硅基馬赫曾德電光調(diào)制設(shè)計優(yōu)化與實現(xiàn)

周林杰　周硯揚　陸梁軍

摘要：對單端推挽驅(qū)動硅基調(diào)制器進行了優(yōu)化設(shè)計和實驗驗證。為了獲得較高的調(diào)制器性能，首先對PN結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和摻雜濃度進行了仿真優(yōu)化，以提高調(diào)制效率并降低光傳輸損耗；其次，對行波電極的阻抗匹配、相位匹配和微波損耗予以了研究，重點分析了低摻雜平板區(qū)寬度、行波電極傳輸線寬度（TWE）和間距對調(diào)制性能的影響。在理論分析和仿真計算的基礎(chǔ)上，對單端推挽驅(qū)動調(diào)制器進行了頻譜測試、小信號響應(yīng)測試和高速調(diào)制碼型測試。調(diào)制器的片上插入損耗在7～9 dB，半波電壓約為5 V。偏置電壓為0 V時，優(yōu)化后的調(diào)制器的帶寬大于18 GHz，入射端反射系數(shù)低于-20 dB，行波電極具有較好的阻抗匹配。當(dāng)反偏電壓大于4 V時，調(diào)制器的帶寬可增加到30 GHz以上，并且能實現(xiàn)56 Gbit/s的二進制強度（OOK）調(diào)制和40 Gbit/s的二進制相移鍵控（BPSK）調(diào)制。

關(guān)鍵詞： 電光調(diào)制器；硅基光電子；高速收發(fā)模塊；光電子器件

Abstract： In this paper， the design optimization and experimental demonstration of single-drive push-pull silicon electro-optic modulators are presented. In order to improve the modulation efficiency and lower the optical propagation loss， the PN junction profile and doping concentrations are firstly optimized. Next， the impedance match， phase match and microwave loss are studied， and in particular， the influence of low-doping slab width， travelling-wave electrode （TWE） width and spacing on the modulator performance are analyzed. Following the comprehensive theoretical analysis and numerical simulation， the modulator performance measurements， including the optical transmission spectrum upon single-drive push-pull tuning， small-signal microwave signal response， and high-speed digital signal modulation are consequently carried out. The on-chip insertion loss of the modulators is around 7-9 dB and the half-wave voltage is 5 V. At a bias voltage of 0 V， the optimized modulator has a modulation bandwidth of >18 GHz. The microwave reflectivity at the entrance of the TWE is less than -20 dB， suggesting good impedance match. When the reverse bias voltage is increased to 4 V， the modulation bandwidth can exceed 30 GHz， allowing for realization of 56 Gbit/s on-off keying （OOK） and 40 Gbit/s binary phase-shift keying （BPSK） modulations.

Key words： electro-optic modulator； silicon photonics； high-speed transceiver； optoelectronic devices

硅基電光調(diào)制器由于其綜合性能出眾，吸引了全球各高校、研究所和企業(yè)的持續(xù)關(guān)注。中科院半導(dǎo)體所、上海交通大學(xué)和北京大學(xué)[1-10]等是中國最早開展相關(guān)研究的科研機構(gòu)，同時中興通訊、武漢光迅等企業(yè)已經(jīng)開展了硅基調(diào)制器的產(chǎn)品化工作，并取得了初步的成果。在其他國家，知名的研究機構(gòu)和高校如美國的諾基亞貝爾實驗室、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、特拉華大學(xué)、加拿大的麥吉爾大學(xué)、多倫多大學(xué)、新加坡微電子研究所、英國薩里大學(xué)、南安普敦大學(xué)和比利時的根特大學(xué)等在硅基調(diào)制器方面也進行了多年研究，涵蓋了調(diào)制器設(shè)計和集成，也在新材料的應(yīng)用、工藝加工和新結(jié)構(gòu)探索方面持續(xù)創(chuàng)新，推動硅基調(diào)制器的進步和實用化發(fā)展[11-23]。此外，美國的Intel、Cisco、Acacia和日本的Fujikura等公司均已推出了100 G的光模塊，投放在光互連市場。隨著今后光網(wǎng)絡(luò)升級到400 G以及數(shù)據(jù)中心規(guī)模的進一步擴大，對硅基載流子耗盡型馬赫曾德調(diào)制器（MZI）的進一步研究將主要集中在3個方面：（1）提高帶寬同時減小功耗；（2）調(diào)制器、驅(qū)動電路和激光器的集成；（3）采用波分復(fù)用和高階碼型調(diào)制提高數(shù)據(jù)速率。

