Design and characterization of a 30-GHz bandwidth low-power silicon traveling-wave modulator

功勋 插入损耗 移相模块 材料科学 带宽(计算) 光学 CMOS芯片 物理 光电子学 电气工程 计算机科学 电信 工程类
作者
Ran Ding,Yang Liu,Qi Li,Yisu Yang,Yangjin Ma,Kishore Padmaraju,Andy Eu-Jin Lim,Guo‐Qiang Lo,Keren Bergman,Tom Baehr‐Jones,Michael Hochberg
出处
期刊:Optics Communications [Elsevier BV]
卷期号:321: 124-133 被引量:79
标识
DOI:10.1016/j.optcom.2014.01.071
摘要

Abstract We present the design and characterization of a silicon PN junction traveling-wave Mach–Zehnder modulator near 1550 nm wavelength. The device shows 30 GHz bandwidth at 1 V reverse bias, with a 2.7 V-cm V π L π and accordingly a 9-V small-signal V π . The insertion loss of the phase shifter is 3.6 dB±0.4 dB. The device performance metrics in combination show significant improvement compared to the state-of-the-art in the sense that lower phase shifter loss and higher bandwidth are achieved for the same V π or vice versa. We demonstrated low modulation power of 640-fJ/bit at 40 Gb/s with a 1.6- V pp differential-drive and 0-V DC bias, raising the prospect of direct compatibility with CMOS drive-voltages. Critical design tradeoffs are analyzed and design models are validated with measurement results. We proposed a new figure-of-merit (FOM) V π L π R pn C 2 pn as the junction design merit for high-speed traveling-wave modulators, and utilized 6 implants to achieve an optimal FOM with lower insertion loss. Several key RF design issues are addressed for the first time using simulation and measurement results. In particular, we discussed bandwidth extension using mismatched termination and closely matched experimental results. A bandwidth-limiting RF multi-mode behavior is noted, which also exists in other results in the literature; we suggested a widely applicable design remedy.
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