整合CMOS矽光子傳輸器：突破300Gb/s技術解析

光通訊對高數據速率的需求日益迫切，促使研究者探索創新方法以突破技術瓶頸。Li 等人研究提出的光學均衡技術，成功實現超過 300Gb/s 的數據傳輸速率。本技術結合分段式馬赫-曾德調製器（Mach-Zehnder modulators, MZM）與多通道驅動器，展示了在矽光子技術中的巨大潛力。

光學均衡技術概念

傳統訊號整形主要依賴電子元件（如前饋等化器、決策回饋等化器），但其效能受限於晶體管頻寬與功耗。而光學均衡直接在光子裝置中調整訊號形狀，結合分段式 MZM 和多通道驅動器，可精準控制訊號品質。

在此技術中，MZM 被分為長段與短段，分別作為主調制與等化調整的角色。透過調整輸入訊號的延遲時間及驅動電壓增益，短段的等化作用能補償訊號中的高頻衰減，提升整體效能。

實驗設定

該研究使用的傳輸器包含兩段 MZM 與兩個 CMOS 驅動器：

長段 MZM：2.47mm，3dB 電光頻寬 43GHz。

短段 MZM：1.27mm，3dB 電光頻寬 65GHz。

兩段調製器透過倒裝晶片技術鍵合於 CMOS 驅動器，並利用波形發生器引入可調延遲，最佳化光訊號輸出。

實驗結果

OOK 訊號效能：實驗達到 182G 的傳輸速率，其誤碼率（BER）降至 1e-3，優於硬判決正向錯誤校正（HD-FEC）限制（3.8e-3）。

PAM-4 訊號效能：

在未啟用光學均衡時，誤碼率為 2.6e-2，接近軟判決正向錯誤校正（SD-FEC）限制（2e-2）。

啟用光學均衡後，誤碼率改善至 4.5e-3，接近 HD-FEC 限制，且訊號眼圖開口明顯增大。

能效與未來展望

整體裝置功耗低於 257mW，達成超過 300Gb/s 的數據速率，能源效率僅為 1pJ/bit，遠超現有技術水準。未來的研究可聚焦於多通道整合與進一步小型化，推動高效能光通訊系統的普及化應用。

結論

研究證明，透過光學均衡技術結合分段式 MZM，整合 CMOS 矽光子傳輸器可實現突破性速率。該技術在降低功耗的同時，顯著提升訊號品質，為光通訊系統的未來發展奠定了重要基礎。

參考資料

[1] K. Li, D. J. Thomson, L. Zhou, W. Zhang, S. Liu, W. Cao, C. G. Littlejohns, X. Yan, M. Ebert, M. Banakar, D. Tran, F. Meng, L. Wang, Z. He, F. Zhang, S. Yu, and G. T. Reed, "Beyond 300Gb/s from an integrated single-channel silicon photonics modulator driver combination," Silicon Photonics Group, Optoelectronics Research Centre, University of Southampton, Southampton, UK; Peng Cheng Laboratory, Shenzhen, China; State Key Laboratory of Advanced Optical Communication System and Networks, School of Electronics, Peking University, Beijing, China, 2024, pp. 1-6, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2024 IEEE.