2025 Hotchips 會議結束，有很多資料釋出。看到網友在討論MRM(MicroRing Modulation)的話題。我在EP6.
2025 Hotchips 會議結束，有很多資料釋出。看到網友在討論MRM(MicroRing Modulation)的話題。我在EP6.¶
- Source: Ted Yu
- Published: 2025-09-04T08:57:03+08:00
- URL: https://ytyuted.substack.com/p/ep14-mrm EP14. SiPH MRM介紹 - Ted Yu
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EP14. SiPH MRM介紹¶
Sep 04, 2025
2025 Hotchips 會議結束，有很多資料釋出。看到網友在討論MRM(MicroRing Modulation)的話題。我在EP6. 有簡單的介紹過，利用這次報告，分享個人對MRM的了解，歡迎討論。
1. SiPH modulator 介紹¶
1.1. 四大功能元件¶
光源 (Light Source)
主要材料：III-V 半導體（GaAs, InP）(直接能隙，參考EP9.介紹)
功能：產生光信號，作為整個 SiPH 系統的輸入。
原因：矽本身不是良好的發光材料(indirect bandgap,間接能隙)，因此需利用異質整合（heterogeneous integration）把 III-V 雷射源整合到 Si 晶片上，或使用external laser source(ELS)方式。
光傳輸(Light Transport)
主要材料：玻璃 (SiO₂)、聚合物、III-V 半導體、矽、氮化矽(SiN)
功能：導引與分配光信號，包含
波導 (Waveguide)
光耦合器 (Coupler)
多工/解多工 (Mux/Demux)
特點：Si 具備良好的折射率對比(折射率~3.5 @1310 nm)，適合製作低損耗、可大規模整合的波導。
信號調變 (Signal Modulation)
主要材料：鈮酸鋰 (LiNbO₃)、聚合物、III-V 半導體、矽
功能：利用光電效應，將電信號轉換為光學調變訊號
常見結構：
馬赫–曾德調變器 (MZM, Mach-Zehnder Modulator)
微環調變器 (MRM, Micro Ring Modulator)
挑戰：純矽調變效應有限（plasma dispersion effect 弱），常需異質材料（如LiNbO₃、III-V、EO 聚合物）提升性能。
光檢測 (Photo Detection, PD)
主要材料：Ge、III-V 半導體（InP, GaAs）
功能：將光信號轉換為電信號，完成接收端
典型元件：
Ge-on-Si光電二極體 (Ge PD)
InGaAs PD
優勢：Ge 與 Si CMOS 製程相容，利於大規模整合
關鍵備註¶
矽本身不是好的光子材料（間接能隙，無法有效發光，EO調變效應有限）
SiPH 的優勢來自大規模整合能力：利用 CMOS 工藝將光源、傳輸、調變、檢測全部放在單一晶片平台上。
1.2. 光電調變簡介¶
Modulation 技術分類¶
光通訊的核心在於如何將數位/類比訊號調變到光載波，主要分為直接檢測 (IMDD, Intensity Modulation / Direct Detection)與相干檢測 (Coherent)兩大類。
IMDD 主導短距高速的數據中心應用，Coherent 則主導長距大容量的電信與數據中心互聯，本報告以IMDD為主。
信號與載波關係分類¶
直接調變：電訊號直接疊加到光載波 → 簡單，但受限於色散與速率
外部調變：電訊號經調變器作用於光載波 → 複雜，但能支援高階調變與長距傳輸
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 垂直腔面射型雷射) 因為結構簡單、成本低、適合短距多模光纖(850nm)，所以幾乎都採用直接調變，廣泛應用於數據中心短距互聯(如AOC, SR-8)。
光電效應分類¶
Electro-Optic Effect (EO Effect)
代表元件：Mach–Zehnder Modulator (MZM)
原理：利用電場改變折射率 (n)，造成光相位變化，再透過干涉效應轉換成強度調變
物理效應：
Pockels Effect (線性電光效應)：如LiNbO₃
Plasma Dispersion Effect (電漿色散效應)：在 SiPh 中常見
特點：高線性度，可支援高階調變 (QPSK, QAM)
Electro-Absorption Effect (EA Effect)
代表元件：Electro-Absorption Modulator (EAM)
原理：電場改變材料能帶結構，調變吸收係數 (α)，控制光強度
物理效應：