提高帶寬和減小功耗主要通過優(yōu)化行波電極和PN二極管結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。加拿大麥吉爾大學(xué)所設(shè)計的硅基調(diào)制器[24]，行波電極不同于傳統(tǒng)共面波導(dǎo)（CPW）和共面帶狀線（CPS）結(jié)構(gòu)，它在兩條傳輸線內(nèi)側(cè)面向波導(dǎo)方向引入“金屬橋”，然后連接一塊金屬電極，構(gòu)成T型結(jié)構(gòu)，用于驅(qū)動PN二極管。此結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化T型結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以提高調(diào)制性能。在PN二極管中影響調(diào)制效率的主要是耗盡層與光模式的交疊部分，波導(dǎo)兩側(cè)壁附近的摻雜區(qū)域除了帶來光傳輸?shù)膿p耗之外，并沒有對調(diào)制效率的提高有太多有益的影響。通過對波導(dǎo)邊緣區(qū)域進行補償摻雜降低該區(qū)域的載流子濃度，可以有效減小光傳輸損耗[25]。提高調(diào)制效率也可以采用一種改進后的PN二極管結(jié)構(gòu)[25]，此結(jié)構(gòu)同時存在橫向PN結(jié)和縱向PN結(jié)，形成L形耗盡區(qū)域。當(dāng)施加反向電壓后，整個波導(dǎo)的中心部分均為耗盡區(qū)域，因此實現(xiàn)了更高的調(diào)制效率。endprint

硅為間接帶隙材料，不能直接用于制作激光器，目前主流的激光器與硅調(diào)制器集成方案為異質(zhì)混合集成或在硅上外延生長III-V族材料。法國里昂大學(xué)的研究團隊將布拉格光柵反射鏡、激光器、波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器、移相器、MZI調(diào)制器和波導(dǎo)光纖耦合器集成在同一個芯片上[26]。法國Ⅲ-Ⅴ族實驗室聯(lián)合CEA-Leti、MINATEC、IMEC和Bell共同研發(fā)了調(diào)制器與激光器集成芯片，其中分布式布拉格光柵激光器的輸出波長范圍可以覆蓋整個C波段，調(diào)制器的調(diào)制帶寬在13 GHz以上，從而可以實現(xiàn)25 Gbit/s的調(diào)制速率[27]。另一種目前主流的集成方式是將電驅(qū)動芯片和硅光芯片混合集成在同一基板上。武漢郵電科學(xué)院實現(xiàn)了集成化硅光調(diào)制器[28]，將硅光調(diào)制器芯片與驅(qū)動芯片通過金線鍵合實現(xiàn)一體化封裝，可以實現(xiàn)25 Gbit/s的調(diào)制速率。IBM的集成芯片也是將硅光調(diào)制器芯片和驅(qū)動芯片集成在同一個基板上[29]，該芯片的特點為調(diào)制器采用分段行波電極，每段電極均配有驅(qū)動電路，可以實現(xiàn)25 Gbit/s的二進制啟閉鍵控（OOK）調(diào)制和46 Gbit/s的脈幅調(diào)制（PAM-4）調(diào)制。

