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一、研究作者、机构与发表信息
本文的主要作者包括Seok-Jun Yun、Young-Tak Han、Dong-Hoon Lee、Seok-Tae Kim、Min-Jun Kwak、Jang-Uk Shin、Sang-Ho Park、Seo-Young Lee以及Yongsoon Baek。其中，第一作者和通讯作者为Seok-Jun Yun，其电子邮箱为yunseokjun@etri.re.kr。研究机构主要为韩国电子通信研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute, ETRI）的光子/无线器件研究部门，地址位于韩国大田市儒城区佳亭路218号。另一参与机构为Luvantix ADM公司，位于韩国大田市儒城区KAIST ICC。该研究发表于2022年光纤通信会议（Optical Fiber Communication Conference, OFC 2022），论文编号为Th2A.2，由Optica Publishing Group出版。
二、学术背景与研究目的
随着云计算、物联网等带宽密集型服务的迅速普及，数据中心内部及数据中心之间的传输容量需求持续增长。为了应对这一需求，400G以太网的相关标准已经制定完成。然而，为了进一步提升传输容量，业界正在积极评估每通道200 Gbps的强度调制与直接检测（Intensity Modulation and Direct Detection, IM/DD）技术，目标面向800 Gbps和1.6 Tbps的可插拔光模块。近期，基于每通道200 Gbps的800G-FR4多源协议（Multi-Source Agreement, MSA）已经发布，其针对2 km传输距离的800G光收发模块提出了明确要求。该协议要求高速光源的3 dB带宽必须高于100 Gbaud PAM4信号的奈奎斯特频率，即50 GHz。
电吸收调制激光器（Electro-Absorption Modulated Laser, EML）因其优异的高速特性、低啁啾和低驱动电压，被认为是实现100 Gbaud PAM4操作的具有竞争力的解决方案。特别是集总式EML（lumped-EML），由于电极结构简单、芯片尺寸小，近年来受到广泛关注。然而，集总式EML的3 dB带宽主要由电吸收调制器（Electro-Absorption Modulator, EAM）的电容决定。为了获得超过50 GHz的3 dB带宽，通常需要将EAM长度缩短至100 µm或更短。但缩短EAM长度会不可避免地降低消光比（Extinction Ratio, ER），从而需要更高的驱动电压和偏置电压。为了解决这一矛盾，研究者提出利用EAM电容与键合线寄生电感共同形成的LC谐振效应来扩展集总式EML的带宽，而不牺牲消光比。通过调节键合线的长度，可以利用电感峰化（inductive peaking）效应增强EML的3 dB带宽。
本文的研究目标在于，系统地研究不同负载电阻条件下键合线电感对集总式EML光发射次模块（submodule）频率响应的影响。由于EML次模块的频率响应高度依赖于负载电阻，因此需要在优化键合线长度的同时，结合不同负载电阻的优化，以最大化LC谐振效应的优势。作者通过实验证明，在优化负载电阻和键合线长度的条件下，即使使用EAM长度为150 µm的EML芯片，也可以将EML次模块的3 dB电/光（electro/optic, E/O）带宽提升至55 GHz以上，满足100 Gbaud操作的要求。
三、研究流程与实验方法
本研究的整体流程可以分为三个主要阶段：等效电路模型的建立与仿真分析、EML次模块的制备、以及高频特性测试与结果分析。
1. 等效电路模型的建立与仿真分析
