用于SDM互连的集成薄膜铌酸锂光频梳的设计与联合仿真 王海钦（Haichen Wang）、 司嘉豪（Jiahao Si）、 陈静轩（Jingxuan Chen）、 易照正（Zhaozheng Yi）、 史瑞源（Shuyuan Shi）、 王明进（Mingjin Wang） 以及 郑万华（Wanhua Zheng）

《Photonics》：Design and Co-Simulation of an Integrated Thin-Film Lithium Niobate Optical Frequency Comb for SDM Interconnects Haichen Wang, Jiahao Si, Jingxuan Chen, Zhaozheng Yi, Shuyuan Shi, Mingjin Wang and Wanhua Zheng

　　摘要：我们提出了一种基于薄膜锂铌酸盐（TFLN）的集成光学频率梳（OFC）生成平台，该平台采用了级联的双驱动马赫-曾德尔调制器（DDMZM）和Si3N4辅助的斑点尺寸转换器（SSC）。为了捕捉理想化标量仿真中常被忽略的微观模式失配和空间相位累积，我们建立了一个多物理场协同仿真框架，将时域有限差分（FDTD）分析与宏观传输建模相结合。在该框架的基础上，级联调制器结构生成了25条高度稳定的梳状光束，这些光束的间距为2 GHz，包络平坦度控制在2 dB以内。容差分析表明，这种梳状光束生成方式对典型的制造和环境变化具有很强的抗扰能力，包括热偏压漂移、射频相位失配以及半波电压色散。此外，物理层建模显示，集成的SSC将光纤到芯片的耦合损耗降低到了每个面0.55 dB，从而保留了必要的光功率预算。为了验证该平台作为空间分割复用（SDM）互连的多波长连续波光源的可行性，我们对20公里标准单模光纤进行了并行传输仿真。使用无数字信号处理（DSP）的10 Gb/s非归零（NRZ）方案，25通道系统在最坏情况下的比特错误率严格低于前向纠错（FEC）阈值。这项工作为高密度光子集成（CPO）提供了一个实用的、基于物理的评估框架。

1. 引言
全球数据流量的快速增长，主要由云计算、人工智能集群和高清流媒体驱动，持续推动光通信技术接近其容量极限[1]。为了满足数据中心对功耗效率、低延迟和带宽密度不断变化的要求，CPO和SDM等架构变得越来越重要。在这些架构中，OFC可以作为紧凑的多波长连续波（CW）光源，为并行收发器阵列提供频率稳定性和尺寸上的显著优势[2,3]。TFLN因其较大的电光系数（pm/V）、低传输损耗和强的光限制特性而备受关注[4]。基于TFLN的调制器和光纤到芯片接口的最新发展[5,6]凸显了该平台在大规模集成方面的潜力。尽管取得了这些进展，但对集成TFLN OFC系统的建模仍然具有挑战性。首先，通过电光调制生成平坦的频率梳需要复杂的架构，如级联调制器[7]，这些调制器依赖于多级非线性相位调制来克服单调制器方法常见的光谱平坦度不足问题[8]。这些级联结构的性能往往对制造缺陷和环境变化（如色散和热光偏压漂移[9,10]敏感，而这些在系统级仿真中经常被简化或忽略。其次，标准单模光纤（MFD）与TFLN脊波导（MFD）之间的显著模式场失配引入了较大的耦合损耗。虽然通常使用Si3N4辅助的SSC[11,12]来减轻这一问题，但典型的系统级链路模型将这些组件视为静态标量衰减器[13,14]。这种理想化处理未能捕捉到波长依赖的微观模式重叠以及沿渐变锥体的分布式相位演变，导致系统信噪比（SNR）被高估。在本文中，我们提出了一种将级联DDMZM与TFLN平台上的反向渐变SSC相结合的完整OFC架构。我们使用定制的FDTD-MATLAB 2021-OptiSystem协同仿真框架对这一设计进行了评估，该框架直接将电磁提取的传输矩阵纳入链路评估中，从而弥合了物理设计与系统评估之间的差距。首先，我们介绍了OFC生成及其对实际物理偏差的容忍度。随后，我们详细说明了SSC的模式演变，并展示了如何在不需要复杂DSP的情况下实现25通道、10 Gb/s的20公里并行SDM传输。

