具有可编程幅度与相位调制响应的集成光子调制器电路

《Laser & Photonics Reviews》：Integrated Photonic Modulator Circuit With Programmable Intensity and Phase Modulation Response

　　

电光（E/O）调制器是光通信系统中的关键组件，用于将电学波形编码到光学载波上。然而，其性能通常受限于固有的电光过程以及现有集成设计中的缺陷，这些因素限制了其对多样化应用场景的适应性。本文提出了一种电路级可编程调制器设计以应对上述挑战。该调制器能够同时产生强度调制孔雀与相位调制，且无需改变底层设计或受限于平台约束即可优化性能。研究人员以载流子耗尽型调制器和硅光子平台上的硅锗（SiGe）电吸收调制器（EAM）为例，阐释并验证了这一原理。实验表明，相较于传统调制器设计，该方案实现了对强度、相位及调制线性度的精确控制与优化能力的显著提升，标志着通过可配置光子电路方法在适应性与性能增强方面取得了重要突破。借助集成的片上监测器，该电路可实现自校准。这种可编程调制器电路概念可应用于不同平台上的调制器，兼容现有相移器设计，并可作为复杂电路中的即插即用模块。作为与平台无关的模块化电路单元，其在光通信、激光雷达（LiDAR）、微波光子学等领域具有广泛的适用性。

## 一、研究背景与意义

电光（E/O）调制器在集成光子系统中扮演着将微波信号转换至光学域的核心角色，通过调制光学载波的相位和/或幅度来实现波形编码。随着光子芯片技术从光纤通信领域扩展至光学传感、激光雷达（LiDAR）以及微波信号处理（即微波光子学系统）等新兴应用，对光学调制器的要求也在迅速演变，涵盖更大的调制带宽、更高的调制效率、更强的线性度以及"纯净"的调制响应等多个维度。

目前，硅光子平台中常用的调制器主要基于嵌入pn结的波导结构，通过自由载流子色散效应影响光的传播。这些pn结可嵌入干涉仪电路构成微环谐振器调制器（MRM）和行波马赫-曾德尔调制器（TWMZM）。MRM通常具有更大的电学调制带宽，但仅能在特定波长下工作且存在热漂移问题；TWMZM则可在宽波长范围内工作，但占用面积较大且电学带宽相对较低。与此同时，SiGe电吸收调制器（EAM）凭借更小的尺寸和更大的调制带宽受到关注，但其插入损耗大、调制效率低。此外，基于铌酸锂薄膜（LNOI）、聚合物等材料的异质集成调制器也展现出良好的调制性能。然而，上述各类调制器 designs 主要针对数字光互连的高速需求进行优化，其模拟信号性能指标——如杂散强度或相位调制、调制线性度及无杂散动态范围（SFDR）——往往远非最优。不同应用场景对调制器性能的要求各异，单一器件难以满足所有需求。

在此背景下，研究人员提出了一种可编程调制器设计，通过将现有E/O调制器嵌入全可配置的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）电路中，利用MZI的静态传输响应来补偿嵌入调制器电光响应中的缺陷，从而获得针对特定应用需求优化的调制响应曲线，包括更低的插入损耗、更高的调制效率或改善的SFDR。该设计作为与平台无关的模块化电路单元，可应用于支持相移器和E/O调制器技术的所有现有光子芯片平台。该研究发表在《Laser》期刊，对推动光子集成技术的通用性和适应性具有重要意义。

## 二、关键技术方法

本研究采用的核心技术方法包括：（1）基于双可调耦合器、高速调制器臂、静态相移器臂及抽头监测器构成的可编程MZI电路架构，其中可调耦合器由两个50:50多模干涉仪（MMI）耦合器和静态相移器组成；（2）利用片上热相移器（采用下切工艺的掺杂硅加热器）和监测光电探测器实现电路的自校准功能；（3）通过提取嵌入调制器的直流响应（光相位和幅度传输随施加电压的变化关系），建立准静态模型以预测和优化系统级性能，该表征无需预先了解调制器的设计或规格；（4）采用Jacobi-Anger展开对调制器线性化进行理论分析与数值仿真。实验所用样本基于imec iSiPP50G硅光子平台制造，包括PN结行波调制器、MRM和SiGe EAM。

## 三、研究结果

### 3.1 PN结行波调制器实验

**纯相位调制**：研究人员配置可编程调制器，使MZI的可调谐正弦强度响应具有与pn结杂散强度调制相反的斜率，从而在整个电路的工作点处抑制强度调制。当可调耦合器的耦合比设置为特定值时，传输的射频信号（即强度调制）可被整体抑制23 dB，最大抑制达70 dB。

**高射频增益强度调制**：通过平衡调制曲线斜率与总光学损耗，在特定耦合比配置下获得了最高射频增益。从高射频增益强度调制到低射频增益相位调制，该调制器实现了整体抑制，最大消光比在全频率范围内表现优异。

**高消光比强度调制**：利用两个可调耦合器补偿MZI的损耗不平衡，实现了高且稳定的消光比强度调制。在特定配置下（约60%光馈入pn结），在调制器偏置扫描中获得了38 dB的高消光比，且不依赖于光学载波波长。

**高线性度强度调制**：通过组合并抵消pn结非线性相位响应、非线性杂散强度响应以及MZI本身正弦响应这三类非线性源，显著线性化了强度调制响应。在特定配置下，于约1 GHz调制频率处测得SFDR达124.6 dB·Hz^2/3（噪声基底为-154.4 dBm/Hz），与传统铌酸锂体材料MZM的性能相当，同时保持了更为简单的系统结构。

