本研究由清华大学电子工程系、北京国家信息科学技术研究中心（BNRIST）的Shuhan Yang、Changzheng Sun、Bing Xiong、Jian Wang、Zhibiao Hao、Yanjun Han、Lai Wang、Hongtao Li、Jiadong Yu、Yi Luo以及日本东京大学综合光子实验室的Yoshiaki Nakano共同完成。其中Changzheng Sun为通讯作者。该研究发表于IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics第28卷第1期（2022年1月/2月），文章编号1500507，题为“Gain-Coupled 4×56 Gb/s EML Array With Optimized Bonding-Wire Inductance”。
本文属于单篇原创研究型论文，报道了基于相同外延层（IEL）集成方案实现的增益耦合4×56 Gb/s电吸收调制激光器（EML）阵列，通过优化键合线电感扩展调制带宽的研究工作。
在宽带光通信与数据中心互连的背景下，流量需求的指数级增长推动了以太网数据速率由100 Gb/s向400 Gb/s演进。为满足基于4×100 Gb/s架构的400 GbE对56 Gb/s调制速率的硬件需求，光源调制带宽需超过40 GHz。相较直接调制激光器（DML），电吸收调制激光器（EML）具有更高的消光比、更平坦的频率响应和更低的频率啁啾，更适合400 GbE系统。然而，传统集总电极EML的调制带宽受限于电吸收调制器（EA调制器）的结电容，且键合线带来的寄生电感通常会进一步劣化频率响应。已有研究多采用倒装焊（flip-chip）互连替代键合线以抑制寄生电感，但该方法工艺复杂。本研究的核心目标是探索是否能够反其道而行之，将键合线寄生电感加以利用，通过调整键合线长度实现电感对EA调制器电容的补偿，从而在不采用倒装焊的前提下拓展EML的调制带宽并降低微波反射。
研究围绕基于IEL集成方案的EML阵列展开。器件结构上，DFB激光器段与EA调制器段采用同一多量子阱（MQW）有源层，MQW包括六个压应变量子阱，光致发光峰值波长约为1265 nm，对应1310 nm发射波长约45 nm的失谐量。为提升单模成品率和抗外部光反馈能力，在DFB段引入了n-InGaAsP吸收光栅层以引入增益耦合机制。DFB激光器段长度为350 μm，EA调制器段长度为100 μm，中间由50 μm隔离区隔开。EA调制器段采用深刻蚀脊波导直达n-InP衬底，以降低p-n结电容并增强光限制，从而提高调制带宽和消光比。为便于直接射频探针测试并降低电极寄生电容，在EA调制器端集成了片上共面波导（CPW）电极，采用地-信号-地（GSG）接触结构，信号线制作在厚BCB层上。
研究流程可分为三个主要阶段。第一阶段是EA调制器电路参数提取。传统方法通常通过拟合电光响应（E/O响应）获取电路参数，但该过程需要光电探测器响应的复杂校准，且仅利用幅值信息而忽略相位信息，拟合精度受限。本研究利用片上GSG接触结构，通过矢量网络分析仪（VNA）对器件进行直接射频探针测量，对S11数据拟合提取本征电路参数。等效电路模型中，Rj与Cj分别表示p-n结电阻与电容，Rs为器件串联电阻，Cp为EA调制器寄生电容，Lc与Cc为片上CPW电极的寄生电感和电容。初始值方面，Lc和Cc通过对同一InP衬底上的CPW测试传输线测量获得；Cj、Cp和Rs的初值则在假设Rj无穷大的条件下由S11测量数据提取；Rj的初值由低频S11数据确定。拟合结果与实测S11数据吻合良好，据此得到的电路参数可进一步用于预测调制响应。
