3. 光信号传输与损耗机制
在片上光互连网络中，光信号从激光源出发，经波导、分束器、调制器、交叉结、耦合器，最终到达光电探测器。每经过一个无源或有源器件，光功率都会下降；同时，相邻波导、相邻信道和器件反射还会引入串扰与噪声。链路功率预算的核心任务，就是把这些损耗和噪声逐项列出，判断探测器端能否获得足够的信噪比与误码率余量。
一、四类主要损耗机制
弯曲损耗发生在波导转弯处。光在直波导中全内反射传播，当曲率半径过小，部分模式场会以倏逝波形式向包层外侧泄漏，形成辐射损耗。弯曲损耗随半径减小呈指数上升，并与波导与包层的折射率差 Δ 密切相关：Δ 越大，模式约束越强，可容忍的弯曲半径越小。例如在 220 nm 绝缘体上硅（SOI）条形波导中，Δ 较大时 5 μm 半径的 90° 弯曲单次损耗可控制在约 0.01 dB 量级；而半径降到 2 μm 时损耗可能上升一个数量级以上。因此版图布线时通常设定最小弯曲半径规则，并在转弯处采用欧拉弯曲或偏移弯曲来平滑过渡。
散射损耗来自波导侧壁粗糙度、刻蚀残留、材料界面缺陷和表面颗粒。侧壁粗糙度引起的散射与粗糙度均方根 σ 的平方成正比，与模式在侧壁处的场强重叠积分相关。工艺上通过优化光刻与刻蚀、采用氧化平滑或后处理降低 σ，可将直波导传输损耗从数 dB/cm 降到 1 dB/cm 以下。散射损耗对模式限制弱的波导更敏感，因此宽波导、浅刻蚀波导往往损耗更低，但弯曲性能会变差，需要在版图中权衡。
吸收损耗包括材料本征吸收和自由载流子吸收。硅在 1550 nm 波段本征吸收很小，但掺杂区、金属覆盖层和锗探测器附近的自由载流子会显著增加吸收。调制器掺杂区、加热器金属和接触孔若离波导过近，会引入额外损耗。设计上通过设置掺杂偏移、引入隔离槽和限制金属覆盖范围来控制。此外，氢化非晶硅、氮化硅等材料在不同波段的吸收边不同，选材时需核对工作波长。
串扰与噪声主要来自三方面：一是相邻波导间的定向耦合或模式重叠引起的光串扰；二是波分复用信道间因滤波器滚降不足造成的信道串扰；三是反射、背向散射和放大器自发辐射带来的噪声。串扰通常用 dB 表示，即干扰信道在目标探测器上的功率与目标信号功率之比。对于密集波分复用链路，相邻信道隔离度一般要求优于 20～30 dB；对于并行波导阵列，间距和长度需满足耦合长度远大于链路长度的条件。
二、链路功率预算方法
功率预算的基本形式是：接收功率等于发射功率减去链路中所有损耗项之和，再减去设计余量。用 dB 表示时，各损耗项可直接相加。一个典型的片上链路预算可写成：
P_rx(dBm) = P_tx(dBm)
− L_coupling // 光纤/芯片耦合损耗
− L_waveguide // 直波导传输损耗 × 长度
− L_bend // 弯曲与交叉损耗
− L_mod // 调制器插入损耗
− L_cross // 交叉结、分束器损耗
− L_margin // 工艺、温度、老化余量以 1550 nm SOI 平台为例，假设激光源输出 10 dBm，光纤到芯片耦合损耗 2.0 dB，直波导损耗 1.5 dB/cm、链路长度 2 cm，弯曲与交叉合计 0.8 dB，调制器插入损耗 4.0 dB，分束与交叉附加 0.5 dB，设计余量取 3.0 dB。则探测器端接收功率约为 −3.3 dBm。若探测器灵敏度为 −10 dBm，则链路余量约 6.7 dB，可支撑 BER 优于 1e−12 的典型要求。这些数值属于教学示例，实际设计需以工艺库和实测数据为准。
预算中需要特别关注的是最坏情况叠加：弯曲损耗取最小半径下的最大值，散射损耗取工艺上限，串扰取相邻信道同时工作的最坏组合。对于波分复用链路，还要把非相邻信道的累积串扰计入。若余量不足，可优先降低调制器插损、缩短链路长度、增大弯曲半径或提高激光功率，但提高功率会带来非线性效应和热负载问题，需要折中。
三、串扰与噪声的量化判断
串扰通常分为线性串扰和非线性串扰。线性串扰来自波导间耦合和滤波器泄漏，功率随干扰信道功率线性变化；非线性串扰来自四波混频、交叉相位调制等，与信道功率的平方或更高次相关。在片上尺度，波导间距小、功率密度高，非线性串扰不可忽略。判断链路是否合格，可依次检查：目标信道输出眼图张开度、相邻信道开启时的功率代价、以及探测器端信噪比。若相邻信道开启导致接收灵敏度劣化超过 1 dB，通常认为串扰余量不足。
四、设计检查要点
- 确认最小弯曲半径规则与所用平台一致，转弯处是否采用低损耗弯曲结构。
- 核对直波导损耗是否按最差工艺角取值，长度是否包含所有绕线路径。
- 检查掺杂区、金属和加热器与波导的间距，避免额外吸收。
- 对并行波导阵列，核算耦合长度与链路长度之比，确保串扰低于目标值。
- 在预算表中单列设计余量，并注明其覆盖的工艺、温度和老化因素。
- 用探测器灵敏度和目标 BER 反推允许的最大总损耗，作为版图布线的约束。