基于側向PN結和交趾型PN結的硅基Mach-Zehnder調(diào)制器的二階諧波失真特性

戚　偉,邵海峰,余　輝,江曉清

（1.浙江大學城市學院信息與電氣工程學院，浙江杭州 310015；2.浙江大學信息與電子工程學院，浙江杭州 310027）

基于側向PN結和交趾型PN結的硅基Mach-Zehnder調(diào)制器的二階諧波失真特性

戚偉1,2*,邵海峰2,余輝2,江曉清2

（1.浙江大學城市學院信息與電氣工程學院，浙江杭州 310015；2.浙江大學信息與電子工程學院，浙江杭州 310027）

高線性度的電光調(diào)制器是構建微波光子鏈路的核心器件。硅光子調(diào)制器利用PN結的載流子色散效應實現(xiàn)微波信號對光波的調(diào)制，基于不同結構PN結的調(diào)制器有不同的非線性特性。本文采用二階無雜散動態(tài)范圍表征二階諧波失真度，實驗研究了采用側向PN結和交趾型PN結所構成的Mach-Zehnder（MZ）調(diào)制器的二階諧波失真特性?；趥认騊N結和交趾型PN結的MZ調(diào)制器的二階無雜散動態(tài)范圍為分別為85.11 dB·Hz1/2、78.44 dB·Hz1/2，表明基于側向PN結的MZ調(diào)制器具有更好的線性度。

微波光子鏈路；硅基高速調(diào)制器；二階諧波失真；二階無雜散動態(tài)范圍

TN256

A

10.3788/fgxb20163706.0758

1 引 言

微波光子鏈路將微波與光波融合，已經(jīng)在寬帶無線通信、衛(wèi)星通信、高清電視、太赫茲技術和相控陣雷達等領域獲得廣泛應用，其實現(xiàn)的主要功能為：微波/毫米波信號的產(chǎn)生、傳輸及處理［1］。其中光載無線通信是微波光子系統(tǒng)最重要的應用之一［2］。將無線信號通過電光調(diào)制器調(diào)制到光波上并通過光纖傳輸，最后經(jīng)過光電探測器將無線信號通過天線發(fā)出，可以利用光纖的超低損耗、抗電磁干擾等特性實現(xiàn)對無線信號的有效分布，降低基站的復雜度。近年來，硅基光子系統(tǒng)由于其低成本、兼容CMOS工藝等優(yōu)點，在數(shù)據(jù)中心、高性能計算機等短距光互聯(lián)系統(tǒng)中得到了廣泛的應用［3］。如能充分利用硅光子技術優(yōu)勢，將有助于實現(xiàn)高性能、低成本微波光子鏈路的芯片集成，對未來微波光子學的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

微波光子鏈路輸出的無線信號質(zhì)量受到鏈路中光學器件的制約，其中電光調(diào)制器的非線性會造成輸出的無線信號產(chǎn)生新的頻率分量，稱為諧波失真及互調(diào)失真［4］，使通信質(zhì)量嚴重下降。硅基調(diào)制器利用PN結內(nèi)載流子耗盡效應［5］實現(xiàn)無線射頻信號對光波的調(diào)制。由于PN結電容對偏置電壓的非線性依賴關系，硅基調(diào)制器線性度不僅受調(diào)制曲線非線性的影響，還受PN結的非線性影響。與其他電光調(diào)制器如鈮酸鋰調(diào)制器相比，硅基調(diào)制器的非線性失真的成因更加復雜，消除也更加困難。目前針對硅基Mach-Zehnder（MZ）調(diào)制器［6-7］、微環(huán)調(diào)制器［8-9］以及微環(huán)輔助MZ調(diào)制器［10-11］的線性度優(yōu)化已經(jīng)見諸報道。一般說來，調(diào)制曲線的非線性——如硅基MZ調(diào)制器的cos/sin型調(diào)制曲線和硅基微環(huán)調(diào)制器的洛倫茲調(diào)制曲線是固定并且有章可循的，而PN結所引入的非線性受到具體摻雜濃度、摻雜圖形、工藝條件等共同影響，往往無法預先確定。