2. 级联DDMZM架构与容差分析
2.1. 系统拓扑与梳状光束生成
为了提供紧凑的多波长光学光源以用于高密度互连，我们设计了一种级联DDMZM OFC架构。如图1所示，连续波光信号通过主DDMZM（DDMZM 1）传播，该调制器由10 GHz的RF信号驱动，从而定义了宽的主要梳状光束。然后，光场进入次级DDMZM（DDMZM 2），该调制器由2 GHz的RF信号驱动。通过级联非线性相位调制，次级阶段生成了密集的子梳状光束。对于短距离SDM来说，2 GHz的密集间距特别有利：它允许空间解复用到并行阵列中，同时将25条光束限制在一个狭窄的绝对带宽（约50 GHz）内，从而最小化材料群速度色散（GVD）的惩罚。

2.2. 容差分析对抗物理缺陷
实际设备性能往往因环境变化和制造容差而偏离理想仿真目标。我们评估了所提出的OFC在三种主要扰动源下的鲁棒性：热偏压漂移、射频相位失配和半波电压色散变化。综合结果如图3所示。
(a) DDMZM 2的直流偏压漂移对光谱平坦度的影响。
(b) RF驱动信号相位失配对光谱对称性的影响。
(c) 由TFLN半波电压色散变化引起的峰值功率波动，其中“峰值功率波动”表示25条光束光谱中各条光束之间的最大功率变化。

3. 斑点尺寸转换器设计与协同仿真
尽管OFC架构对调制缺陷具有很强的容忍度，但为了实际链路使用提取梳状光束，需要高效的光纤到芯片耦合。为了物理建模这一接口，我们实现了一个Si3N4辅助的反向渐变SSC。
3.1. 模式场演变与耦合建模
所提出的Si3N4辅助的反向渐变SSC采用了一种高度优化的异构集成方案（如图4所示）。底部的SiO2基底将光模式与下层的硅材料隔离。中间的AlN薄膜（厚度为x，折射率为y）作为主要的波导核心。TFLN脊波导假设通过电子束光刻（EBL）图案化制造，然后采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）形成X切割薄膜。保留未刻蚀的SiO2薄片以减少侧壁散射损耗。根据现有的实验数据，为TFLN波导分配了0.3–1.0 dB的实际传输损耗，确保芯片上的总传输损耗在第四节确定的链路功率预算范围内[1]。

3.2. 多物理场联合仿真框架
为了评估这种耦合接口对整个通信链路的影响，我们建立了一个三阶段FDTD-MATLAB-OptiSystem协同仿真框架（如图6所示）。最初，FDTD电磁求解器明确计算3D波导物理设计的空间依赖参数，提取局部有效折射率和电磁模式重叠积分。这些原始物理参数被导出到MATLAB引擎中，该引擎执行严格的路径积分计算以生成复杂的、波长依赖的传输矩阵。最后，OptiSystem通过动态链路库（DLL）接口将动态光场传递给MATLAB，在此之前应用精确的物理退化和相位演变，然后将修改后的场返回到系统链路中。这种仿真确保了局部空间模式失配和精确的相位演变在宏观通信仿真中得到真实反映[18]。对独立SSC的仿真确认，在1550 nm处最小插入损耗为0.55 dB，在水平（x）和垂直（y）方向上的对准容差分别为约1 dB（如图7所示），这完全在标准 active 对准能力范围内。

4. 结论
当SSC集成到完整的梳状光束生成链路中时，显著提高了功率预算。如图8所示，直接的面耦合方案相比理想情况遭受了9.56 dB的巨大惩罚，导致峰值载波功率降至?22.25 dBm。通过利用SSC技术，峰值功率恢复到了-12.84 dBm，有效地重新获得了大约9.4 dB的光功率。图8展示了使用直接耦合和所提出的SSC集成方式下的OFC光谱功率比较。不同耦合场景下的具体链路功率变化在表2中进行了定量总结。这种功率恢复对于维持后续光纤传输所需的信噪比（SNR）至关重要[19]。表2：不同耦合方案下的链路功率损耗比较。

