本研究由 James Arthur Hillier (通讯作者)、Arezou Meighan、Qian Hu、Haoshuo Chen、Weiming Yao、Rainier van Dommele、Luc Augustin、Michael Wale 及 Kevin Williams 共同完成。研究团队主要来自荷兰埃因霍温理工大学埃因霍温亨德里克·卡西米尔研究所（Eindhoven Hendrik Casimir Institute, Eindhoven University of Technology），合作单位包括美国诺基亚贝尔实验室（Nokia Bell Labs）、荷兰 Smart Photonics 公司以及英国伦敦大学学院电子与电气工程系（University College London）。该研究成果以论文形式发表于期刊《Optics Express》第33卷第7期，出版日期为2025年4月7日。
该研究属于磷化铟（InP）光子集成电路领域，聚焦于高速电光调制器的设计与性能提升。研究的学术背景在于，随着数据中心互联和电信领域数据流量的爆炸式增长，对高性能、高带宽电光调制器的需求日益迫切。InP基光子集成平台因其能够单片集成激光器、调制器、放大器和光电探测器等关键组件而具备独特优势，是实现高容量、高能效光通信系统的关键。然而，现有的InP基马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator, MZM）在带宽和效率方面仍有待提升，以满足下一代太比特级（multi-Tb/s）光通信系统的要求。传统上，此类调制器多采用共面波导（Co-Planar Waveguide, CPW）电极设计，但在通用的JEPPIX InP平台（一种多项目晶圆代工平台）上，CPW-MZM存在特征阻抗较低（约30 Ω）及微波折射率与波导群折射率失配等问题，限制了其带宽性能。共面带状线（Co-Planar Stripline, CPS）电极设计因其在实现高特征阻抗和良好速度匹配方面的潜力而受到关注。本研究旨在通过系统性地探索CPS-MZM在JEPPIX通用InP平台上的设计空间，开发并验证一个能够快速、全面优化器件性能的等效电路模型，并最终实现创纪录的高数据传输速率（320 Gbit/s）和预测的超高电光带宽。
本研究的工作流程包含多个相互关联的步骤，涵盖了模型开发、器件设计、流片制造、性能表征和优化预测。
首先，研究团队开发并验证了一个半解析半经验的等效电路模型。 该模型旨在克服传统全波电磁仿真（如半解析法或有限差分法）计算量大、不利于大规模设计空间探索的缺点，同时也避免了对测量结果进行参数拟合的纯经验模型的局限性。该模型的创新之处在于其非迭代性和空间分辨率特性，能够直接从物理尺寸和可测量的材料特性（如表层厚度、掺杂浓度、器件几何参数）出发，解析地推导出传输线的集总元件参数（电感、电阻、电导、电容）。模型全面考虑了多种物理效应的影响，包括掺杂对载流子迁移率和层电导率的影响、器件设计对微波速度的影响、偏置电压对耗尽层宽度和场重叠积分的影响、温度对本征层电导率的影响以及非平面电极的影响。模型的输入参数基于实际制造芯片的规格（参见论文表1）。通过基尔霍夫定律，复杂的横截面等效电路可以简化为标准的传输线模型，从而计算出调制器的特征阻抗（Z0）、微波传播常数（γμ）和微波群折射率（nμ）。这一模型是实现快速、全参数设计空间探索的核心工具。
其次，基于上述模型，研究人员设计并制造了一系列具有不同几何参数的CPS-MZM器件以进行验证。 器件在Smart Photonics公司的通用InP平台上制造，采用了半绝缘衬底和特定的多量子阱（MQW）调制器层堆叠。为了系统地研究几何参数的影响，研究团队在一个4.6 mm x 4.0 mm的芯片上制造了包含22个器件的阵列。这些器件的关键几何设计变量——波导宽度（wwvg）、信号线宽度（wsig）和信号线间距（ws2s）——在一个宽范围内变化（参见论文表2），涵盖了模型预测的不同性能区域。每个设计变量组合下制造了电极长度分别为1 mm和2 mm的器件。器件结构包括输入/输出的多模干涉仪（MMI）、直流相位调谐器和CPS相位调制电极（论文图1©和(d)）。
第三，对制造好的器件进行了全面的性能表征。 这包括静态光学性能和动态射频/电光性能测试。静态性能测试通过扫描反向偏置电压（0-15 V），测量了调制器的半波电压（Vπ）和静态消光比（ER）。研究发现，由于电光效率的二次项效应以及耗尽区随电压增大导致的光电场重叠增加，Vπ和ER随偏置电压点（正交点）的不同而变化，呈现出多个性能折衷点。例如，对于“优化”器件（wwvg=0.8μm, wsig=10μm, ws2s=7μm），1 mm长器件在6V偏置时Vπ为11.9V（VπL乘积为1.19 V·cm），而在13.4V偏置时Vπ降至3.1V，但消光比从20.1 dB降至17.0 dB（论文图2）。动态性能方面，使用矢量网络分析仪（VNA）在1.7至110 GHz频率范围内进行了小信号S参数（S21， S11）测量，以提取器件的电-电（EE）带宽和输入阻抗等参数。所有测量均在无直流偏置条件下进行，以验证模型在零偏压下的预测能力。随后，为了展示器件的实际高速调制能力，研究团队使用最好的器件进行了大信号电光性能实验。他们生成了符号率（Baud Rate）从96到200 Gbaud的OOK（开关键控）、PAM-4（4级脉冲幅度调制）和PAM-8信号，并采用数字信号处理（DSP）和后均衡技术来提取误码率（BER）和信噪比（SNR）。
