ECOC 2025：imec 300mm硅光平台实现C波段110 GHz GeSi EAM，助力高密度400G PAM4突破

在ECOC 2025的Postdeadline session，imec、根特大学首次报道了带宽可达到的110GHz的C波段GeSi EAM调制器晶圆级测试结果，这条路线也是Celestial AI公司所采取的路线。 原文标题为110 GHz GeSi Electroabsorption Modulator on a 300mm SiPh Platform Enabling High-Density 400G/lane IM/DD Links.

在AI训练集群的推动下，短距离、大规模互连正朝着每通道400 Gb/s的目标迈进，同时面临延迟、带宽密度和功耗的严苛约束。对于机柜和集群内的光学强度调制直接检测（IM/DD）链路而言，调制器需具备高带宽、CMOS兼容驱动电压、紧凑尺寸以及大规模制造能力。

为了突出本工作亮点，作者认为当前薄膜铌酸锂（TFLN）虽展现出优异的线性度、低光学损耗和极高带宽，但器件长度较大，且在硅或SiN上的异质集成需求、锂污染隐患使其难以在大规模网络中部署。微环调制器虽能实现极高的线密度（Tb/s/mm或Tb/s/cm），但依赖加热器和控制电路，在能量效率（pJ/bit）提升上面临局限。

而电吸收调制器（EAM）凭借短有源区和低电容，满足了上述约束，实现了驱动友好的操作和与硅光子学的密集集成。其中，锗硅（GeSi）Franz-Keldysh EAM（FK-EAM）在紧凑器件中实现了高速、宽带的C/L波段调制，且无需heater，契合面向大规模fabric的封装/近封装光学需求——在这类场景中色散影响可忽略。之前虽然有＞110GHz带宽的GeSi EAM报道，但其面向L波段，且插损较高。本工作也是首次报道了C波段的高带宽GeSi EAM。

◆ 器件设计与工艺：300mm晶圆上的C波段突破

本次研究在300mm硅光子平台上制备了C波段GeSi FK-EAM。器件采用横向p-i-n二极管设计，以在GeSi波导中产生高电场，其工作机制源于Franz-Keldysh效应：外加电场导致能带倾斜，从而增强材料带边附近的吸收系数。

为实现1550 nm波长附近的C波段调制，Ge中掺入约0.8%的硅。通过选择性沉积GeSi材料到硅上层区域，结合高温退火降低穿通位错密度，再对生长的GeSi层进行化学机械抛光（CMP），最终基于imec的300mm硅光子平台完成调制器制造。仿真显示，在2 V反向偏置下，500 nm宽的GeSi波导中心电场强度达~60 kV/cm。

◆ 晶圆级性能：110 GHz带宽的实测验证

对器件静态性能的测试表明，在1540 nm波长下，平均插入损耗为3.6 dB（标准差0.5 dB）；2 V摆幅下，平均消光比（ER）为3.4 dB（标准差0.6 dB），总的发射机代价(TP＝(P1-P0)/2Pin)为9.3 dB（标准差0.2 dB），展现了300mm晶圆级制造的一致性。

在电光响应（EOE）测试中，通过光波元件分析仪（LCA）在1560 nm波长、-1 V和-2 V偏置下进行测量，结果显示其3dB EOE带宽均超过100 GHz。对23个器件的晶圆级S₂₁滚降@110GHz测试进一步确认，在-1 V偏置下平均滚降约-3 dB，-2 V偏置下约-1.8 dB，带宽突破110 GHz（受限于分析仪量程）。

◆ 传输实验：448 Gb/s PAM-4链路测试

研究团队搭建了PAM-4 IM/DD传输链路以验证器件的400G/lane潜力。调制器通过110 GHz射频探针电连接，由高速任意波形发生器（AWG）直接驱动。采用PRBS15比特序列，映射为4电平信号并经根升余弦（RRC）滤波器脉冲成形，上采样后进行预加重。

光链路中，调制器由7 mW（in-fiber，1560 nm）光功率照射，反向偏置1.1 V。接收端通过100 GHz光电探测器检测，信号经110 GHz采样示波器采集后进行离线数字信号处理（DSP），包括定时恢复、重采样、RRC滤波和均衡。

在200 GBaud、212.5 GBaud和224 GBaud（对应400 Gb/s、425 Gb/s、448 Gb/s）下的眼图测试表明，信号眼图清晰。误码率（BER）测试显示，在400 Gb/s和425 Gb/s时满足6.25%开销硬判决FEC（HD-FEC）阈值；在448 Gb/s时，BER仍处于25%开销软判决FEC（SD-FEC）限制内，链路性能(眼图质量)受限于信号发生器带宽。

与此前的GeSi EAM技术相比，本器件在调制带宽（>110 GHz）和单通道速率（448 Gb/s）上树立了新标杆，同时保持CMOS兼容驱动电压和可晶圆级制造的优势。此前技术多局限于50-67 GHz带宽或≤300 Gb/s操作，而本成果首次实现了C波段GeSi EAM在400G/lane级别IM/DD传输中的突破。

◆ 技术价值：下一代光互连的核心基石

这款在300mm硅光子平台上制造的C波段GeSi FK-EAM，实现了晶圆级超过110 GHz的带宽，并支持高达224 GBaud的PAM-4传输（448 Gb/s）。其独特地结合了超高速（>400 Gb/s IM/DD传输）、晶圆级可制造性和C波段器件特性，为下一代每通道400G的共封装光学（CPO）互连，尤其是大规模组网场景（无需标准化O波段操作）展现了潜力。