分段电极设计TFLN调制器实现去DAC的直接数字-光转换技术突破

数字-光转换器（DOCs）可直接将数字电信号转换为模拟光信号，在电光调制系统中省去数模转换器（DAC），是实现高能效光通信的核心技术。针对传统DOCs中非线性效应导致的符号错误率（SER）升高、光功率效率下降及带宽受限问题，本文提出分段电极长度设计（ESL）技术，通过优化调制电极分段结构，在积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）、符号错误率及光功率利用率等关键指标上实现突破性提升。

      实验表明，基于异质集成硅CMOS IC与薄膜铌酸锂（TFLN）调制器的ESL-DOC器件，将均方根（RMS）INL从1.04最低有效位（LSB）降至0.14 LSB，RMS DNL从0.42 LSB降至0.10 LSB；在相同SER条件下光功率需求降低5 dB，相同光功率下SER改善达10个数量级。

      本工作在2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits会议上发表，题目为Digital-to-Optical Converters (DOCs) with Improved Nonlinearity

for Energy-Efficient Optical Data Transmission，第一发表单位为哈佛大学的Marko Loncar研究组。

1. 引言：光通信技术的演进与瓶颈

1.1 高速光通信的技术挑战

      随着数据中心流量以年均40%的速率增长，1.6T及更高带宽光模块的研发已成为业界焦点。传统电光发射机依赖DAC将数字信号转换为模拟电压驱动MZM，但DAC的功耗密度和带宽限制正逐渐成为系统性能的主要制约，且模拟链路的相位噪声会导致眼图闭合，限制传输距离。

1.2 数字-光转换技术的革新与挑战

      数字光转换器（DOCs）通过电极分段技术实现数字驱动的光调制，从架构上规避DAC需求。其核心原理是将调制电极分割为独立分段，各分段由二进制电压（VDD/VSS）驱动，输出光功率由激活分段的总长度决定。

       这种方案在TFLN等平台上已实现25Gbaud以上调制速率，但MZM固有的光功率-电压正弦传递函数，导致传统均匀分段或二进制加权分段DOCs存在严重的非线性失真。实验数据表明，4位二进制加权DOC的积分非线性（INL）可达1.04 LSB，导致相邻符号功率间隔偏差超过70%，直接影响长距离通信的误码性能。

2. DOC电路工作原理与非线性机制

2.1 MZM调制的三种技术路线对比

      图1展示了模拟驱动、二进制加权分段与分段电极长度设计（ESL）的本质差异：

- 模拟驱动：依赖DAC生成连续电压调节相位，典型半波电压（Vπ）为3-5V，需复杂阻抗匹配网络；

- 二进制加权分段：采用2ⁿ比例的电极长度组合，光功率与数字码呈正弦关系，在码0与码15处功率间隔仅为中间码的1/5；

- ESL技术：通过非均匀分段长度设计，使光功率与数字码呈线性映射，相邻符号功率间隔误差<2%。

      电极分段技术的本质是将相位调制从电压维度转换为长度维度，允许使用标准CMOS数字驱动器替代模拟电路。

2.2 非线性失真的物理建模

      在传统分段方案中，光功率传输函数可表示为：

 P(Leff) = P0×cos²(π×Leff/Lπ)

其中  Leff 为激活电极总长度， Lπ  为半波长相位调制长度。当采用均匀分段时， Leff = n × △L （n为激活分段数），此时功率-码值曲线的二阶导数在n=0和n=15处达到峰值，导致微分非线性（DNL）恶化。实测数据显示，4位均匀分段DOC在n=0时的DNL为+0.42 LSB，在n=15时为-0.38 LSB，这种非对称失真会显著增加接收机均衡难度。

3. 分段长度设计（ESL）的技术实现

3.1 电极分段的逆向设计算法

      ESL技术的核心是基于功率线性化目标的分段长度求解：

1. 定义目标功率间隔  △P = (Pmax-Pmin)/15

2. 对第i个数字码，求解有效长度：

 Li＝Lπ/π×arccos(sqrt(1-i×△P/P0))

3. 分段长度序列通过递推得到： Si = Li - L(i-1)

