EP14. SiPH MRM介紹
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 Effect or Plasma 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
優勢
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
限制
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