IEEE SiPhotonics2024|校准热控制器以最大化微环调制器中的光调制幅度

摘要

微环调制器损耗低、占地面积小，是高速光互连的理想解决方案。然而，这些器件对温度和工艺变化非常敏感，会严重影响其性能，尤其是光调制幅度（OMA）。于是，最大限度地提高 OMA 对于实现可靠、高效的数据传输非常重要。在本文中，我们将探讨 Zabihpour 等人提出的新型校准技术，可解决工艺变化带来的挑战，并确保最大 OMA，而无需依赖高速电路或模拟。

简介

最大化 OMA 的传统方法通常依赖模拟和模型来确定热控制单元 （TCU） 的最佳锁定点。然而，这些方法容易受到工艺变化的影响，导致良率和性能降低。图 1（b）说明了在两种不同的 TCU 配置下，工艺变化对不同目标 OMA 预期良率的影响：Drop端口法和Through端口法。

图 1：（a）两种不同的 TCU 结构（b）针对（a）中两种设置的固定平均功率比和最大 OMA 的 Monte-Carlo 仿真。零 OMA 意味着锁定失败。

如图 1（b）所示，对于 0.5 mW（-3 dBm）的目标 OMA，下降端口方法的预期产量仅为 36%，而直通端口方法为 61%。此外，分别有 35% 和 16% 的情况下 TCU 无法锁定，导致 OMA 为零。

所提出的校准技术旨在克服这些限制，将 TCU 锁定在最大 OMA 上，而不考虑工艺变化，从而实现图 1（b）中的红色曲线，消除了锁定失败，0.5 mW 目标 OMA 的预期良率达到 83%。

建议的设计

如图 2（a）所示，抽头掉一小部分（0.5%）激光功率来监测波动，并抽头掉一部分（5%）环内的调制光到微光调制器（MRM）的下降端口。这种调制光被引向光电二极管 （PD），由此产生的电流通过跨阻放大器 （TIA） 转换为电压。

图 2：（a） 拟议的 TCU 系统。（b） 驱动器电平为 0 和 1 时的 drop-port 电压、其平均值以及差值电压的绝对值。

降压端口与输入平均激光功率的比率由 R2R 梯形数模转换器（RDAC）调节，在 TCU 内用于建立 MRM 热稳定反馈回路。RDAC 与比较器和逐次逼近寄存器 （SAR） 逻辑一起构成了 SAR 模数转换器 （ADC），可在校准阶段测量端口电压。

校准程序基于 MRM 滤波器的洛伦兹特性，如图 2（b） 所示。0 和 1 驱动器电平的滴端口电压（v0 和 v1）遵循洛伦兹曲线，可以计算出平均电压（vave）和差值电压的绝对值（Δv）。

校准程序

校准程序包括三个步骤：

1.在传输 0 级时扫描加热器栅极电压，以测量 0 级的最大压降端口电压 （ADP0）。

2.在传输电平 1 时扫描加热器栅极电压，以测量电平 1 的最大端口电压 （ADP1）。

3.在传输时钟数据模式（代替直流平衡数据）时扫描加热器栅极电压，根据 max{vave（λn）} 计算 dl/Δλ。

在获得这些测量结果后，可通过将 Δv（λn）的导数设为零，求解 λnopt 的最佳值，并将该值插入 vave 的方程中，从而确定与最大 OMA 相关的平均电压。

如果 v0 和 v1 的峰值电压不一致，则分别发送两个电平，并测量 v0 和 v1 对应的 ADP 值。然后，使用数值方法从 max{vave} 得出 dl/Δλ。随后的步骤保持不变。

测量结果

利用 MRM 技术在单片 GF45SPCLO 技术制造的 8 通道波分复用（WDM）发射机中实现了所提出的校准技术。图 3（a）显示了测量设置，图 3（b）显示了平均化前从 TIA 输出的传输瞬态信号。

图 3：（a）测量设置。（b） 锁定模式下最大 OMA 时的滤波端口瞬态电压。（c） 校准程序。（d） 对计算出的平均功率锁定到最大 OMA 的验证。

图 3（c） 概述了三步校准程序，包括在传输 0 级、1 级和时钟数据模式时扫描加热器栅极电压。测量得到的降压端口平均电压峰值分别为 0.544 V、0.56 V 和 0.535 V。然后，利用这些测量值计算出 dl/Δλ 为 0.178 V，与最大 OMA 相对应的滴端口平均电压为 0.40 V。

为验证校准的准确性，再次以更高分辨率扫描加热器栅极电压，如图 3（d） 所示。结果证实，最大 OMA 与计算得出的平均电压 0.40 V 一致，图 3（b） 显示瞬态信号成功锁定在峰值 OMA 上。

结论

论文作者针对微环调制器热控制器提出的校准技术为最大化 OMA 提供了可靠、高效的方法，而无需依赖高速电路或模拟。通过利用 MRM 滤波器的洛伦兹特性和简单的校准程序，TCU 可以得出与最大 OMA 相对应的平均功率，从而有效应对工艺变化带来的挑战。

通过这种方法，0.5 mW 目标 OMA 的预期产量得到显着提高，与传统方法相比达到 83%。这种校准技术有望提高基于微波调制器的光互连的性能和可靠性，从而在高速通信系统中实现更高效、更稳健的数据传输。