      以4位ESL-DOC为例，16个分段长度呈非线性递减，首段长度为0.21 Lπ，末段为0.03 Lπ ，确保任意相邻码的功率差恒定为6.67%（图2）。这种设计将功率传输函数的二阶导数控制在0.05 LSB以内，从根本上抑制非线性失真。

3.2 异质集成实现方案

      ESL-DOC采用TFLN与硅CMOS IC的异质集成架构：

- TFLN光子芯片：采用5μm宽脊形波导，电极采用Ti/Au双层结构（厚度200nm/800nm），分段间距优化为50μm以平衡寄生电容（<1pF）与调制效率；

- CMOS驱动芯片：基于ASAP7 PDK 7nm工艺，采用三级反相器链结构，单通道驱动能力达25GHz，输出摆幅0.7V，上升/下降时间分别为12.7ps/11.0ps。

      该方案利用TFLN的高电光系数（r33=30.9pm/V）实现低电压调制，同时通过CMOS数字电路保证时序精度（抖动<1ps）。

4. 实验验证与性能分析

4.1 高精度测试系统构建

      实验采用闭环测试架构（图3）：

- 光源模块：Santec TSL-510可调谐激光器（线宽<100kHz），输出功率10dBm；

- 驱动链路：X-FAB 180nm定制驱动芯片(1GHz)，支持48通道独立控制，通过探针卡与TFLN芯片互联；

- 检测系统：Thorlabs PDB410C高速光电二极管（带宽40GHz）配合Keysight 90000Q示波器（采样率80GSa/s）采集符号数据。

4.2 非线性指标的量化分析

      通过10⁶次符号采样统计，ESL-DOC的关键非线性指标实现突破性改善：

- 积分非线性（INL）：均方根值从1.04 LSB降至0.14 LSB，最大偏差<0.2 LSB；

- 微分非线性（DNL）：均方根值从0.42 LSB降至0.10 LSB，相邻码功率步长误差<1.5%。

      图5显示，ESL-DOC的功率传输曲线与理想直线的吻合度超过99.5%，而传统二进制加权DOC在码0和码15处的偏差超过1 LSB，呈现明显的"正弦波"畸变。

4.3 误码性能与光功率效率

       在加性高斯白噪声信道模型下（SNR每比特15dB），ESL-DOC的SER达2.08×10⁻¹⁶，较二进制加权DOC的2.22×10⁻²改善14个数量级。图7的对比实验表明：

- 实现10⁻¹²的SER时，ESL-DOC仅需10dB光功率，较传统方案降低5dB；

- 相同光功率（15dB）条件下，ESL-DOC的误码率比二进制DOC低10¹⁰倍。

      这种性能提升源于ESL技术将符号功率间隔从非均匀的2.3%-12.7%优化为均匀的6.67%，使接收机的判决阈值设计难度大幅降低。

4.4 混合策略（BESL）性能

      从高比特二进制DOC中剔除不良码的BESL策略可部分改善非线性：BESL-16（64）的RMS INL为0.18 LSBs，RMS DNL为0.09 LSBs，SER为5.82×10⁻¹³，但需64个驱动引脚，性能仍落后于ESL约2个数量级。

5. 高速驱动与系统集成

5.1 25 GHz调制仿真验证

      ASAP7 PDK仿真显示，7nm CMOS反相器链可驱动ESL-DOC实现25 GHz调制，上升/下降时间12.7 ps/11.0 ps。8通道波分复用（WDM）下，单通道25 Gbaud PAM16调制可实现800 Gbps数据率，SNR每比特15 dB时SER为20.8×10⁻¹⁶。

5.2 异质集成芯片的工程实现

      实际制备的TFLN光子芯片包含6组ESL-DOC与6组二进制加权DOC，单个ESL-DOC的物理尺寸为5mm×2mm，分段电极宽度2.4μm，间隔5μm。CMOS驱动芯片采用XFAB 180nm工艺制备，集成48通道驱动器，支持1GHz数据率和5V电压输出，通过SPI接口实现驱动电压的动态调节（精度0.01V）。

6. 结论与技术展望

      本文提出的分段长度工程化设计（ESL）技术，通过非均匀电极分段实现数字光转换器的线性化调制，在TFLN平台上实现了INL/DNL指标的7.4/4.2倍改善，光功率效率提升5dB。该技术突破了传统DOCs的非线性瓶颈，为更高带宽光通信提供了可行方案。