基于协同设计混合集成组件的线性SiGe驱动器对薄膜铌酸锂行波电极马赫-曾德尔调制器的真差分驱动
一、研究概述
本研究由Nokia Bell Labs的研究团队完成，第一作者为Alessandro Aimone，其所属机构为位于德国斯图加特和位于美国新泽西州新普罗维登斯的Nokia Bell Labs。该研究成果发表于2026年光纤通信大会（Optical Fiber Communication Conference，OFC）上，文章编号为M4d.4，由Optica Publishing Group出版。
二、研究背景与目标
随着互联网流量的持续增长，对光通信基础设施提出了日益严苛的要求，特别是光发射机需要具备极高的带宽（bandwidth, BW）并保持优异的功率性能。硅基薄膜铌酸锂（thin-film lithium niobate, TFLN）马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder modulator, MZM）已被证实能够提供超过100 GHz的电光（electro-optic, EO）带宽。然而，由于其普克尔斯电光效应的效率较低，实现如此高的带宽通常需要超过3 V的驱动电压。这一电压值不仅远超互补金属氧化物半导体专用集成电路（CMOS ASIC）的驱动能力，对于磷化铟（InP）和硅锗（SiGe）这类快速集成电路技术而言也极具挑战性。
差分驱动方案因其能够提供更高的电压摆幅、更强的抗电磁和电源噪声干扰能力以及更高的共模抑制比而被广泛采用。但是，由于普克尔斯效应具有电场方向性，传统差分配置（如GS̄GSG或GS̄SG）与TFLN-MZM中常用的三导体行波电极（traveling-wave electrode, TWE）在物理结构上不兼容，强行适配会导致推挽效应的丧失，从而抵消差分驱动的优势。已有研究尝试通过修改TWE结构来解决此问题，但往往以牺牲性能或增加复杂性为代价。本研究的目标在于，另辟蹊径，不单独改造调制器，而是提出一种基于TFLN-MZM与其驱动器集成电路（driver IC）协同设计（codesign）的全新方案，以实现真正的差分推挽驱动，从而在保持高带宽的同时大幅提升调制效率并降低功耗。
三、详细研究方法与工作流程
本研究的工作流程主要包括三个方面：协同设计组件的原理与制备、混合集成组装、以及性能表征实验。
1. 协同设计组件的原理与制备 该方案的核心在于对驱动IC输出级和调制器输入端的协同设计。驱动IC经过定制化修改，产生一种创新的S̄SSS̄输出信号配置，即在四个信号焊盘之间没有接地焊盘。这种设计使得IC的差分输出信号能够直接、无阻碍地加载到调制器的电极上，实现了完整的推挽效应。调制器方面，研究人员在商用多项目晶圆（multi-project wafer, MPW）上流片了定制的C波段I/Q调制器。该调制器基于硅衬底上的350纳米厚度铌酸锂薄膜制造，其行波电极长度为7.5毫米，特征阻抗为50欧姆，并集成了周期性容性负载和片上镍铬（NiCr）终端电阻。每个通道设计有4个焊盘的电气输入，中间两个内侧焊盘共同连接到同一个中心电极，外侧两个焊盘分别连接至两个接地电极。这种输入布局专为与具有差分输出的驱动IC进行直接键合而设计。除了输入端口的特殊设计，TWE的内部结构仍与标准单端驱动型调制器完全相同，这保证了设计的紧凑性和简洁性。该调制器在标准单端信号参考下测得的半波电压（Vπ）为3.26 V，得益于差分推挽驱动，其调制效率加倍，折算后的VπL（半波电压-长度积）低至1.1 Vcm，这是一个非常优异的指标。调制器的3dB电光带宽经测试超过67 GHz（受限于当时的测试设备上限）。
驱动IC采用商业130纳米SiGe双极互补金属氧化物半导体（BiCMOS）工艺制造，其晶体管的特征频率（ft）和最高振荡频率（fmax）分别高达350 GHz和450 GHz。该双通道I/Q驱动器IC的每个通道均可独立控制，包含两级增益级和两级射极跟随器（emitter follower, EF）用于电平搬移和频率响应峰化，总增益可达20 dB。第一级为可变增益放大器（variable gain amplifier, VGA），通过模拟控制电压可提供高达15 dB的增益。为追求最佳的功率效率，输出级采用了开集电极（open-collector, OC）结构，在为50欧姆负载下提供5 dB的固定增益。该输出级被分为两个并联的输出分支，每个分支分别驱动S̄SSS̄配置中的一对差分焊盘。通过对称的版图设计，确保了信号在高频下也能在两个分支间实现良好的匹配。整个驱动IC的直流供电和信号路径一直延伸至TWE，并由片上集成的终端电阻连接至5 V电源。
