本研究由韩国电子通信研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute, ETRI）光子/无线器件研究部的Seok-Jun Yun、Young-Tak Han、Dong-Hoon Lee、Dong-Hyo Lee、Jang-Uk Shin、Sang-Ho Park、Yongsoon Baek以及韩国科学技术院（KAIST）电气工程学院的Hoon Kim共同完成。论文发表于《Journal of Lightwave Technology》2025年9月1日第43卷第17期，页码8050至8057。该研究提出了一种基于电阻优化LC谐振效应的集总电极电吸收调制激光器（lumped-electrode electro-absorption modulator-integrated laser, lumped-EML）子模块，成功实现了在25至70 °C宽温度范围内的112-Gbaud PAM4（四电平脉冲幅度调制）信号传输。
随着物联网、云服务、流媒体以及生成式人工智能应用的爆发式增长，数据中心内部互连对传输容量的需求急剧上升。IEEE 802.3df任务组正在制定1.6-Tbps以太网标准，要求单通道支持106.25-GBd PAM4信号在单模光纤上传输10 km以内。为实现如此高的单通道速率，光调制器需要具备超过65 GHz的调制带宽。在众多候选方案中，EML因其高速性能、低啁啾特性和低驱动电压而备受关注。然而，集总电极EML的调制带宽主要受限于电阻-电容（RC）时间常数，缩短电吸收调制器（electro-absorption modulator, EAM）区长度可以降低结电容，但会导致动态消光比（extinction ratio, ER）下降。为此，研究者通常采用键合线电感与EAM结电容形成的LC谐振效应来扩展带宽，但匹配负载电阻的取值对频率响应和过冲幅度有显著影响。该研究的目标是通过等效电路分析确定最优匹配负载电阻值，在保持中等过冲的前提下，使集总电极EML子模块的3-dB带宽超过70 GHz，并验证其在112-Gbaud PAM4调制下的传输性能。
研究的第一部分为等效电路建模与仿真分析。研究者建立了包含EAM区段和柔性印刷电路板（flexible printed circuit board, FPCB）的集总元件等效电路模型。EAM区段由串联电阻Rs、结电容Cj、结电阻Rj、焊盘寄生电容Cp以及光电流等效电阻Rpho组成。键合线L1连接FPCB与EAM，L2连接EAM与匹配负载电阻Rm，L3连接Rm至地。电路参数通过直接测量和S11曲线拟合提取，其中45 °C和70 °C下的结电容和光电流电阻值列于表I。研究者利用三维有限元电磁仿真器获取FPCB的S参数，并将其与EAM区段级联，得到整体电/光（E/O）响应表达式。通过仿真不同Rm和键合线长度（L2+L3）组合下的3-dB带宽和过冲幅度，发现较小的Rm值有利于获得更高带宽，但会伴随过大的过冲，可能引起大信号下的波形失真。结合45 °C和70 °C两个温度下的仿真结果，研究者选择了45 Ω的匹配负载电阻，该值在保证3-dB带宽超过70 GHz的同时，将过冲控制在约3 dB以内，且能维持足够的调制效率。与先前研究相比，本研究中EAM长度从150 μm缩短至120 μm，结电容降低，最优匹配负载电阻值相应提高。此外，研究者从电路角度解释了低阻抗匹配实现带宽增强的机制：降低Rm会抑制低频区的结电压增益，而对高频区结电压影响较小，因此归一化传递函数的高频部分相对抬升，等效于高频预加重。