Franz–Keldysh Effect (FK)→ 在本徑材料(Bulk Semiconductor)中
Quantum Confined Stark Effect (QCSE)→ 在量子井(QW)結構中，幾乎所有商用 EAM 都是基於InGaAsP/InP QW，靠 QCSE
特點：體積小、功耗低，常與DFB(Distributed Feedback Laser)整合( DFB+EAM = EML(Electro-Absorption Modulated Laser, 電吸收調變雷射) )，適合短中距離高速傳輸 (如 10–80 km Metro, DCI)
Resonance / Plasma Dispersion Effect
代表元件：Micro-Ring Modulator (MRM)
原理：在矽環形共振腔中，利用p-n 結 (Plasma Dispersion)改變折射率，導致共振波長偏移，實現開關調變
物理效應：載子濃度改變 → 折射率 (Δn) 與吸收 (Δα) 改變
特點：體積極小，能量效率高，適合WDM (可作為多工器/解多工器)，但溫度敏感
MZM → 相位調變 (Pockels EffectorPlasma Dispersion Effect);
EAM → 吸收調變 (EA Effect);
MRM → 電漿色散調變 (Plasma Dispersion Effect)
MZM、EAM 和 MRM 調變器是基於不同電光效應的調變結構，常使用的材料如下表:
1.3. Hotchips資料¶
新創公司Lightmatter介紹Passage M1000(3D Photonic Interposer)產品，特別提到MicroRing 是核心技術:
2. MRM 技術介紹¶
2.1. Laser 光源¶
External Laser：熱穩定佳，但有額外耦合損耗與高對準成本
Integrated Laser：整合度高、損耗低，但熱變動大、可靠度挑戰
2.2. MRM 結構¶
MRM 是由環形波導 + p-n 結調變區 + heater 熱調諧 + bus waveguide 耦合組成，既能實現高速光調變，也能作為WDM 多工器和開關，是矽光子收發器的核心元件之一。
核心元件：環形共振腔 (Ring Resonator)
環形波導 (Si waveguide) 形成一個光學共振腔
當入射光波長 λ 與環的共振條件滿足時，光能量會強烈耦合進入環腔
透過改變折射率 n，可以移動共振波長 λres，實現光強度調變
主動調變區：p-n 結 (PN Junction)
在環形波導上植入p 型與 n 型摻雜區，形成p-n 結
外加電壓改變載子濃度 (ΔN, ΔP)，進而改變折射率 (Δn) 與吸收 (Δα)
這是Plasma Dispersion Effect (電漿色散效應)的應用，屬於電折射調變
加熱器 (Heater, Thermal Tuning)
p+ Si Heater佈置在環腔附近，透過 Joule heating 改變溫度
由於矽的折射率對溫度敏感 (dn/dT)，因此可調整共振波長，確保 λres 與雷射對準
用於溫度補償與波長調諧 (wavelength tuning)。
匯流排波導 (Bus Waveguide)
主光路 (bus waveguide) 與環腔相鄰，透過evanescent coupling將光耦合進環
在共振波長下，光從 bus waveguide 耦合進環腔，輸出端強度被削弱，形成「on/off」調變。
2.3. MRM-based IMDD 光鏈路¶
MRM-based IMDD 光鏈路透過微環共振器調變強度信號，結合低功耗與高整合度，特別適合短距離數據中心光互連，但需克服熱漂移與色散限制:
發射端 (Transmitter, TX)
Laser Source
提供連續波 (CW) 光源，波長固定在 λIN
可為外部雷射 (ELS) 或整合雷射 (InP-on-Si)
High-speed Driver
將電信號 (Data in) 放大，驅動調變器
Ring Modulator (MRM)
微環共振器利用Plasma Dispersion Effect (p-n 結載子調控)改變折射率
當共振波長與雷射λIN對齊時，透射光強度被調變，形成 IMDD 光信號
優勢：尺寸小、功耗低、適合 WDM
限制：溫度敏感，需要熱調諧
光纖傳輸 (Fiber)
傳輸調變後的光信號 PTX→ PRX
IMDD 特點：
僅光強度承載數據 (amplitude modulation)。
不利用相位/頻率資訊，傳輸距離受限於色散與 OSNR
接收端 (Receiver, RX)
Photodetector (PD)
將光功率 PRX轉換成光電流 iPH(iPH= R·PRX)
常用 Ge PD 或 InGaAs PD
High-speed RX (EIC)
電子積體電路 (EIC) 負責放大與均衡信號，恢復 Data out
PIC & EIC 分工
