IEEE SiPhotonics2024 | 用于相干发射机的硅基光电子微环调制器的频率响应研究

7/24/2024，光纤在线讯，文章来源：逍遥设计自动化

引言
     硅基光电子技术已成为实现高性能、高性价比和紧凑型光子集成电路 （PIC） 的技术。硅基光电子微环调制器（RM）已被广泛用于数据中心互连等强度调制和直接检测（IM/DD）应用，研究人员对利用这些器件实现相干调制方案的兴趣也与日俱增。相干技术可提供更高的传输容量，并有可能满足超大规模数据中心日益增长的需求。然而，在硅基光电子工艺平台上实现紧凑而高性能的同相和正交（I/Q）调制器面临着技术挑战，其中之一就是彻底了解硅RM的相位调制特性。

     本文讨论了硅基光电子微环调制器复杂电光 （E/O） 频率响应的特性分析，包括幅度域和相位域。通过对这些响应进行精确测量和建模，可以优化基于微环调制器的相干发射机的性能。

      
器件描述
    所研究的器件是利用 IHP 硅基光电子技术制造的微环调制器。如图 1（a）所示，微环调制器的半径为 16μm，耦合间隙为 220nm，肋波导结构的厚度为 220nm，宽度为 500nm，板厚为 100nm。

      
图 1：（a）制作的硅基光电子微环调制器芯片照片；（b）过耦合微环调制器的相位调制工作点。

    微环调制器设计为在过耦合条件下工作，可在共振波长（λres）周围提供 2π 相移。如图 1（b）所示，这样就可以在工作波长（λin）上进行 π 相位调制，同时保持相同的光强度。所制造的微环调制器插入损耗为 10.0 分贝，λin 处的 Vπ（π 相移所需的电压）峰峰值为 5.7 V。

复 E/O 响应特性
    使用外差相干接收技术对 π 相位调制微环调制器的复 E/O 频率响应进行了表征。图 2（a） 描述了测量装置，其中包括激光源、掺铒光纤放大器（EDFA）、商用相干接收器（CoRx）以及用于数据采集和数字信号处理（DSP）的实时示波器（RTO）。
 
      
图 2：（a）表征 RM 复杂 E/O 响应的测量装置；（b）测量和模拟 RM 的归一化幅值和相位响应。

    电信号由射频信号源提供，经放大后通过偏置 T 传送到微环调制器。来自 RM 的调制光信号经 EDFA 放大后由 CoRx 接收，CoRx 使用本地振荡器 （LO） 激光器进行外差接收。RTO 获取 CoRx 输出信号，并由 DSP 进行离线处理，以获得复 E/O 响应。

    此外，还使用耦合模式理论（CMT）模型模拟复 E/O 频率响应，该模型根据测量的光传输光谱和电反射系数计算微环调制器的时域响应。对这些时域响应进行傅里叶变换后，就得到了模拟的复 E/O 频率响应。

    图 2（b） 显示了测量和模拟的幅值和相位频率响应。虽然存在一些测量误差，可能是由于所用元件的去嵌入不完全造成的，但总体测量结果与模拟结果十分吻合。

    在图 2（b）中，幅值响应的 3 分贝下降发生在 18.5 GHz，在该频率上，相位响应与低频值相比增加了约 +0.25π。在同一频率上出现 3 分贝幅度下降和 0.25π 相位增加的巧合表明，微环调制器相位调制可被模拟为一个简单的单极系统，这一点也得到了文献中提出的微环调制器小信号模型的证实。

结论
    本文讨论了硅基光电子微环调制器在幅度和相位域的复杂 E/O 频率响应特性。基于耦合模式理论模型的模拟验证了测量到的响应。本文介绍的表征技术为优化微环调制器以实现所需的相干发射机性能提供了有力工具，从而进一步推动了大容量、短距离相干光通信的发展。