為了比較不同PN結結構對調(diào)制器線性度的影響，本文選用了基載流子耗盡型調(diào)制器設計中應用最廣泛的兩種PN結結構——側向（Lateral）PN結和交趾型（Interdigitated）PN結分別實驗了兩種調(diào)制器。無雜散動態(tài)范圍（SFDR）被用來表征微波光子鏈路的噪聲和高階諧波失真程度，優(yōu)化微波光子鏈路的SFDR性能使之滿足商業(yè)需求一直以來是學術界和工業(yè)界努力的方向［12-18］。為比較使用兩種結構PN結的調(diào)制器的二次諧波失真特性，本文采用二階無雜散動態(tài)范圍（SFDR2）來表征二階諧波失真程度，實驗結果可以為設計高線性度的微波光子調(diào)制器提供參考。

圖1　兩種摻雜結構的PN結的3D圖和俯視圖。（a）交趾型PN結；（b）側向PN結。陰影區(qū)為脊波導的標記。Fig.1 Schematic 3D diagrams and top views of the two doping patterns.（a）Interdigitated PN junction.（b）Lateral PN junction.Shaded areas in top views mark positions of rib waveguides.

2 器件結構

2.1PN結結構

如圖1所示，側向（Lateral）PN結和交趾型（Interdigitated）PN結是最常用的兩種PN結結構。在交趾型PN結中P區(qū)和N區(qū)在光傳輸方向上互相交叉，而側向PN結中P區(qū)和N區(qū)平行分置于脊波導兩邊。當PN結反偏時，載流子耗盡區(qū)面積增大，耗盡區(qū)內(nèi)載流子濃度減小。根據(jù)載流子色散效應，載流子濃度的變化會改變波導的有效折射率。脊波導的寬度和高度分別設計為500 nm和220 nm，為了與耦合光柵的工藝統(tǒng)一［19］，脊波導的刻蝕深度為淺刻蝕70 nm。P區(qū)和N區(qū)具有相同的摻雜濃度，脊波導PN結的摻雜濃度為1×1018/cm3，與脊波導邊緣相距1 μm為歐姆接觸區(qū)，摻雜濃度為1×1020/cm3。

2.2非對稱Mach-Zehnder調(diào)制器

圖2（a）為非對稱MZ調(diào)制器的結構圖，非對稱的兩相移臂之間的長度差為40 μm。不同波長經(jīng)過兩相移臂會產(chǎn)生不同的相位差，因此可以通過改變波長來設定偏置點。兩個低損耗的1×2多模干涉器（MMI）作為光波的合束與分束器，為了平衡損耗，MZM的兩個相移臂都包含PN結。無線射頻信號通過電極加載到調(diào)制器上改變波導的有效折射率，從而實現(xiàn)對光波的調(diào)制。圖2（b）為側向PN結的橫截面圖，交趾型PN結采用同樣的波導幾何尺寸和摻雜濃度，只是PN結形狀不同于側向PN結。

圖2　（a）非對稱MZ調(diào)制器；（b）側向PN結橫截面示意圖。Fig.2 （a）Asymmetric Mach-Zehnder modulator.（b）Cross section of lateral PN junction.

3 數(shù)學模型

MZ調(diào)制器的轉移方程記為：

其中Iout為調(diào)制器的輸出功率，Iin為調(diào)制器的輸入功率，漬（v）為所加載信號引起的相位變化。PN結非線性導致了相移臂中相位變化與所加電壓成非線性關系，可表示成多項式的關系：

其中系數(shù)a表示直流分量，系數(shù)b表征線性變化，而c、d表示非線性變化，如鈮酸鋰調(diào)制器的調(diào)制機理為線性電光效應，那么c=d=0，但是對于硅基調(diào)制器來說c、d不為0。假設無線射頻信號表示為v=v0cos（棕t），由于調(diào)制器非線性的影響，探測器輸出信號將存在很多新的頻率分量。根據(jù)泰勒級數(shù)展開，基頻分量（IFUNDA）、二階諧波分量（SHD）及三階諧波分量（THD）的功率表示為：