为了分析EML次模块的频率响应特性，研究者首先建立了一个电等效电路模型，如图1所示。该等效电路模型包含了EAM部分的多个关键电路参数。其中，Cm为EAM的结电容，Cp为寄生电容，Rm为串联电阻，Rj为泄漏电阻。L1表示柔性印刷电路板（Flexible Printed Circuit Board, FPCB）与EAM之间键合线的寄生电感，L2表示EAM与负载电阻RL之间键合线的寄生电感。L1和L2的值由单位长度电感（0.7 nH/mm）与各自键合线长度（l1和l2）的乘积给出。EAM中光吸收产生的光电流（iphoto）被建模为光电流电阻Rphoto，其值为光电流对EAM结电压vm的微分倒数。RL代表用于EAM阻抗匹配的负载电阻。在这些参数中，Rphoto、Rm和Rj直接从测量数据中获得，而Cp和Cm则通过将实测S11曲线与仿真S11曲线进行拟合提取，分别估计为0.16 pF和0.06 pF。
基于该等效电路模型和电路参数，研究者针对四种不同的负载电阻值，系统地分析了键合线长度对高频特性的影响。E/O响应由EAM结电压vm与输入源电压vs之比确定。仿真中，L1固定为100 µm，L2作为变量。图2展示了在不同RL值下，仿真E/O响应曲线的3 dB带宽和过冲（overshoot）随L2的变化关系。仿真结果表明，随着RL的降低，3 dB带宽在更短的L2长度下即达到饱和，同时过冲随L2增加而持续增大。当RL为20 Ω时，由于巨大的过冲，3 dB带宽出现急剧增加。当RL设置为35 Ω时，L2超过200 µm后，饱和3 dB带宽可达约60 GHz，并且在L2小于800 µm时过冲保持在3 dB以下。
随后，研究者固定L2长度为400 µm，针对不同负载电阻值仿真了E/O响应和射频回波损耗（S11），如图3所示。结果显示，20 Ω负载电阻导致了过冲的急剧增加，实现了超过70 GHz的3 dB带宽，但以牺牲低频S11为代价。较高的RL值有助于抑制低频S11，而较低的RL值则由于在约20 GHz处谐振凹陷深度的增加而改善了高频S11。综合仿真结果，35 Ω被视为同时满足大3 dB带宽、适度过冲和低S11的最佳负载电阻值。
2. EML次模块的制备
为了验证仿真分析，研究者制备了集总式EML次模块，如图4(a)所示。该次模块上键合了一个EML芯片、一个长度约3 mm的FPCB以及一个表面贴装器件（Surface-Mountable Device, SMD）型负载电阻。EML芯片在25℃、-2.5 V偏置条件下具有16 dB的静态消光比。考虑到静态消光比与3 dB带宽之间的折衷，EML芯片的EAM长度设计为150 µm。FPCB与EAM之间的键合线长度（l1）约为130 µm。SMD型负载电阻与EAM并联连接，其键合线长度（l2）控制在400至500 µm范围内，以避免过大的过冲，如图4(b)所示。
3. 高频特性测试
使用70 GHz矢量网络分析仪和70 GHz光电探测器（Photodetector, PD）在25℃条件下测量了所制备的集总式EML次模块的E/O响应和S11。测量时，EAM施加的反向偏置电压为-1.5 V，分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser, DFB-LD）的偏置电流为100 mA。图5展示了在四种负载电阻值下测得的E/O响应和S11曲线。实验结果与仿真结果呈现相似的趋势。在35 Ω负载电阻下，即使未对70 GHz PD的光/电响应进行去嵌入处理，也获得了约55 GHz的3 dB带宽。而在50 Ω和65 Ω负载电阻下，3 dB带宽分别下降至约50 GHz和40 GHz，同时低频S11得到改善。特别是使用20 Ω负载电阻时，3 dB带宽超过60 GHz，但低频S11值升高至约6 dB。上述结果表明，通过合理选择负载电阻值以利用LC谐振效应，即使使用EAM长度为150 µm的EML芯片，也可以实现约55 GHz的3 dB带宽和适度的过冲。若对70 GHz PD的O/E响应进行去嵌入处理，预期3 dB带宽可进一步提升至55 GHz以上。
四、主要研究结果与分析
本研究的结果主要集中在仿真预测与实验验证两个方面，且两者之间具有高度的逻辑一致性。
