Design Considerations for Phase Modulation in Testable Photonic Systems and Co-packaged Optics

技术摘要：可测试光子系统与共封装光学中相位调制的设计考量

问题陈述
随着硅光集成电路（PIC）在高速互连和数据中心领域的复杂度不断提升，由于制造引起的偏差（如波导宽度偏差、折射率不均匀性），确保其功能性变得日益困难。这些偏差会导致相位误差和共振偏移，从而降低系统性能。与电子电路不同，PIC 缺乏成熟的自动化测试方法，且面临光学观测能力有限的问题。虽然已有研究提出使用测试访问点（如 Mach–Zehnder 调制器和微环谐振器）的设计导向测试（DfT）策略，但调制机制的选择会显著影响这些结构的效率、开销和可扩展性。基于载流子的电调制提供高速度，但会产生高功耗和高设计复杂度；而热调制提供精细控制且复杂度较低，但响应速度较慢。因此，需要针对测试信号生成和校准任务评估这些权衡关系。

方法论
本研究对热感应相位调制与基于载流子的电调制在两种主要器件架构（Mach–Zehnder 调制器 (MZM) 和微环调制器 (MRM)）中的设计进行了对比研究与仿真。

• 仿真工具： 器件采用 Ansys Lumerical 工具套件（包括 HEAT、FDE、CHARGE 和 varFDTD 求解器）在绝缘体上硅（SOI）平台（500nm x 220nm 硅器件层）上进行建模。
• 热 MZM 设计： 一个 300µm 长的相位调制臂配备了一个矩形铝微加热器（300µm x 1.1µm x 1µm），放置在波导上方 1µm 处。通过通过扫频加热器功率（1mW–40mW），根据硅的热光系数（$\partial n/\partial T = 1.8 \times 10^{-4} K^{-1}$）计算相位偏移。
• 微环调制器设计： 对周长为 44.42µm 的环形谐振器分别评估了载流子耗尽（反向偏置）和热调谐性能。热调谐利用热光效应动态移动其共振波长。
• DfT 架构集成： 作者提出了特定的 DfT 架构，其中这些热调谐器件作为测试访问点。在基于 MZM 的架构中，热调谐通过产生相位偏移来提取功率，以便与参考信号进行比较。在基于环的架构中，热调谐在正常运行时使环失谐，并在测试模式期间将其调谐至共振状态，以选择性地访问特定的子电路。

关键结果
研究量化了包括消光比（ER）、足迹、电压需求和带宽在内的性能指标：

• Mach–Zehnder 调制器：
  • 热调谐： 与载流子耗尽相比，实现了更高的消光比（29.26 dB vs. 20.3 dB）、显著更小的足迹（0.00306 mm² vs. 0.04301 mm²）以及更低的 $\pi$ 相位偏移电压（0.39V vs. 5.6V）。
  • 速度权衡： 热调谐导致的最高比特率为 30 kbps（15 kHz 带宽），而载流子耗尽支持 80 Gbps（40 GHz 带宽）。
• 微环调制器：
  • 热调谐： 与载流子耗尽相比，表现出更高的调制效率（40 pm/V vs. 4.5 pm/V）和更高的消光比（21.32 dB vs. 18.89 dB）。
  • 品质因子： 由于热泄漏，热调谐导致的品质因子较低（5166.66），而载流子耗减为 7109.69。
• DfT 适用性： 所提出的架构利用热调谐来选择性地激活测试路径（通过 MZM 中的相位偏移或环中的共振对齐），而不会干扰正常电路运行。这使得中心化测试引擎能够以极低的串扰监控局部电路响应。

意义与主张
本文声称，虽然热调制由于响应速度慢而不适用于高速数据传输，但它在硅光系统的测试与校准应用中具有明显的优势。

• 设计指导： 本工作提供了选择调制策略的实用指南，强调对于优先考虑精细相位控制、低功耗和紧凑足迹的测试访问元件，热方法优于其他方法。
• 可扩展性： 通过降低设计复杂度和功耗开销，热调谐调制器能够集成多个测试访问点，满足大规模 DfT 插入的需求。
• 可靠性： 该方法为在制造偏差存在的情况下进行故障定位和信号完整性验证提供了一种稳健的方法，有助于开发“测试感知型”光子设计方法论。
• 未来方向： 作者指出，未来的工作将侧重于开发专门针对这些热调谐调制器的自动测试向量生成（ATPG）算法，以检测参数故障。

论文得出结论，热调谐 MZM 和微环调制器为增强硅光电路的可测试性提供了一种简单、可靠且低开销的解决方案，通过平衡速度、能量和可控性之间的权衡，满足大规模商业部署的需求。