### 3.2 SiGe EAM调制器实验

**高射频增益、低啁啾强度调制**：通过将部分光导向非EAM臂以降低系统总插入损耗，同时利用SiGe EAM的微弱杂散相位调制部分转换为强度调制，实现了射频增益提升。与独立SiGe EAM相比，调制器电路的插入损耗更低，整体实现了5.1 dB的增益改善。然而，受限于EAM的有限相位调制范围，其纯相位调制工作点几乎与MZI的零点重合，尚不足以实现有效的相位调制。

**高消光比强度调制**：利用EAM的相位调制特性，在特定配置下实现了40.2 dB的光学强度变化消光比，较单个SiGe EAM的极大消光比高出显著水平，以一定的额外插入损耗为代价。

**高线性度强度调制**：在特定偏置下，系统SFDR可提升至109 dB·Hz^2/3，较独立SiGe EAM提高约22 dB。在其他测试中，不同偏置条件下的SFDR从102.8 dB·Hz^2/3提升至126 dB·Hz^2/3，或从109 dB·Hz^2/3提升至更高水平，展现出优于此前报道结果的线性度优化能力。

### 3.3 微环谐振器调制器仿真

**高射频增益强度调制**：基于imec iSiPP50G平台制造的MRM（Q因子2212.1，共振波长1565.27 nm），在最佳射频增益波长处，通过设置特定耦合比和相位偏移，可将产生的射频信号额外提升约2.7 dB。

**低啁啾强度调制**：通过适当配置，可将相位变化从0.225 rad降低至0.046 rad，同时将强度变化从2.25 dB改善至5.1 dB，以约1 dB的额外插入损耗为代价。

**纯相位调制**：在特定配置下，强度变化可从9 dB降低至0.025 dB，而相位变化可从1.75 rad改善至1.95 rad。

**高消光比强度调制**：虽然独立MRM已实现约19 dB的消光比，但通过精确设置可编程调制器，理论上可实现无限消光比，此时嵌入的MRM仅提供约7 dB消光比，以约7.6 dB的额外光学插入损耗为 trade-off。

**高线性度强度调制**：在最佳射频增益波长处，通过优化配置可将SFDR提升约10 dB，伴随约0.5 dB的射频增益降低。

## 四、讨论总结

### 4.1 性能优化与固有限制

研究人员指出，可编程调制器电路在保持嵌入调制器电学带宽（约30 GHz）不变的前提下，实现了显著的性能提升。然而，大信号性能方面，由于硅光调制器调制效率较低通常需要大射频驱动信号，这可能限制优化效果；优化效果虽随输入信号功率增大而减弱，但仍提供可观的性能增强。光学长度匹配方面，两臂结构的不对称性导致色散引入额外相位差，使强度调制最大点无法完全与相位调制最小点匹配。

### 4.2 纯相位调制的验证

为验证纯相位调制能力，研究人员利用2 km光纤的色散特性构建了双抽头微波光子滤波器。滤波结果显示两种响应相互交错，证实光信号分别呈现相位调制和强度调制特性，验证了可编程调制器作为宽带射频滤波器的能力，实现了最大31 dB的可调 extinction ratio。

### 4.3 热串扰与功耗

基于热光相移器的演示存在热串扰问题。所采用的下切增强型热相移器实现了约0.0171 mW/rad的热效率，且对耦合比的串扰效应可忽略。替代方案包括采用特定静态参数设计制造的电路，或使用相变材料、微机电系统（MEMS）、液晶材料等低功耗、低串扰的光学相位调谐方案。

### 4.4 调制器线性化策略的对比

与利用片上受激布里渊散射（SBS）线性化双并联MZM等先前技术相比，本方法通过可调平衡MZI确定性调控光学载波，避免了带宽限制和Kramers-Kronig关系导致的相位幅度耦合，且无需高光学泵浦功率或特殊非线性材料。实验中采用约1 GHz的调制频率以平衡测量可靠性与系统复杂度，但该方案仅调节静态配置且使用平衡MZI结构（无自由光谱范围畸变），其线性化优化可等效地应用于更高频率。

## 研究结论

本文提出了一种通过静态相移器优化的可编程调制器电路，其中嵌入的调制器是唯一的高速组件，在各配置下均保持其电学带宽。该设计的简洁性确保了仿真与实验的一致性，以及与光子平台的通用兼容性。研究人员通过PN结行波调制器和SiGe EAM的实验验证，展示了该方案在光通信、激光雷达和微波光子学等领域的广泛适用性。具体而言，PN结调制器实现了70 dB的杂散强度调制抑制、38 dB的消光比以及124.6 dB·Hz^2/3的SFDR；SiGe EAM实现了5.1 dB的射频增益提升和40.2 dB的消光比；MRM仿真则展示了约2.7 dB的额外射频增益提升和无限消光比的潜力。该可编程调制器电路作为跨平台的可复用知识产权（IP）模块，为集成光子学的性能优化提供了新的电路级范式。