最后，利用已验证的等效电路模型进行设计优化与性能预测。 研究团队以最大化电光（EO）带宽为目标，对几何参数进行了迭代优化，约束条件为源/负载阻抗50 Ω和光学群折射率3.7。优化过程预测了在特定几何尺寸（wwvg=0.6μm, wsig=3.8μm, ws2s=3.6μm等）和10V反向偏压下，1 mm长电极的CPS-MZM可实现约120 GHz的电光带宽（论文图6）。优化后的尺寸虽然略小于当前制造器件的设计规则下限，但根据JEPPIX路线图和技术发展，被认为是未来可实现的。
本研究取得了多项重要结果，各环节结果相互支撑，最终指向了高性能CPS-MZM的实现和优化路径。
在模型验证与器件表征方面，测量结果与等效电路模型的预测在高达约80 GHz的频率范围内表现出良好的一致性（论文图3和图4）。这证实了该模型能够准确预测不同几何参数（波导宽度、信号线宽度、信号线间距）对器件性能（如EE带宽和群延迟）的影响趋势。例如，模型和实验均表明，减小波导宽度（wwvg）可以增加EE带宽，这主要归因于减小了光学模式所在耗尽区两侧的有效电容板面积，从而降低了RC时间常数。同样，改变信号线宽度（wsig）会通过影响传输线电感、电极阻抗以及与底部n层的电容等多个相互竞争的机制来影响带宽，模型成功预测了带宽峰值出现在wsig约为7 μm附近（论文图4(b)）。对于性能最佳的实测器件（wwvg=0.8 μm, wsig=10 μm, ws2s=7 μm，电极长1 mm），其无偏置下的EE带宽达到80 ± 8 GHz，这与当前InP平台上的先进水平相当。
在大信号调制性能方面，研究取得了突破性成果。 使用上述最佳器件（电极长2 mm的版本，因其具有更优的有效消光比），在2.7 V峰峰值驱动电压和约13 V反向偏压（以最大化消光比）的条件下，成功实现了高速数据调制。实验结果显示：采用OOK调制时，在160 Gbaud符号率下未检测到误码；采用PAM-4调制时，误码率在高达160 Gbaud符号率下仍低于硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值（通常对应约3.8e-3的BER）。160 Gbaud的PAM-4调制对应的净比特率为256 Gbit/s（前向纠错后），线路速率达到320 Gbit/s（论文图5）。这充分证明了所研制的CPS-MZM在JEPPIX通用InP平台上能够支持极高速度的数据传输。
在设计优化预测方面，模型展现了强大的指导能力。 通过参数优化，模型预测出在更极端的几何尺寸（如更窄的波导和电极）和施加反向偏压的条件下，可以将EO带宽从实测的约90 GHz（由EE带宽推算）大幅提升至约120 GHz（论文图6(d)）。优化设计不仅改善了阻抗匹配（使特征阻抗更接近50 Ω），还通过几何调整和偏压应用改善了微波与光信号的速度匹配，并降低了传输线的阻抗、电感和电容。
本研究的主要结论是：成功在通用InP光子集成平台上设计、制造并表征了高性能的共面带状线马赫-曾德尔调制器。研究开发并实验验证了一个高效的等效电路模型，该模型能够基于物理参数快速、全面地探索设计空间，并揭示几何参数影响器件性能的内在物理机制。利用该模型指导设计的CPS-MZM器件，在实测中实现了高达80 GHz的EE带宽，并支持了320 Gbit/s的线路速率（160 Gbaud PAM-4）传输，且误码率满足HD-FEC要求。模型进一步预测，通过几何尺寸和偏压优化，EO带宽可提升至约120 GHz。这标志着CPS-MZM设计相较于同一平台上的传统CPW-MZM设计，在电光带宽和数据调制能力上取得了显著进步。
本研究的科学价值在于：1）方法学创新：提出了一个物理机制清晰、计算高效的等效电路建模方法，为复杂光子器件的系统性设计和优化提供了有力工具，特别是其将物理参数直接映射到性能指标的能力，有助于深入理解器件工作原理。2）性能突破：在通用的、非定制的InP代工平台上实现了创纪录的320 Gbit/s数据传输速率和预测的120 GHz带宽潜力，展示了该平台用于下一代高速光互连应用的可行性。3）设计指导：详细阐明了CPS-MZM关键几何参数（波导宽度、电极宽度与间距）对带宽、阻抗等性能指标的影响规律与物理机理，为未来器件的进一步优化提供了明确的设计准则。其应用价值体现在为数据中心互联和电信网络等需要超高带宽和能效的场景，提供了一种基于通用集成平台的高性能、可大规模生产的调制器解决方案，促进了InP光子集成电路技术的实用化发展。
本研究的亮点包括：1）高性能验证：在通用平台上实现了320 Gbit/s的PAM-4传输，这是该平台公开报道的最高速率之一。2）模型的有效性与指导性：所开发的等效电路模型不仅与实验数据吻合良好，更成功用于预测远超当前实验条件的优化性能（120 GHz EO带宽），展示了强大的设计预测能力。3）系统性的设计空间探索：通过制造覆盖多个关键几何参数的器件阵列，结合模型分析，系统性地揭示了性能与设计变量之间的关系，而非仅报告单个最优结果。4）关注实际应用：研究不仅关注小信号带宽，还进行了大信号传输实验，验证了器件在实际通信系统中的工作能力，并从模型角度探讨了偏置电压对性能（如带宽提升）的影响，具有工程指导意义。