采用波分復(fù)用和高階碼型調(diào)制可以獲得更高速率調(diào)制。Luxtera公司研發(fā)的硅光集成波分復(fù)用光收發(fā)芯片[30]，集成了4路MZI調(diào)制器、4路波分復(fù)用與解復(fù)用模塊、4路光探測模塊和其他附屬功能模塊，每路可以產(chǎn)生10 Gbit/s的調(diào)制信號。諾基亞貝爾實驗室研發(fā)了偏振復(fù)用QPSK光發(fā)射芯片[31]，正交相移鍵控（QPSK）信號由IQ調(diào)制器產(chǎn)生（一個MZI調(diào)制器產(chǎn)生I路信號，另一個平行MZI調(diào)制器產(chǎn)生Q路信號）。輸入光分兩路分別進入兩組IQ調(diào)制器進行QPSK調(diào)制，其中一組由偏振旋轉(zhuǎn)器將調(diào)制后的信號由準(zhǔn)橫電波模式（TE）旋轉(zhuǎn)成準(zhǔn)橫磁波模式（TM），再和另一組TE合成構(gòu)成PDM-QPSK調(diào)制器。每一路的IQ調(diào)制器可實現(xiàn)56 Gbit/s的QPSK調(diào)制，經(jīng)過偏振復(fù)用就能達到112 Gbit/s的PDM-QPSK調(diào)制。之后，貝爾實驗室在該工作的基礎(chǔ)之上，通過兩級QPSK的級聯(lián)并與鍺探測器集成研發(fā)出了224 Gbit/s的PDM-16-QAM光收發(fā)模塊[32]。

1 高速電光調(diào)制器設(shè)計

硅基載流子色散型電光調(diào)制器的基本設(shè)計思路可以概括為如下幾個步驟：首先是光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以是簡單直波導(dǎo)實現(xiàn)相位調(diào)制，或者是基于干涉或諧振結(jié)構(gòu)實現(xiàn)強度調(diào)制；其次是載流子色散效應(yīng)的電學(xué)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，可以采用PN二極管或者金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）電容；最后是高速電極設(shè)計，電極好壞直接關(guān)系到調(diào)制器的響應(yīng)速度，需要精確設(shè)計電路結(jié)構(gòu)。光學(xué)結(jié)構(gòu)目前采用較多是微環(huán)諧振腔和馬赫曾德干涉儀，在光學(xué)設(shè)計中波導(dǎo)的幾何尺寸對器件的性能有著很大的影響：提高波導(dǎo)寬度可以有效減少波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度引起的光損耗，但波導(dǎo)太寬會導(dǎo)致高階光波導(dǎo)模式出現(xiàn)，降低器件的性能；增加平板層厚度可以減小波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度對光傳輸?shù)挠绊?，同時提高單模波導(dǎo)寬度的上限，但由于一部分光泄露到波導(dǎo)兩側(cè)，會降低光調(diào)制效率。載流子色散效應(yīng)根據(jù)電學(xué)實現(xiàn)方式可以歸總為載流子注入、載流子耗盡和載流子積累[33]。在電學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要著重考慮電學(xué)結(jié)構(gòu)所能實現(xiàn)的調(diào)制效率以及對光傳輸損耗的影響，其中載流子濃度分布形狀影響較大。電極設(shè)計可以采用集總電極或行波電極。集總電極較小，可以靈活布局于芯片上任意位置，設(shè)計時所需要考慮的因素是減小電容和電阻以提高帶寬；而行波電極長度通常在毫米量級，在設(shè)計時需要考慮3方面因素：（1）減小微波傳輸損耗；（2）行波電極的特性阻抗需要匹配到50 Ω，滿足與微波系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω端口兼容，減少反射損耗，確保行波電極上的有效驅(qū)動電壓；（3）行波電極的有效折射率與光波群折射率相匹配，使微波信號和與光信號達到最強相互作用。將上述不同光學(xué)結(jié)構(gòu)、電學(xué)結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)進行組合，就可以構(gòu)成不同類型調(diào)制器。