第二阶段是键合线电感对调制带宽影响的理论与实验研究。研究比较了两种阻抗匹配配置。在第一种配置（type I）中，匹配电阻直接制作在微波馈线端，由两个100 Ω薄膜电阻并联形成50 Ω匹配电阻，通过键合线连接EA调制器。仿真结果表明，键合线电感增大时，E/O响应出现由LCR电路谐振引起的峰值，但电感过大时会因过补偿导致带宽下降，因此存在最优电感值；同时该配置下的微波反射S11较高，且随电感增大而恶化。在第二种配置（type II）中，50 Ω分立电阻通过独立键合线连接EA调制器，其中L1为微波馈线与EA调制器之间的键合电感，L2为EA调制器与匹配电阻之间的键合电感。仿真发现调制响应主要取决于L2。随着L2增大，带宽单调增加并最终趋于饱和；更重要的是，通过调节L2的数值，可在宽频率范围内使S11低于-10 dB。这一差异的物理原因在于：type I中L1与EA调制器串联，电感对器件阻抗虚部的抵消导致近似短路的阻抗状态，因而反射较大；而type II中L2与EA调制器并联，电感对器件导纳虚部的抵消在S11曲线上表现为谐振下降，从而可实现同时兼顾宽带宽与低反射。实验采用直径25 μm的金键合线（寄生电感约1 nH/mm）。对type I配置的实测结果表明，随着键合线长度增加，EML的3 dB带宽先增大后减小，与仿真结果一致，但20 GHz以上S11高于-10 dB。对type II配置的实测结果显示，当馈线键合线长度固定为100 μm时，通过调整连接匹配电阻的键合线长度，可获得超过40 GHz的调制带宽，同时在测量频率范围内S11低于-10 dB。
第三阶段是4×56 Gb/s EML阵列的实现与NRZ调制传输验证。EML阵列通道间隔约400 GHz，采用type II匹配配置并优化键合线长度后，各通道均确认了超过40 GHz的调制带宽。眼图测试中，EA调制器偏置电压设为约-1.9 V以获得50%交叉点，采用231-1伪随机非归零（NRZ）比特序列进行56 Gb/s大信号调制，电压摆幅Vpp为3 V。光电转换采用带宽50 GHz的高速光电探测器（u2t XPDV2120R），信号经微波放大器（SHF 804EA）后接入示波器。背靠背（BTB）条件下四个通道的眼图均清晰张开，表明EML阵列的带宽对56 Gb/s调制足够充裕。经10 km单模光纤（SMF）传输后眼图张开度有所退化，这主要归因于EML阵列输出功率有限。通过IEL集成方案单片集成半导体光放大器（SOA）可提高输出光功率，且该方案易于实现。
研究结论方面，本文确认了通过优化键合线电感可将增益耦合EML的调制带宽拓展至40 GHz以上，其机理在于键合线电感对EA调制器电容的补偿作用。基于该带宽增强方法，成功实现了4×56 Gb/s EML阵列在56 Gb/s NRZ调制下的清晰眼图张开。此外，为了解决实际封装中精确调节键合线长度的难题，作者提出了一种具有可控电感的倒装焊互连方案，在互连板上集成一段短的高阻抗传输线作为等效集总电感，通过调整传输线尺寸精确控制电感量，从而有望实现高再现性的高速集总电极EML制造，并降低模块间性能差异。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面。第一，颠覆了传统上对键合线寄生电感的负面认知，提出并验证了利用寄生电感进行电感峰化以扩展EML调制带宽的新策略。第二，与以往通过拟合E/O响应提取电路参数的方法不同，本研究利用片上GSG结构直接射频探针测量S11数据提取本征电路参数，避免了光电探测器响应校准引入的误差，提高了参数提取的准确性和可靠性。第三，通过理论分析和实验对比，揭示了两种阻抗匹配配置下键合线电感对微波反射行为影响的物理机制，明确了并联电感补偿在实现低反射和宽带宽方面的优势。第四，提出的带可控电感的倒装焊互连板方案为高速集总电极EML的大规模生产和性能一致性提供了可行的技术路径。该研究为面向400 GbE的4×56 Gb/s光发射芯片提供了一种低成本、高性能的封装与带宽拓展方案，在数据中心光互连领域具有重要的应用价值。