在仿真阶段，研究者通过等效电路模型系统地考察了负载电阻和键合线电感对EML次模块频率响应的共同影响。仿真结果显示，3 dB带宽和过冲随键合线长度L2的变化趋势在不同负载电阻下存在显著差异。较低的负载电阻能够使3 dB带宽在更短的L2长度下达到饱和，但同时也会导致更大的过冲。进一步分析表明，负载电阻的选择需要在带宽、过冲和回波损耗之间进行权衡。35 Ω的负载电阻被确定为最佳选择，因为它能够在较宽的L2范围内提供约60 GHz的饱和3 dB带宽，同时将过冲控制在3 dB以下，并保持较低的S11。
实验阶段的结果与仿真预测高度吻合。在35 Ω负载电阻下，实测3 dB带宽达到约55 GHz，且未对光电探测器响应进行去嵌入校正，这意味着实际带宽更高。这一结果验证了等效电路模型的准确性，也证实了LC谐振效应在扩展集总式EML带宽方面的有效性。与传统的50 Ω负载相比，负载电阻的优化使得3 dB带宽提升了约10 GHz以上。同时，实验结果也揭示了负载电阻对S11的显著影响。20 Ω负载电阻虽然能够提供最大的带宽，但其低频S11恶化至约6 dB，可能对系统级性能产生不利影响。而35 Ω负载电阻在带宽、过冲和回波损耗之间取得了最佳平衡。
值得强调的是，本研究在不缩短EAM长度的情况下实现了带宽的显著提升。传统的集总式EML通常需要将EAM长度缩短至100 µm以下才能获得超过50 GHz的带宽，但这会导致消光比下降。本文使用的EAM长度为150 µm，在保持较高静态消光比（16 dB）的同时，通过电路级的LC谐振优化实现了55 GHz以上的3 dB带宽。这一结果证明了通过封装级和电路级的优化，可以在不牺牲调制器本征性能的前提下提升整个光发射组件的带宽。
五、研究结论与意义
本研究系统地研究了不同负载电阻条件下键合线长度对集总式EML次模块频率响应的影响。通过优化负载电阻和键合线长度，研究者证明，即使使用EAM长度为150 µm的EML芯片，也可以将次模块的3 dB带宽扩展至55 GHz以上。实验结果支持该EML次模块通过LC谐振效应和负载电阻优化实现的带宽增强，能够支持100 Gbaud PAM4操作。
该研究的科学价值在于，它清晰地揭示了集总式EML封装中寄生电感与负载电阻之间的协同作用机制。传统的带宽优化方法通常侧重于芯片设计本身，而本文表明，在不改变芯片设计的情况下，仅通过封装级的参数优化即可实现显著的带宽提升。这为高速光发射组件的设计提供了新的自由度。
在应用价值方面，该研究直接面向800G和1.6T可插拔光模块的需求。通过使用长度较长的EAM，可以获得更高的消光比，从而降低驱动电压和功耗，同时满足100 Gbaud PAM4信号对带宽的要求。这一方案具有结构简单、工艺兼容性好、成本低等优势，有望在下一代数据中心光互连中得到实际应用。
六、研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下几个方面。首先，研究提出了一种电路级与封装级协同优化的方法，通过在等效电路模型中综合考虑键合线电感和负载电阻的影响，实现了带宽与信号完整性之间的最佳平衡。其次，研究通过实验验证了在保持较长EAM长度（150 µm）的前提下实现超过55 GHz带宽的可行性，突破了传统上通过缩短EAM长度来提升带宽的设计范式。第三，研究系统地给出了不同负载电阻条件下的折衷关系，为工程实践提供了明确的设计指导。第四，研究方法中使用的等效电路参数提取流程，将实测S11数据与仿真拟合相结合，具有较好的可重复性和实用性。
七、其他有价值的内容
本文的致谢部分披露了研究的资助来源，包括韩国政府（MSIT）通过信息通信技术规划与评估研究院（IITP）资助的两个项目，项目编号分别为2021-0-00395和2018-0-01632，分别面向800 Gbps光收发模块和下一代单载波400G以上传输器件的开发。此外，韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）与韩国技术振兴院（KIAT）通过韩德联合研发计划（项目编号P0011270）也提供了部分资助。这些信息表明，该研究与韩国在高速光通信领域的国家级战略布局密切相关，具有明确的产业导向。参考文献中列出的相关研究包括IEEE 802.3bs标准、800G Pluggable MSA白皮书、以及多篇来自ECOC和OECC会议的高速EML和EADFB激光器研究论文，反映了该领域的最新进展和研究热点。