1.1 單端推挽驅(qū)動調(diào)制器整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為單端推挽驅(qū)動硅基馬赫曾德調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖[34]。該調(diào)制器基于絕緣襯底上的硅（SOI）晶圓設(shè)計，光學(xué)部分采用的是非對稱MZI結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)節(jié)波長來選擇調(diào)制器的偏置點。調(diào)制器的3 dB分路器和合路器采用多模干涉結(jié)構(gòu)（MMI），MMI結(jié)構(gòu)的特點是分光均勻損耗小。由截面圖所示，MZI兩臂的波導(dǎo)中均嵌入PN二極管，波導(dǎo)的外側(cè)為P型摻雜，內(nèi)側(cè)為N型摻雜。MZI兩臂外側(cè)的平板層為高濃度的P型重摻雜區(qū)，用于連接行波電極保證良好歐姆接觸。MZI兩臂內(nèi)側(cè)平板區(qū)為高濃度的N型重摻雜區(qū)，一方面將兩個PN二極管連接，另一方面連接直流偏置電極。行波電極使用的是共面微帶線結(jié)構(gòu)，兩條傳輸線位于MZI外側(cè)，分別為信號線（S）和接地線（G）。相比雙端差分驅(qū)動調(diào)制器，該調(diào)制器具有如下兩個特點：

（1）行波電極的信號線通過P型電阻、PN結(jié)電容、N型電阻、PN結(jié)電容和P型電阻連接到行波電極的接地線。其中兩個PN結(jié)電容串聯(lián)，其電容值減小一半，可以有效降低行波電極的微波損耗。需要注意的是輸入微波信號的幅度也相應(yīng)需要增加一倍，因為微波信號被均分負載在兩個PN結(jié)上。

（2）采用單端口微波輸入，即可實現(xiàn)推挽驅(qū)動，減小了驅(qū)動電路復(fù)雜度，利于實現(xiàn)多個調(diào)制器的集成。假設(shè)微波信號驅(qū)動電壓為Vpp*sin（wt），直流偏置電壓為Vb，通過MZI中間N型重摻雜區(qū)加載到調(diào)制器上。當(dāng)直流和微波信號同時施加在調(diào)制器時，一個調(diào)制臂PN結(jié)上的電壓為 -Vb +Vpp/2*sin（wt），另外一個調(diào)制臂PN結(jié)上的電壓為-Vb -Vpp/2*sin（wt）。由此可見，在一個驅(qū)動信號周期內(nèi)，調(diào)制器形成以-Vb為偏置電壓，在[-Vpp/2， -Vpp/2]范圍內(nèi)交替變化的完美推挽驅(qū)動。相比雙端差分驅(qū)動調(diào)制器，該調(diào)制器僅用一個端口就可以實現(xiàn)推挽驅(qū)動，推挽信號由調(diào)制器電極自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，可以確保相位嚴(yán)格相差p，幅值相同。采用推挽驅(qū)動的調(diào)制器可以有效減小信號啁啾，提高長距離傳輸時的信號質(zhì)量。endprint

1.2 驅(qū)動臂上PN結(jié)設(shè)計

MZI調(diào)制器驅(qū)動臂上PN結(jié)設(shè)計分成2個部分：第1部分為波導(dǎo)和PN結(jié)幾何結(jié)構(gòu)，第2部分為PN結(jié)摻雜濃度。重要的幾何參數(shù)包括：波導(dǎo)寬度Wrib、波導(dǎo)高度Hrib、平板層高度Hslab、低濃度平板層寬度Sdop、N型重摻雜平板層寬度Wn和P型重摻雜平板區(qū)寬度Wp。我們采用硅光器件常規(guī)的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即Hrib為220 nm，Wrib為500 nm。Hslab的增大將導(dǎo)致PN結(jié)串聯(lián)電阻減小，有利于提高調(diào)制器帶寬；但同時Hslab的增大會導(dǎo)致更多的光能量擴散到slab層中，減小了光場與PN結(jié)耗盡區(qū)的交疊積分，會使調(diào)制效率降低。綜合考慮兩者因素，我們選擇Hslab為90 nm。