將公式（1）、（2）代入（3）～（5）中得：

公式（6）～（8）是PN結非線性和調(diào)制曲線非線性共同作用的結果。KSHD為二階諧波功率，表征二階非線性失真；KTHD為三階諧波功率，表征三階非線性失真。當調(diào)制器的調(diào)制機理為線性電光效應（c=d=0）時，調(diào)制器只受調(diào)制曲線的非線性影響。當工作于π/2工作點（a=π/2）時，KTHD、IFUNDA值達到最大，而KSHD的值為0最小；當工作于0、π工作點時，KSHD的值達到最大，而IFUNDA和KTHD的值為0。對于一般的微波光子鏈路來說，我們希望IFUNDA最大，而KSHD、KTHD盡可能地小，通過調(diào)節(jié)偏置點在π/2，可以使KSHD為0，而IFUNDA最大，但是KTHD也達到最大值，因此應該根據(jù)具體情況選擇適當?shù)钠命c。

4 實驗系統(tǒng)和結果

4.1實驗系統(tǒng)

圖3為調(diào)制器二階諧波失真特性測量的實驗裝置系統(tǒng)圖。通過測量探測器輸出端的基頻信號功率和二階諧波功率，可推算出二階無雜散動態(tài)范圍（SFDR2）這一分量，其定義為當二階諧波功率位于基底噪聲時，基頻信號功率與噪聲功率的比值，比值越大表示調(diào)制器的線性度越高。最后根據(jù)SFDR2數(shù)值可比較基于兩種PN結的MZ調(diào)制器的非線性程度。

可調(diào)激光器發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器和硅波導耦合光柵導入到非對稱MZ調(diào)制器中，分別對基于兩種PN結的非對稱MZ調(diào)制器進行測試；頻率為4 GHz的射頻信號通過集總電極加載到非對稱MZ調(diào)制器上，對光波進行調(diào)制，兩種非對稱MZ調(diào)制器的PN結長度均為1 mm。MZ調(diào)制器輸出光的1%通過光功率計進行功率檢測，不同波長的光將產(chǎn)生不同的相位差，進而可以檢測到不同的功率。通過監(jiān)測該功率可設置調(diào)制器偏置點。99%的光通過帶有光電探測器的頻譜分析儀，對基頻信號功率和二階諧波功率進行測量。

圖3　測試系統(tǒng)結構圖。TL：可調(diào)激光器。PC：偏振控制器。PM：光功率計。PD：光電探測器。ESA：頻譜分析儀。Fig.3 Schematic diagram of measurement system.TL：Tunable laser.PC：Polarization controller.PM：Power meter.PD：Photodetector.ESA：Electrical spectrum analyzer.

4.2實驗結果與討論

圖4為側向PN結非對稱MZ調(diào)制器二階諧波失真特性的測試結果。圖4（a）為基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨光波長，即調(diào)制器偏置點的變化關系。由前面分析可得，若調(diào)制器的調(diào)制機理為線性電光效應，那么當偏置點在0或π

相位時，即光功率最高或最低時，基頻信號功率最低而二階諧波功率最高。圖4（a）中基頻信號功率最低值和二階諧波功率最高值所在的位置與光功率最高或最低位置點存在偏差，這是由于側向PN結的非線性造成的。同樣，當偏置點為π/2時（對應于光功率下降3 dB的波長位置處），若為線性電光效應，此處基頻信號功率最高而二階諧波功率最低。實測結果依然與此存在偏差，整體右移。該實驗結果表明側向PN結的非線性對調(diào)制器的線性度有顯著的影響。通過實驗結果計算調(diào)制器的SFDR2同樣可說明側向PN非線性的影響。圖4（b）給出了SFDR2和光功率隨偏置點的變化關系。根據(jù)線性電光效應的理論可知，當光功率為最高或最低時（偏置點為0或π），SFDR2最??；當功率從最大值下降3 dB時（偏置點π/2），SFDR2最大。然而在圖4（b）反映出，由于PN結非線性的影響，SFDR2的最小值所處波長相較于光功率的最小和最大值所處波長存在右向偏移，SFDR2的最大值所處波長也相較于光功率衰減3 dB所處的波長存在右向偏移，但基本與線性電光效應的分析結果有相同的趨勢，最大的二階SFDR2為85.11 dB·Hz1/2。

圖4?。╝）側向PN結的基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨波長的變化關系；（b）調(diào)制器輸出光功率和SFDR2隨波長的變化關系。Fig.4 （a）Power of fundamental，SHD，MZ modulator's output as a function of wavelength for lateral PN junction.（b）Power of MZ modulator's output and SFDR2versus wavelength.

