電光調變器（EOM）：MZ、微環與新興技術的取捨

光通訊與光互連要把電訊號轉成光訊號。最直接的方法是直接調變雷射二極體的驅動電流（direct modulation），但這個方法同時改變光功率與光頻，產生 chirp，限制資料率與傳輸距離^[1]。

外部調變把光源與調變器分開：雷射提供連續光載波，調變器把訊號加到光上。這讓光源與調變能各自設計；但低 chirp 仍取決於結構、材料與驅動平衡，並非加上外部調變器就自動消除 chirp^[1][9]。朝向每波長 400 Gb/s 的研究，使頻寬、驅動電壓與尺寸成為重要設計條件^[2]。

本文依序回答三個問題：電訊號改變什麼（相位或吸收）、光學結構如何讀出變化（MZ 干涉或微環共振），以及用什麼材料實作（LN／TFLN、矽或石墨烯）。MZ、微環是結構；TFLN、石墨烯是材料，不能把它們當成同一層級的三種結構。

圖 1｜紅色為導光路徑，藍色為電氣控制。相位變化本身不改變理想功率；MZ 分光後重新合波，微環則跨間隙耦合。為連接關係示意，不依比例、非製程圖。點圖可看原尺寸。

為什麼需要外部調變？

直接調變依資料改變雷射二極體的驅動電流，光功率與光頻同時改變，形成 chirp^[1]。光纖色散會把這些頻率變化轉成波形失真。消光比（extinction ratio，ER）也要連同量測條件閱讀：靜態轉移曲線的 ER 與資料傳輸時的動態 ER 是不同指標。來源列舉直接調變約 6–10 dB、外部調變可超過 20 dB 的例子，不能把它們當成所有裝置的固定範圍或同條件比較^[1]。

EOM 以電訊號控制光的相位、功率或偏振，物理機制依平台而異：LN／TFLN 使用 Pockels 效應，矽常利用自由載子密度改變，電吸收調變器則改變吸收^[3][7][9]。單純改變相位，不會改變理想光功率；若要強度調變，還需要把相位變化讀出的結構。

相位控制與 MZ 讀出

Pockels 效應是線性的：Δn ∝ E。Kerr 效應是二次的：Δn ∝ E²；基於 Kerr 效應的裝置（Kerr cell）不常見^[3]。鈮酸鋰（LiNbO₃）的電光係數 r₃₃ 為 30.8 pm/V（來源表格未標波長）^[4]。

使光產生 π 相位位移的電壓稱為半波電壓 V_π。體積型 Pockels cell 的 V_π 典型為數百至數千伏特，需要高壓放大器；波導型 EOM 的電極間距小，用數伏特電壓即可工作，並可達到較高的調變頻率^[3]。

把相位讀成強度，一種方法是使用偏振光學：入射偏振同時激發晶體的兩個本徵偏振（例如與軸成 45°），Pockels cell 改變兩者的相對相位，再由輸出偏振分析器轉成光功率變化^[13]。若只改變共同相位，後面加一片偏光片並不足夠。另一種方法是把相干光分成 MZ 兩臂，改變相對相位後再合併^[3][9]。

MZ 調變器包含輸入分光器、兩條相位可控的臂與輸出合波器。理想平衡兩臂、無損 50:50 耦合器下，選定輸出埠的T = P_out/P_in = cos²(Δφ/2)，互補埠則為 1 − T。寫成Δφ = φ_bias + πv/V_π時，V_π 定義為在指定驅動埠，使兩臂淨相位差增加 π 的電壓增量；單臂或推挽的差異已包含在此定義中，不能再默默多乘一次 2^[5][9]。Quadrature（Δφ = π/2）對應 T = 0.5，僅在小訊號附近近似線性，不代表整個半波電壓範圍都線性。實際消光比受損耗與不平衡限制；相干 IQ 發射器則組合多個 MZM，控制光場的兩個正交分量^[9]。

來源中的 Ti:LiNbO₃ 實例為 V_π = 5.3 V、10 Gbps，DC 偏壓設在 quadrature 附近^[6]。這些是該實例的條件；僅以「驅動低於 V_π」不能保證線性或最低 chirp，還要看訊號擺幅、兩臂不平衡與驅動對稱性^[9]。

在通常的模型中，未應變的塊材矽具中心對稱性，沒有本徵的塊材二階 Pockels 響應。傳統矽調變器使用 plasma-dispersion 效應：以載子耗盡、注入或累積改變折射率，也可能同時改變吸收。這種相位控制可放進 MZ 或微環；不能因此推論所有含矽的混合平台都沒有 Pockels 材料^[7]。

高速波導調變器常使用 traveling-wave 電極，讓微波沿光傳播方向行進。要維持寬頻交互作用，須匹配微波相速度與光學群速度，同時考慮阻抗終端與 RF 損耗^[14]。電極長度或材料本身的響應時間，並不能單獨決定完整裝置的頻寬。

圖 2｜理想平衡模型以兩臂淨相位差定義 V_π。Quadrature 僅在小訊號附近近似線性；綠帶為擺幅示意，非產品規格。實際裝置還需核對損耗、不平衡與 chirp。點圖可看原尺寸。

微環：讀取共振位移

共振器只支援特定頻率：環內往返相位位移為 2π 的整數倍時，光場自洽疊加，形成共振。相鄰共振的頻率間隔稱為自由光譜範圍（free spectral range，FSR），等於往返時間的倒數；共振器越小，FSR 越大^[8]。