PN結(jié)的摻雜濃度NA（P型摻雜）和ND（N型摻雜）是影響調(diào)制器性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)等離子色散效應(yīng)，硅中的自由載流子濃度會對折射率的實部和虛部同時產(chǎn)生影響，即影響調(diào)制器的調(diào)制效率和光傳輸損耗。我們使用多物理場仿真軟件（Comsol）來仿真調(diào)制器的調(diào)制效率和光損耗。NA和ND的變化區(qū)間為1017/cm3～1018/cm3，由于耗盡區(qū)的寬度與PN結(jié)所加的偏置電壓Vb有關(guān)，所以調(diào)制效率可通過波導(dǎo)的有效折射率對電壓求導(dǎo)近似得到，其中在偏置電壓為Vb的情況下半波電壓的計算公式為：

[VπLdneffdVV=Vb=λ2] （1）

調(diào)制效率Vp·L可以通過Vp與高速移相器的長度L的乘積得到。圖2a）中所示為調(diào)制器效率仿真的結(jié)果。PN結(jié)在波導(dǎo)內(nèi)的偏移量Δjun為100 nm，波長為1 550 nm，偏置電壓Vb =0 V，長度L為3 mm。可以看出提高摻雜濃度可以有效提高調(diào)制效率，但當(dāng)NA和ND的濃度大于9×1017/cm3以后調(diào)制效率的增長趨于恒定。另一方面，由圖2b）可知，當(dāng)摻雜濃度提高后，由于載流子吸收效應(yīng)增強，會使調(diào)制器的光損耗增大。因此，在選擇PN結(jié)摻雜濃度時要綜合考慮調(diào)制效率和光損耗。

PN結(jié)的偏移量Δjun也是決定調(diào)制器性能的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)PN結(jié)向N區(qū)偏移0.05 mm時，波導(dǎo)的有效折射率變化（0 V和-4 V下波導(dǎo)有效折射率差別）最大，即調(diào)制器的調(diào)制效率最高。對于光損耗，當(dāng)PN結(jié)向正軸偏移量越大，波導(dǎo)的光損耗越小，這是因為空穴對光的吸收效應(yīng)要小于電子。如果追求最高的調(diào)制效率，Δjun選擇50 nm為最優(yōu)值，如果綜合考慮調(diào)制效率和光損耗，Δjun選擇100 nm為最佳。

圖3所示為PN結(jié)的摻雜濃度對行波電極特性的影響。提高摻雜濃度可以有效減小行波電極的特性阻抗，增大行波電極的有效折射率以及增大微波的傳輸損耗。為了能夠?qū)崿F(xiàn)較高的調(diào)制效率和帶寬，同時兼顧較低的光損耗和微波損耗。我們選擇P型摻雜為4×1017/cm3，N型摻雜為1×1018/cm3，在該濃度下，當(dāng)Vb = 0 V，摻雜引起的光損耗為1.85 dB/mm，調(diào)制器效率為1.05 V·cm。

1.3 高速行波電極設(shè)計

影響行波電極性能的參數(shù)有：電極寬度Wmt、電極傳輸線間距Gmt、電極厚度Tmt、通孔間距Gvia、通孔寬度Wvia、SiO2上包層厚度Hclad和PN結(jié)結(jié)構(gòu)的尺寸，其中需要重點優(yōu)化的是Sdop， Wmt和Gmt。

低摻雜平板區(qū)寬度Sdop對微波傳輸損耗的影響較大，而對特性阻抗和微波有效折射率的影響較小。減小Sdop時因為PN結(jié)的串聯(lián)電阻會減小，微波損耗會減小，從而可以提高調(diào)制器帶寬。減小Sdop的代價是會增大光的傳輸損耗，因此需要在光損耗和微波損耗間做個折中選擇。采用分段PN結(jié)可以有效阻止電流在平板層的傳輸，有利于減小微波損耗。隨著頻率的升高，采用分段PN結(jié)的行波電極比常規(guī)非分段PN結(jié)的行波電極微波損耗減小更加明顯。