4. 系统级传输验证
为了实证验证所生成的光梳在短距离互连场景中的数据传输能力，我们模拟了一个完整的并行SDM光传输链路（图9）。该系统避免使用先进的DSP，而是采用简单的基带NRZ调制格式来隔离和评估载波的基本光学完整性。图9：使用集成TFLN OFC作为多波长光源的并行SDM光传输系统的仿真设置。传输链路分为三个主要阶段：在发射端，25个生成的光梳线通过一组通带为1.5 GHz的光带通滤波器进行分离。每个分离出的连续波（CW）载波被路由到一个独立的空间通道，在那里一个离散的锂铌酸盐马赫-曾德尔调制器编码一个10 Gb/s的NRZ伪随机二进制序列（PRBS）。在传播过程中，调制后的光信号被注入到20公里的标准单模光纤（SSMF）阵列中。光纤中的信号演化通过非线性薛定谔方程进行建模，考虑了标准光纤特性，包括0.2 dB/km的衰减、16.75 ps/(nmkm)的色散和克尔非线性。为了补偿累积的链路损耗和插入损耗，在接收端前端放置了一个提供15 dB增益的掺铒光纤放大器（EDFA）阵列。

在接收端，使用响应度为1 A/W的PIN光电二极管阵列进行直接检测。恢复的电信号经过低通滤波（贝塞尔滤波器，截止频率7.5 GHz）后输入到误差分析器中，以评估眼图并计算系统的Q因子和比特错误率（BER）。我们评估了整个光谱范围内的信号质量，特别分析了中心载波（193.100 THz）和光梳边缘的边缘载波（193.110 THz）。

中心载波的接收信号（图10a）显示出宽广的眼图开口和清晰的交叉点。由于其位于光谱峰值位置，该通道具有最高的初始光信噪比，因此系统Q因子为10.93，基线BER为[数据缺失]。图10：20公里SDM传输后的接收眼图。(a) 中心载波（193.100 THz）。(b) 边缘载波（193.110 THz）。相比之下，边缘载波（图10b）表现出轻微的时间域退化，主要是由于光梳边缘的自然功率下降（这会增加放大后的自发发射噪声敏感性）和累积的光纤色散。尽管存在这些因素，眼图仍然保持开放状态，Q因子为5.19，BER为[数据缺失]。

为了定量验证所有空间复用光梳线的商业可行性，表3总结了关键空间通道的确定性传输性能数据。表3：多载波SDM传输性能评估。如表所示，即使对于性能最差的边缘通道（BER为[数据缺失]），其错误率也远低于ITU-T G.975 FEC标准阈值。这证实了所有25个光梳线都可以作为独立的、可靠的通信通道使用，总并行传输容量为250 Gb/s（25 × 10 Gb/s），从而验证了下一代短距离光互连的集成平台[20]。

5. 讨论
虽然这种联合仿真框架通过结合空间相位跟踪和制造公差提供了比纯理想模型更现实的评估，但仍存在数值上的限制。模型假设紧密排列的DDMZMs之间有足够的射频隔离。在实际部署中，2 GHz和10 GHz信号的密集射频路由可能会引入电磁串扰，因此需要谨慎设计电极间距和接地方案。此外，虽然并行SDM设置避免了WDM系统典型的四波混频（FWM）串扰，但当前的联合仿真使用的是理想的连续波泵浦激光器。未来的实验工作需要全面研究实际二极管激光器相位噪声和相对强度噪声（RIN）对该集成平台的影响。从制造角度来看，所提出的平台与现有的TFLN代工厂工艺兼容。TFLN脊波导可以通过EBL或DUV光刻进行图案化，然后通过ICP-RIE刻蚀，在多次项目芯片批次中验证的传播损耗低于[数据缺失]。SSC层可以通过LPCVD沉积，并在集成到TFLN基板之前单独进行图案化，遵循[12]中验证的工艺。关键的制造挑战包括控制整个芯片上的TFLN刻蚀深度均匀性（这直接影响性能）、通过第3.1节描述的锥形几何结构管理薄膜应力，以及实现DDMZMs的精确射频电极对准。可以在芯片上集成电阻加热器来补偿热光偏置漂移；第2.2节中的容差分析确认不需要亚开尔文级的热稳定。完整的集成平台实验验证计划作为后续工作进行。

6. 结论
我们介绍了一种在TFLN上集成的OFC平台的设计和联合仿真，并使用定制的FDTD-MATLAB-OptiSystem多物理框架进行了评估。本工作的核心方法论贡献是将FDTD提取的电磁传输矩阵直接嵌入到系统级链路模型中，用空间分辨的模式重叠和相位演化取代了理想化的标量近似。这种方法表明，借助SSC技术的耦合 penalty 几乎被完全消除，而级联的DDMZM架构对实际的制造和环境偏差具有鲁棒性。系统级验证证实，25线光梳支持在标准FEC限制内的无DSP并行SDM传输。这种基于物理的联合仿真方法广泛适用于可扩展、高密度封装光链路的集成光子平台的严格评估。