微环调制器 MRM 相比马赫-曾德尔调制器 MZM,它的尺寸更小,带宽密度也更高。MRM很适合共封装 CPO 这种高密度集成场景。

Nvidia 发布了全球首款单通道 200Gbps、总带宽 1.6Tbps 的 CPO 交换机,它里面用的微环调制器就是基于台积电通用紧凑型光子引擎 COUPE 工艺流片的。

推荐阅读:
Nvidia:降低工艺误差的低敏感度微环谐振器
英伟达:集成硅光 CPO 方案的互联架构与技术分析
Lightmatter:16 波长 800G BiDi 微环硅光 CPO 方案
MRM 的工作原理,简单来说,就是利用硅的等离子体色散效应,通过 PN 结电压去调控波导的有效折射率,再借助谐振腔的光场增强,实现高效电光调制。

推荐阅读:
海思 / Intel:用于 CPO 的 SiN-SOI 微环调制器
微环谐振器:耦合,调制与波分复用
对于强度调制的 MRM,电光带宽 EO BW、插入损耗 IL、线性度、调制消光比和啁啾特性,这些指标都很要紧。要实现单通道 200Gbps 以上的稳定传输,光子和电子必须协同优化。
在今年的 OFC2026 大会上,英伟达重点探讨了单通道 200Gbps 以上微环调制器该怎么设计优化。

从电学上看,不同频率下的有效调制电压,是由 PN 结电阻 Rj、结电容 Cj、等效电感,还有信号源与端接阻抗一起决定的。
这些参数相互制约,我们的目标就是通过它们来优化结电容电压传输函数:
𝐻𝑒 (𝜔) = 𝑉𝑗/𝑉𝑖n
硅光调制器的 PN 结,可以等效成电阻 Rj 和结电容 Cj 串联,构成一个标准的 RC 低通电路。

传输函数只有一个极点,频率响应曲线也只有一处滚降拐点。不加任何补偿电感时,调制器带宽天生受限,高频电光信号衰减很厉害。
此时在 RC 回路里串或并一个小电感 Leq,电路就变成双极点系统。电容与电感储能相位相反,低频时电感阻抗极低,电路仍以 RC 特性为主。

但随频率升高,电感感抗逐步抵消电容容抗造成的信号损耗,在特定频段形成谐振增益凸起,即电学电感峰化,有效补偿高频衰减。
我们之前也聊过,EML 可以通过引线键合引入峰化电感,把带宽提上去。

推荐阅读:
三菱:串联双调制器的差分 EML 方案
三菱:从高台面结构到混合玻璃基板与 FC+WB 的高速 EML
最优峰化电感的感值很小,在 pH 级别。走线、凸块、基板带来的额外寄生 R/L/C,会直接抵消峰化增益,甚至让带宽恶化。
传统 2D 或倒装芯片封装里,EIC 驱动芯片跟 PIC 微环之间走线长、微凸块多,会引入一大堆额外的串联电感和并联电容。

台积电 COUPE、SoIC® 这些混合键合 3D 光电集成工艺,能大大缩短电光芯片的互连路径,把互连 RLC 寄生降下来。
推荐阅读:
台积电:用于 CPO 的硅光器件性能与工艺平台
台积电:基于 COUPE 与 CoWoS 封装的 CPO 演进路线
3D 堆叠可以让 EIC 和 PIC 物理距离极近,走线电感基本可以忽略。
这是从电路驱动层面补偿高频损耗的手段。不过要注意,电感峰化只能补偿电回路带来的带宽衰减。
MRM 本质是一个谐振腔型器件,光子会在微环里持续振荡。光子在环里停留的时间越长,旧光拖尾效应就越明显,跟不上高速电信号的快速切换,导致高频调制信号严重衰减,调制带宽也就变窄了。

光子残留、拖慢信号的这个过程,我们可以用极点来描述。只要光腔存在损耗、光子有停留时间,就一定会有极点。

极点的实部由光子寿命 τ 决定,这会带来严重的高频衰减:调制频率越高,输出调制增益就越低,系统调制带宽被大幅压缩,这是谐振腔本身固有的缺陷,没法消除。
极点的虚部 Δω,表示激光波长和微环谐振峰错开了多少,也就是失谐量。

微环的双光束干涉输出结构,经过对时域方程组做傅里叶变换,会让传递函数的分子产生一组特征根,也就是系统的零点。
这些零点正好可以用来抵消上面提到的极点损耗,拓宽调制带宽。
零点由耦合损耗、腔内固有损耗和失谐量共同决定。调整工作失谐量,可以平移零点的频率位置,用零点的增益抬升去补偿极点的衰减,这就实现了光学峰化。

光子寿命和零点的位置,都跟微环的耦合强弱直接相关,这一点我们之前讨论过。

带宽由失谐量决定。不过,大失谐带来的光学峰化虽然能显著提升 MRM 的高频响应,代价是消光比下降和非线性恶化。

Nvidia 给出过一个工程上的实用方案,就是最大化增益带宽积,对应的最优失谐量 Δω ≈ 1.13/τph,其中过耦合微环通常能实现更高的增益带宽积。
目前,不同 MRM 之间做性能对标,偏置条件怎么设、性能指标怎么定义、射频去嵌入用什么流程,都还没有统一标准。
下面汇总了近年来已发表的超高速微环调制器成果。

感谢阅读!若有不准确的地方烦请指正。现在订阅,可免费加入我们的香农学术ima知识库,基于海量论文/文档的可信问答(只接受付费专栏订阅/知识星球用户加入)。

感谢支持!