微環透過間隙與匯流排波導耦合。共振時，直通埠的光場由直接通過匯流排的場與環中耦合回來的場相加。透射凹陷取決於干涉、耦合與內部損耗，不能簡化成「環把共振光吸收掉」。理想無損的單匯流排環，其功率透射率仍為 1，但相位可以改變；有損環在臨界耦合時才可形成深凹陷^[12]。電壓改變 n_eff、移動 λ_res；在雷射波長固定時，讀取位置的透射率隨之改變^[2]。

2025 年一篇採用 300 mm 晶圓製程的矽微環研究，報告半徑 8 µm、FSR 7 nm、loaded Q 約 1500、DC 光譜消光比約 49 dB、V_π·L ≈ 0.57 V·cm，以及 −3 V 偏壓下超過 110 GHz 的電光頻寬。49 dB 是DC 光譜量測，不是資料眼圖的動態消光比。高速測試以 2 V_pp 驅動，展示 400 Gb/s PAM6、360 Gb/s PAM4 與 200 Gb/s NRZ 的 open eye^[2]。這些眼圖展示與低能耗 self-biasing 測試是不同操作條件。

在另一組 self-biasing 測試中，論文報告以 0.43 V_pp、零電氣偏壓、無 DSP，在 2 km 標準單模光纖傳輸 32 Gb/s NRZ 無誤碼。所列0.97 fJ/bit 是計算得到的調變器切換能量，不含雷射、驅動器、加熱器與接收器，也不是 400 Gb/s 鏈路的能耗^[2]。熱控制是另一項需求：77.6–84.5 pm/mW 是此裝置的加熱器調諧效率，不是以 pm/K 表示的溫度敏感度。頻寬還取決於接面 RC、光子壽命與工作失諧，並非只縮小環半徑就保證更快^[2]。

圖 3｜單匯流排教學模型：往返場振幅保留率 a 與自耦合振幅 t 均為 0.92；x 為無單位的局部波長失諧，θ ≈ −π(x − x_res)。固定雷射讀取兩個電壓下的共振。位移方向為假設，曲線不是引用裝置的量測值；FSR、光學 Q 與電氣頻寬、資料率須分開。點圖可看原尺寸。

材料與實作的取捨

薄膜鈮酸鋰（TFLN）。 TFLN 是材料平台，不是 MZ 的替代結構：TFLN IQ 調變器內含巢狀 MZM。2020 年論文比較的傳統 LN 波導裝置，其主動長度為 30–80 mm、V_π 約 3.5 V、頻寬約 35 GHz；這是該文比較值，並非所有產品的固定限制，也不應與體積型 Pockels cell 混稱。其 TFLN 實例為 13 mm／1.9 V 與 7.5 mm／3.1 V，以這些四捨五入值計算的 V_π·L 約 2.3–2.5 V·cm。論文報告頻寬／V_π 為 25 GHz/V、ER 超過 25 dB，以及80 Gbaud 16QAM 的 320 Gbit/s，BER 為 8.4 × 10⁻³，低於其採用的軟判決 FEC 門檻^[9]。這是 IQ／相干格式結果，不能視為 320 Gb/s 二元強度 lane。2022 年另一篇雙偏振 IQ 研究報告 1.6 Tb/s 淨單載波傳輸，以及包含 PM 光纖耦合的 12 dB 插入損耗^[10]。

石墨烯。 2026 年一篇石墨烯–矽 slot 波導微環研究，在 slot 中嵌入雙層石墨烯。該裝置選在石墨烯透明區操作，主要以電致折射改變相位、移動微環共振，不是以寬頻吸收作為主要調變機制。1550 nm 下報告 V_π·L = 220 V·µm、頻寬超過 70 GHz、主動長度 10 µm，以及 2 V_pp 驅動的 50 Gbit/s open eye。同一裝置在 2 µm 也展示 2 V_pp 下的 20 Gbit/s open eye；報告的頻寬超過 20 GHz，受量測設備限制。能在兩個波段操作，不代表單一微環共振本身是寬頻的^[11]。

等離子體（plasmonic）。 金屬界面的 surface plasmon polariton（SPP）可把光場限制在很小的區域，縮短主動段。但場侷限、驅動效率、電氣頻寬與金屬吸收損耗須一起評估，不能只憑長度短就判定整條鏈路低能耗^[3][9]。

電吸收（EAM）。 EAM 以電壓改變半導體吸收，直接改變光功率，可與雷射整合成 EML^[1]。本文將它作為與「相位再讀出」不同的機制對照，並非與 TFLN、石墨烯並列的另一種材料。可用資料率須依具體設計與鏈路條件判斷。

整合能力是另一個比較維度。矽微環論文把 CMOS 相容性與 CPO 整合作為研究動機^[2]，但這些研究展示不足以建立矽、TFLN 與 InP 的通用商業化排名。封裝、雷射耦合、良率、可靠性與產品級驗證仍需另行核對。

選型：先對齊測試條件

選型可依序進行：先決定接收端需要強度訊號或相干 IQ，再選擇讀出結構與材料，最後在相同條件下比較頻寬、驅動擺幅、損耗與熱控制。MZ 讀取相位差；微環讀取電壓移動的共振。兩者都能搭配不同材料機制，因此結構名稱本身不代表某一種材料，也不自動保證低能耗。

上表整理的是研究展示，不是性能排行榜。比較時須核對波長、格式、baud rate 與 bit rate、原始與淨資料率、open eye 與 BER／FEC 判準，以及能耗計算涵蓋哪些元件。引用來源仍未提供完整的同條件跨平台比較、長期可靠性、成本與良率資料。書籍來源 [4]–[6] 保留原連結；取得可核對的版本與頁碼後，宜補上精確出處。