行波電極金屬傳輸線寬度Wmt和間距Gmt這兩個參數(shù)共同影響電磁場的分布，它們對行波電極特性的影響是相互關(guān)聯(lián)的。圖4所示為仿真得到的不同Wmt和Gmt組合下調(diào)制器的電光（EO）帶寬。減小Wmt會提高調(diào)制器帶寬；減小Gmt會先增大EO帶寬，當(dāng)達到一個臨界值后會使帶寬下降。重摻雜平板區(qū)寬度（Wp， Wn）對微波有效折射率、傳輸損耗和特性阻抗會有一定影響。增大Wp和Wn會使微波傳輸損耗和微波有效折射率同時增大，兩者對特性阻抗影響并不大。我們選取多種組合Wp和Wn，分別側(cè)重降低微波傳輸損耗或?qū)崿F(xiàn)更好的光與微波的相位匹配。

綜合上述仿真分析，我們在調(diào)制器設(shè)計中選取多種參數(shù)組合（見表1），之后通過實驗來檢測不同設(shè)計對調(diào)制器性能的影響。

2 端推挽驅(qū)動硅基調(diào)制器

實驗測試

2.1 直流測試

圖5為MZM-5與MZM-7傳輸頻譜和調(diào)制效率的測試結(jié)果圖。這兩個調(diào)制器PN結(jié)的差別在于結(jié)的位置偏移量Δjun不同，分別為0.1 mm和0.05 mm。改變偏置電壓會使頻譜移動，說明了載流子色散效應(yīng)起到了改變相位的效果。它們的靜態(tài)消光比都在15 dB以上，說明了MMI具有較均勻的分光比。頻譜最高點代表了整個測試鏈路的損耗，包括光纖的傳輸損耗、偏振控制器插損、光纖與波導(dǎo)的耦合損耗和調(diào)制器片上損耗，其中片上損耗包括載流子吸收損耗和波導(dǎo)固有損耗。我們通過測試參考直波導(dǎo)得到了光纖與波導(dǎo)的耦合損耗約為4.5 dB，兩個端面的損耗合計為9 dB，MMI分路器和合路器的損耗為0.9 dB，光纖鏈路和偏振控制器損耗約為1 dB。因此MZM-5的片上損耗為7 dB，MZM-7的片上損耗約合計為9 dB。

根據(jù)MZI的傳輸函數(shù)，頻譜移動一個自由光譜范圍（FSR）相當(dāng)于相位改變了2p，因此可以通過頻譜移動的距離來確定相位的變化。根據(jù)實驗結(jié)果可知MZM-5的Vp約為5.25 V，MZM-7的Vp約為5 V。圖5c）和d）為提取的MZM-5和MZM-7的調(diào)制效率隨反偏電壓變化曲線。偏置電壓升高會使調(diào)制效率降低，因此在較低的偏置電壓下，可以用較小的驅(qū)動電壓實現(xiàn)調(diào)制，但調(diào)制帶寬也會相應(yīng)變小。當(dāng)Δjun從0.05 mm變化到0.1 mm時，損耗的降低較為明顯而調(diào)制效率的變化不是很明顯。endprint

2.2 微波小信號測試

調(diào)制器小信號動態(tài)測試主要測試行波電極的S參數(shù)、特性阻抗和調(diào)制器的EO帶寬。在S參數(shù)測試中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的兩個端口分別通過探針加載到行波電極的輸入和輸出端，測試前先進行校準(zhǔn)來去掉線纜、轉(zhuǎn)接頭和探針的影響。這里我們使用標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)基片，對微波鏈路短路、開路、阻抗匹配和通路4種狀態(tài)進行校準(zhǔn)，簡稱SOLT （short-open-load-thru）法。圖6所示為表1給出的7種調(diào)制器結(jié)構(gòu)在偏置電壓Vb=0 V的情況下，行波電極（EE） S參數(shù)的測試結(jié)果。在這7種調(diào)制器中，MZM-1為參考調(diào)制器，其他調(diào)制器均是以它為基礎(chǔ)進行改進優(yōu)化。由圖6a）所示，該行波電極S21電學(xué)6.4 dB帶寬為14.9 GHz。采用6.4 dB EE帶寬作為衡量標(biāo)準(zhǔn)是因為在阻抗和相位匹配條件下，6.4 dB EE帶寬對應(yīng)于3 dB EO帶寬。調(diào)制器MZM-2、3 S11參數(shù)明顯大于調(diào)制器MZM-4、5、6，說明其阻抗匹配較差。MZM-5具有較高的電學(xué)帶寬（18.3 GHz），同時MZM-5微波反射系數(shù)S11基本上可以低于-20 dB。MZM-7在MZM-1的結(jié)構(gòu)上改用了分段PN二極管結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以提高行波電極電學(xué)帶寬。

