOS兼容的制造工艺、优秀的晶圆级均匀性、经过验证的高可靠性与成熟完善的供应链，目前已有数千万只硅基MZM在超大规模数据中心中部署应用，其可扩展性、成本效率与高量产封装兼容性，使其成为大规模光互连的首选方案。本次基于商用SiGe Drv实现的400G/lane性能演示，进一步验证了硅基MZM在下一代光互连中的适用性。

团队同时指出，该方案仍有明确的性能提升空间，所有优化方向均基于本次实验的可验证路径：

1. 当前驱动芯片与PIC之间的绑线接口限制了高频响应，通过倒装焊集成方案可实现显著改善；

2. 本次实验采用的PD/TIA为200G/lane设计，带宽低于80GHz，采用更高带宽的专用PD/TIA方案可进一步提升链路性能；

3. CMOS工艺节点的持续升级，有望提升DAC/ADC的带宽能力，为400G/lane系统提供更多设计余量；

4. 采用铜电极替代本次所用的铝电极，可进一步提升硅基MZM的电光带宽。

整体而言，本次研究首次验证了基于标准硅基MZM的实用化400G/lane PAM4调制方案。本届OFC上，除了Coherent的PDP论文之外，Silith/Aloe Semiconductors/Siluxtek也展出了400G PAM4的硅光MZM方案，虽然性能上不如TFLN，但也打破了行业对硅基MZM无法适配400G/lane光互连的顾虑，为下一代3.2T及以上端口容量的光通信系统提供了成熟、可量产、低成本的核心技术路径。