PIC (Photonic Integrated Circuit)：包含雷射(或 ELS)、MRM、PD、波導
EIC (Electronic Integrated Circuit)：包含驅動器、TIA
2.4. Multiplexing¶
MRM 不僅能進行強度調變 (IMDD)，還能憑藉共振濾波特性實現WDM 多工，大幅提升短距離光互連 (Data Center, CPO, OIO)的頻譜效率與集成度。
共振濾波特性
微環共振腔 (MRR) 只在特定波長 λres（共振波長）耦合光能
一個環腔對應一個 WDM 通道，例如 λ₁、λ₂、λ₃、λ₄。
藉由調變p-n 結載子濃度，共振峰可被調整，並將數位訊號疊加到對應波長上
多通道並行傳輸 (WDM)
多個 MRM 以陣列方式配置，每個環選擇不同的 λi
各通道調變後的光訊號可自然合併到單一波導，形成 WDM 輸出
FSR (Free Spectral Range)
環腔的週期性共振間隔稱為 FSR。
必須設計足夠大的 FSR，以避免不同通道間干擾
系統架構（圖中範例）
四通道 (4-lane) O-band WDM
每個通道：112 Gb/s PAM4 → 單通道 56 GBaud
四通道總傳輸容量 =448 Gb/s
MRM：同時進行調變 (modulation) 與多工 (multiplexing)
加熱控制 (Heater)：調整共振波長，保持 λi對準
高整合度：MRM 兼具調變與多工，減少額外 AWG / Mux
低功耗、小尺寸：環腔體積小，適合高密度集成
天然支援 WDM：共振濾波特性即為多工機制
溫度敏感：需要 heater/TCU 控制，增加功耗
頻寬受限：受 Q-factor 與環腔設計影響
FSR 設計挑戰：需精準控制，避免通道干擾
2.5. Hotchips資料¶
新創公司Lightmatter介紹Passage M1000, 3D Photonic Interposer, 充分利用到MRM的特性:Modulation, Mux/Demux (WDM)和 switch功能，構建Reconfigurable optical switching fabric互聯XPU chiplets。
LightMatter Passage M1000 的3D photonic interposer (僅是Proof Of Concept平台)的目的就是：
在封裝內建一個可重構光交換網格 (optical fabric)，
提供高頻寬、低功耗、可程式化的 GPU ↔ Switch ↔ Network 互聯
取代傳統電互連 SerDes，並將封裝內與封裝外 (光纖) 的連結無縫整合
與TSMC SoW-X相比(參考EP13.)， 這3D photonic interposer的光信號可取代，在reconstructed wafer用的XSR電信號。
M1000因為要SiPH，所以用Si-based Interposer; SoW-X是用reconstructed wafer(參考EP13.)，材質不一樣。
3. TSMC的技術¶
TSMC在2025 OFC有發表COUPE的成果(參考EP6.)，展示>100 GHz Ge-PD，而Intel 的文件中的PD只有41 GHz。
如何達到這優異的表現?¶
縮短 PIC–EIC 距離
SoIC-X（face-to-face 3D hybrid bonding）能直接把光子晶片 (PIC)與電子晶片 (EIC)利用Hybrid Bonding鍵合。
互連距離由傳統封裝的毫米等級，縮短到數十微米。
這大幅減少了寄生電容與高頻反射，對>100 GHz 的 PD/TIA 連線至關重要。
額外好處：序列寄生電感可善用
在傳統封裝中，寄生電感通常是問題（造成頻響峰化或不穩定）。
在SoIC-X中，序列互連的寄生電感反而可以被設計成peaking inductor（補償電感），用來延伸頻寬，也就是抵銷寄生電容效應。
相當於把原本的封裝劣勢，轉化為高頻電路設計的優勢
系統效果
SoIC-X的「短互連 + 可利用的寄生電感」結合：
能把Ge-PD 的本徵 >100 GHz 頻寬完整帶出來，不受RC的影響。
改善 S21 的平坦度，避免過早衰減。
讓100 GBaud PAM4 (~200 Gb/s per λ)成為可行。
SoIC-X不僅大幅縮短了 PIC 與 EIC 的互連距離，還能利用序列寄生電感做頻寬補償 (peaking)，把原本的封裝限制變成高速設計的助力。
[Reference]
57-lightmatter_hotchips_2025_final, Hotchips 2025
TSMC 2025 OFC report
Co-Packaged_Silicon-Photonics_Based_Optical_Transceivers_for_High-Speed_Datacenter_Interconnects Intel
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