圖7a）為MZM-2和MZM-3在偏置電壓4 V的情況下S21的測試結(jié)果。MZM-2的S21曲線和MZM-3的S21曲線較為接近，帶寬差別不大，說明Sdop變化0.1 mm（從0.6 mm變化到0.5 mm）對行波電極影響不大。圖7b）為在4 V偏置電壓下，MZM-1、5、7的S21測試結(jié)果。MZM-1為參考調(diào)制器，其S21參數(shù)最差。MZM-5在MZM-1基礎(chǔ)上對電極結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，因此其表現(xiàn)出更好的S21參數(shù)。MZM-7與MZM-1的行波電極結(jié)構(gòu)一樣，但采用了分段PN二極管結(jié)構(gòu)。根據(jù)等效電路模型的理論，該結(jié)構(gòu)減少了slab層對微波損耗的影響，因此減小了微波損耗。

我們接著進一步對調(diào)制器MZM-1、5、7進行了EO帶寬測試，結(jié)果如圖8a）所示。MZM-1的EO-3 dB帶寬為29 GHz，經(jīng)過優(yōu)化的MZM-5的EO-3 dB帶寬可以達到33 GHz，MZM-7由于采用了分段PN二極管結(jié)構(gòu)，因此其EO響應(yīng)的表現(xiàn)也好于MZM-1，帶寬在30 GHz以上。圖8b）所示為MZM-5在不同偏置電壓下的EO S21響應(yīng)，可以明顯的看出提高偏置電壓可以有效地增加調(diào)制器的EO帶寬。當(dāng)偏置電壓增大后，PN結(jié)的耗盡層增大導(dǎo)致結(jié)電容減小，因而提高了調(diào)制器的帶寬。

2.3 調(diào)制信號眼圖測試

我們對設(shè)計的調(diào)制器進行高速調(diào)制測試，信號源采用40～56 Gbit/s的脈沖模式發(fā)生器（PPG）（keysight N4975A），它能產(chǎn)生碼型為215-1的偽隨機碼（PRBS），示波器選用keysight的數(shù)字信號分析儀 （DSA-X 93204A）。由于單端驅(qū)動調(diào)制器中有專用的直流偏置信號線，因此偏置電壓可經(jīng)直流探針直接加載到調(diào)制器上。在OOK調(diào)制時，調(diào)制器的工作點選擇在MZI傳輸譜的-3 dB處，即兩臂相位差為p /2。在BPSK調(diào)制時，調(diào)制器的工作點選擇在MZI傳輸譜的最低點處，即兩臂相位差為p，BPSK的星座圖可以通過光調(diào)制分析儀測得（OMA N4392A）。由于待測的調(diào)制器采用非等臂的MZI，故可以通過調(diào)節(jié)波長來改變調(diào)制器的工作點。

圖9所示為MZM-7在調(diào)制速率為32 Gbit/s情況下輸出信號的眼圖，眼圖上方顯示的為示波器測得的實時波形，其中藍色線為時鐘信號，黃色線為數(shù)據(jù)信號。圖9a）給出調(diào)制器在偏置電壓Vb為0.7 V微波信號幅度Vpp為1.4 V條件下的眼圖。調(diào)制信號消光比為4.2 dB，Q值為3.9。圖9b）為Vb增大到1.5 V，Vpp提高到3 V時的調(diào)制信號眼圖。此時，消光比提高到了6.6 dB，而Q值也提高到了5.24。實驗結(jié)果表明：該調(diào)制器具有較高的調(diào)制效率和帶寬，采用低驅(qū)動電壓就可以獲得清晰的調(diào)制眼圖。