2. 混合集成组装 为实现紧密集成，研究人员将驱动IC和TFLN-MZM放置于一个铝制基座上，并通过引线键合（wire-bond）至印刷电路板（PCB）以提供直流偏置。PCB上设计有开槽，使得驱动IC能紧贴TFLN调制器放置，并保持两者处于相似高度，从而最大限度地缩短键合引线的长度，以减小高频寄生效应。这种简单但有效的组装方法构成了本研究的物理集成方案。
3. 性能表征实验流程 表征实验分为小信号和大信号两个部分。在小信号测试中，研究人员使用110 GHz的GS̄SG探针直接探测驱动IC的差分输入端，并将其两个信号输入端连接到矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA）的两个端口。调制器的光输出则由一个110 GHz光电探测器捕获，连接至VNA的第三个端口。测试获得了组件的输入反射和电光传输响应。大信号性能则通过一个强度调制/直接检测（intensity-modulation/direct-detection, IM/DD）实验来验证。实验中，一个标准的外腔激光器作为光源，光信号经掺铒光纤放大器（EDFA）放大至23 dBm后输入到集成组件中，以补偿耦合损耗。调制器偏置在正交工作点，驱动IC设置为最大增益。测试信号由一台256 GSa/s的数字模拟转换器（DAC）产生，并通过GS̄SG探针送入驱动器，该信号为经过根升余弦（RRC）脉冲整形的PAM-4和PAM-8符号序列，并进行了数字预加重以补偿发射机的线性频率响应。调制后的光信号经过第二级EDFA放大后，由一个100 GHz带宽的单光电探测器接收，并由256 GSa/s的示波器采集以进行离线数字信号处理（digital signal processing, DSP）。DSP流程包括重采样至2倍符号率，以及运用内嵌数字锁相环的601抽头最小均方误差（least mean squares, LMS）均衡器。
四、主要研究结果与分析
1. 小信号特性 测试得到的组装件差分输入回波损耗在高达110 GHz的频率范围内表现出良好的匹配特性。电光传输响应（S21）显示，在驱动IC设置为中等增益时，组件的3dB带宽约为60 GHz。响应曲线中的波纹是由于片上制作的终端电阻值（35 Ω）略低于设计目标（50 Ω）导致的阻抗不匹配。分析认为，与组件各自的性能潜力相比，当前引线键合组装方式引入了显著的带宽损失，这为未来的封装优化指明了方向。
2. 大信号传输性能 在大信号调制实验中，通过计算接收信号的归一化广义互信息（normalized generalized mutual information, NGMI）来评估传输质量。实验中，符号率从120 Gbd变化至180 Gbd，测试了PAM-4和PAM-8两种调制格式。结果表明，在设定的级联前向纠错（forward error correction, FEC）阈值（NGMI = 0.8714）下，该组件实现了140 Gbd PAM-8的无差错传输，由此计算出的单维度净数据速率高达347 Gb/s。考虑到该总数据速率，IC-MZM组件本身的能耗仅为1.4 pJ/bit（皮焦耳/比特），这一功耗效率显著优于此前报道的其他混合集成方案。此外，对于PAM-4信号，即使在180 Gbd的最高测试速率下，其NGMI值仍远超FEC阈值，这意味着该差分驱动组件极有可能支持更高速率的无误码传输。
五、研究结论与价值
本研究成功展示了一种协同设计的SiGe驱动IC与TFLN-MZM的混合集成组件，首次实现了真正意义上的差分推挽驱动。该方案以最小的设计改动，将TFLN调制器的调制效率提升了一倍，实现了低至1.1 Vcm的VπL值。在实验验证中，该组件以1.4 pJ/bit的极低功耗实现了140 Gbd PAM-8信号的传输，并在180 Gbd PAM-4信号上展现出显著的系统余量。这一成果为利用商业化的半导体技术平台和简单的引线键合组装工艺，实现单波长400 Gbit/s以上的传输速率提供了一条切实可行的路径。该研究的科学价值在于提出了一种新颖的电子-光子协同设计理念，从根本上解决了TFLN平台差分驱动这一物理难题。其应用价值在于，它为下一代大容量、低成本、低功耗的光互连和光传输系统提供了极具竞争力的发射机解决方案。
六、研究亮点
本研究的主要亮点包括：第一，提出并实现了一种新颖的S̄SSS̄输出配置的驱动IC与特殊四焊盘输入调制器的协同设计方案，在不改变TWE内部结构、不增加设计复杂度的前提下，完美实现了TFLN-MZM上真正的推挽式差分驱动。第二，该组件在实现140 Gbd PAM-8高阶调制和大数据速率的同时，仍保持了1.4 pJ/bit的极低能耗，在能效比方面取得了突破性进展。第三，研究指出了未来通过采用更先进的封装技术，如3D倒装芯片（3D flip-chip）集成，有望进一步消除引线键合带来的带宽瓶颈，充分释放硅锗和薄膜铌酸锂两大技术平台的性能潜力，从而实现更高的数据速率。