研究的第二部分为集总电极EML子模块的制备与静态特性测试。该子模块由一个集总电极EML芯片、3 mm长FPCB和表面贴装型匹配负载电阻组成，所有元件均通过芯片键合方式固定在硅基座上。硅基座具有金属化表面和约143 W/mK的高热导率，可提供参考地平面并有效散热。EML芯片的EAM区采用深脊波导结构，并在EAM焊盘下方形成苯并环丁烯（benzo-cyclobutene, BCB）介质层以降低寄生电容。EAM长度为120 μm，在降低结电容的同时保持较高静态消光比。FPCB与EAM之间的键合线L1约为100 μm，EAM与匹配负载电阻之间的键合线L2约为350 μm。根据仿真结果，实际选用的匹配负载电阻约为43 Ω。静态测试结果表明，在100 mA分布反馈激光器（distributed feedback laser, DFB-LD）偏置电流下，25 °C、45 °C和70 °C时的输出功率分别为18 mW、14 mW和6 mW。在-2 V EAM偏置电压下，25至75 °C范围内的静态消光比均超过15 dB。激光波长随温度从25 °C的1294 nm变化至70 °C的1297.8 nm，边模抑制比（side mode suppression ratio, SMSR）大于45 dB，表现出稳定的单模工作特性。
研究的第三部分为高速小信号特性测试。研究者使用70 GHz矢量网络分析仪和100 GHz光电探测器测量了子模块的E/O响应和S11曲线，并对光电探测器的响应进行了去嵌入处理。在25至70 °C温度范围内，通过调节EAM偏置电压（从-1.2 V至-0.7 V），实现了超过70 GHz的3-dB带宽，过冲幅度小于1.8 dB。仿真曲线与实测曲线吻合良好，25 °C、45 °C和70 °C下估算的3-dB带宽分别约为100 GHz、90 GHz和74 GHz。S11特性在70 °C时低频区明显改善，这归因于该温度下更高的Rpho值提供了更好的阻抗匹配。
研究的第四部分为112-Gbaud PAM4大信号调制与传输实验。实验装置包括256 GSa/s任意波形发生器、66 GHz带宽线性射频放大器、偏置Tee、GSG射频探针、热电冷却器（thermo-electric cooler, TEC）以及65 GHz光/电模块采样示波器。放大器输出峰峰值电压调整为1.0至1.2 Vpp，AWG与射频探针之间级联器件的频率响应被去嵌入。在背靠背和2 km单模光纤传输条件下，25 °C、45 °C和70 °C时的EAM偏置电压分别设置为-1.3 V、-1.0 V和-0.6 V，DFB-LD偏置电流固定为100 mA。经过21抽头均衡器和TDECQ（发射机色散眼图闭合四进制）均衡处理后，所有温度条件下均获得清晰的眼图张开，外消光比大于3.5 dB，TDECQ值小于2.2 dB。2 km传输后TDECQ值略有改善，这归因于EAM的正啁啾参数与单模光纤负色散之间的相互作用。此外，TDECQ值低于2.5 dB表明子模块的相对强度噪声等噪声特性处于可接受水平。
该研究的结论是，通过电阻优化LC谐振效应，集总电极EML子模块可以在25至70 °C宽温度范围内实现超过70 GHz的3-dB E/O带宽，并在2 km单模光纤传输后以低于2.2 dB的TDECQ值完成112-Gbaud PAM4传输。这一结果表明，即使EAM长度为120 μm这一中等长度，只要合理设计匹配负载电阻和键合线长度，集总电极EML的调制性能即可支持单通道224-Gbps PAM4传输。该方法为800-Gbps和1.6-Tbps光模块提供了一种低成本、易封装的可行方案，同时避免了行波电极结构的复杂工艺。
本研究的亮点在于：第一，通过等效电路分析系统地揭示了匹配负载电阻对带宽和过冲之间的折衷关系，并给出了针对宽温度范围的最优电阻选择策略；第二，在中等EAM长度下实现了超过70 GHz的调制带宽，兼顾了消光比和带宽之间的矛盾；第三，采用表面贴装型接地-信号-接地（ground-signal-ground, GSG）结构匹配电阻，实现了紧凑封装和对称电场终止；第四，在25至70 °C宽温度范围内验证了112-Gbaud PAM4传输性能，证明该方案具有实际部署潜力。此外，研究中关于高温下结电容增大机制的讨论——光生载流子堆积导致内电场屏蔽和耗尽区宽度减小——为理解EML温度特性提供了有价值的物理解释。