圖10所示為MZM-5在50 Gbit/s速率下輸出調(diào)制信號的眼圖。為了獲得較高的消光比，PPG的輸出信號經(jīng)電放大器放大到Vpp為7.8 V。在Vb為2 V情況下，調(diào)制信號的下降沿出現(xiàn)兩條重影，說明此時調(diào)制器的帶寬已經(jīng)不能很好支持該調(diào)制速率。從眼圖上方測得的實時碼型圖中可以看出，過長的上升沿時間或下降沿時間使得信號還沒完成“0”和“1”電平之間的完全翻轉(zhuǎn)就又產(chǎn)生變化。為了解決該問題，我們通過增大偏置電壓來提高器件的EO帶寬。當(dāng)Vb增加到6 V時，眼圖質(zhì)量得到了較為明顯的改善，獲得的消光比為 6 dB，Q值為5.05。

圖11所示為MZM-5和MZM-7在56 Gbit/s速率下測得的眼圖。驅(qū)動電壓為Vb=6 V和Vpp=7.8 V。MZM-5的消光比為4 dB，Q值為3.73，由于MZM-7的EO帶寬小于MZM-5， 所以其眼圖質(zhì)量較差。對比50 Gbit/s的眼圖，56 Gbit/s時的調(diào)制信號質(zhì)量有了明顯的惡化，這是一方面是由于調(diào)制器的帶寬限制，另一方面是由于PPG輸出信號已經(jīng)達到最大速率，其輸出電信號質(zhì)量本身已經(jīng)下降。

在對調(diào)制器進行BPSK測試時，工作點選擇在MZI的最小傳輸點。BPSK輸出信號的特點是信號幅值恒定而相位在0和p間變換，實現(xiàn)p相移對調(diào)制效率有著較高的要求，因此在測試是我們將偏置電壓Vb降低為4 V。圖12所示為通過調(diào)制分析儀測試得到的BPSK信號誤碼率與接收光功率之間的關(guān)系。當(dāng)MZM-5調(diào)制信號的信噪比（OSNR）為15.56 dB時，信號的Q值為6.578，信號幅度誤差和相位誤差分別為18.9%和6.9%，誤差向量幅度（EVM）為21.99%。輸出信號的（二進制）誤碼率（BER）在10-13量級以下，低于前向糾錯技術(shù)對誤碼率的要求，提高接收信號的光功率可以進一步減小誤碼率。MZM-7的誤碼測試結(jié)果與MZM-5接近。endprint

3 結(jié)束語

大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的廣泛建立以及骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)的升級換代，市場對100 G和400 G光模塊的需求日益增長，并且對器件成本和集成度的要求也顯著提高。硅基光電子技術(shù)是近十年來發(fā)展速度最快、最具有前景的光電子技術(shù)之一，由于它的制作工藝與現(xiàn)有微電子互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容，造就了其成本低、功耗小、便于和電芯片集成的獨特優(yōu)勢。另外由于硅波導(dǎo)對光波具有很強的限制能力，因此可以減小器件尺寸，提高單位面積上光器件的集成度。調(diào)制器是光收發(fā)模塊中的核心器件，近年來發(fā)展十分迅速，其中載流子耗盡型調(diào)制器是目前研究最為廣泛的硅基調(diào)制器類型。文章中，我們研究了單端推挽驅(qū)動調(diào)制器的設(shè)計與優(yōu)化，并對加工后的器件進行了系統(tǒng)測試和對比。芯片測試結(jié)果表明調(diào)制器的EO帶寬在偏置電壓-4 V時可以達到30 GHz以上，能實現(xiàn)56 Gbit/s OOK調(diào)制和40 Gbit/s BPSK調(diào)制。硅基調(diào)制器性能的提高還需要進一步優(yōu)化電學(xué)和光學(xué)結(jié)構(gòu)，一方面可以設(shè)計新型行波電極結(jié)構(gòu)（比如分段電極），以同時滿足阻抗匹配和相位匹配兩方面要求，另一方面設(shè)計新型的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，以增強載流子和光波的作用，提高調(diào)制器效率。

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