圖5 （a）交趾型PN結的基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨波長的變化關系；（b）調(diào)制器輸出光功率和SFDR2隨波長的變化關系。Fig.5 （a）Power of fundamental，SHD，MZ modulator's output as a function of wavelength for interdigitated PN junction.（b）Power of MZ modulator's output and SFDR2versus wavelength.

圖5為交趾型PN結非對稱MZ調(diào)制器二階諧波失真特性的測試結果。圖5（a）為基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨光波長的變化關系。當偏置為0相位即光功率最大值時，基頻信號功率達到最低值，與線性電光效應的理論結果基本相符。但是功率為最大值時，二階諧波功率本應為最高，然而圖5（a）所示的二階諧波功率接近最低值，這表明交趾型PN結要比側向PN結有更強的非線性，導致二階諧波功率完全與線性電光效應的理論分析結果相反。這也可以從圖5（b）交趾型PN結調(diào)制器的SFDR2的測試結果看出，最大的SFDR2僅為78.44 dB·Hz1/2，遠小于側向PN結調(diào)制器的85.11 dB·Hz1/2，表明交趾型PN結要比側向PN結擁有更強的非線性。

文獻［20］已對兩種PN結在性能上做了比較全面的總結，盡管其針對數(shù)字調(diào)制應用，但是依然可以從側面解釋上述實驗現(xiàn)象。文獻［21］的交趾型PN結擁有更高的調(diào)制效率，達到0.62 V· cm，遠遠高于側向PN結的調(diào)制效率，這是由于交趾型PN結有更高的電容，而電容恰恰決定了PN結的非線性程度，這也驗證了本文的實驗。實驗結果表明，交趾型PN結比側向PN結有更強的非線性，應用于微波光子鏈路，需要鏈路有更好的線性度，可以選擇基于側向PN結的MZ調(diào)制器實現(xiàn)無線射頻信號對光波的調(diào)制。

5 結 論

構建了基于兩種PN結——側向PN結和交趾型PN結的非對稱MZ調(diào)制器，并通過實驗對兩種調(diào)制器進行了二階諧波失真測試。實驗中基于交趾型PN結MZ調(diào)制器的SFDR2為78.44 dB· Hz1/2，而基于側向PN結MZ調(diào)制器的SFDR2為85.11 dB·Hz1/2，表明交趾型PN結有更強的非線性。對于光載無線通信系統(tǒng)應用，需要整個微波光子鏈路有較高的線性度，采用基于側向PN結的調(diào)制器可以得到更好的效果。

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戚偉（1984-），男，河南新蔡人，博士，副教授，2009年于浙江大學獲得博士學位，主要從事集成光電子器件方面的研究。

E-mail：qiw@zucc.edu.cn

Second Harmonic Distortion Comparison of Mach-Zehnder Silicon Modulators Based on Lateral and Interdigitated PN Junctions

QI Wei1，2*，SHAO Hai-feng2，YU Hui2，JIANG Xiao-qing2
（1.School of Information and Electrical Engineering，Zhejiang University City College，Hangzhou 310015，China；2.College of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）
*Corresponding Author，E-mail：qiw@zucc.edu.cn

Electro-optic modulators with high linearity are core devices of microwave photonic link. The modulation mechanism of the silicon optical modulator is based on the carrier dispersion effect which is nonlinear and its nonlinearity is highly related to the structure of PN junction.In this paper，the second-order spurious-free dynamic range（SFDR2）is introduced to characterize the second harmonic distortion（SHD）of modulators.The SHD of silicon optical Mach-Zehnder modulator（MZM）based on two most widely used doping patterns，i.e.，the lateral and the interdigitated PN junctions are compared with each other.The experimental results show that the lateral PN junction and interdigitated PN junction based MZMs have SFDR2of 85.11 dB·Hz1/2and 78.44 dB·Hz1/2，respectively.The lateral PN junction based MZM has a better linearity.

microwave photonic link；silicon-based high-speed optical modulator；second harmonic distortion；second-order spurious-free dynamic range

1000-7032（2016）06-0758-06

2016-01-25；

2016-03-10

國家自然科學基金（61307074）；浙江省公益技術應用研究計劃（2014C33026）資助項目