前面兩期我們分別介紹了電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)和常見的幾種調(diào)制結(jié)構(gòu)，其中包括了載流子注入型、載流子耗盡型以及載流子積累型在內(nèi)的三中常見的調(diào)制結(jié)構(gòu)，并簡單總結(jié)了三種結(jié)構(gòu)的調(diào)制機制、調(diào)制過程、所需的電極結(jié)構(gòu)、以及優(yōu)缺點和適用范圍。對于載流子注入型調(diào)制結(jié)構(gòu)而言，它的調(diào)制效率高，使用結(jié)構(gòu)簡單的集總電極，工藝簡單利于制造，適用于對調(diào)制速度要求不高的片上傳感等領(lǐng)域。載流子耗盡型調(diào)制結(jié)構(gòu)依賴多數(shù)載流子的注入，它的調(diào)制速度快，多采用馬赫-曾德爾型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并使用行波電極作為驅(qū)動電極，多應(yīng)用于需要高速調(diào)制的領(lǐng)域。與前兩種結(jié)構(gòu)相比，載流子積累型也有較高的調(diào)制速度，但需要氧化物來充當(dāng)電容，增加了工藝難度，現(xiàn)階段應(yīng)用范圍較窄。本期我們針對硅光調(diào)制器的幾種常見的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如微環(huán)諧振腔、馬赫-曾德爾干涉儀、慢光諧振腔以及邁克爾遜干涉儀等，簡單闡述這些結(jié)構(gòu)的基本原理、調(diào)制機制、優(yōu)缺點、性能參數(shù)和應(yīng)用范圍。等硅基光電調(diào)制器的常見光學(xué)結(jié)構(gòu)
1)?結(jié)構(gòu)概述：
微環(huán)諧振器（Micro-Ring Resonator, MRR）作為典型的光學(xué)諧振器件，具有良好的波長選擇性、腔內(nèi)增強特性以及高品質(zhì)因數(shù)，因此廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感、光學(xué)濾波、激光器、調(diào)制器等領(lǐng)域。隨著微納加工工藝的發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)了半徑為1.5μm的微環(huán)。對于激光器、調(diào)制器等有源器件而言，小的微環(huán)尺寸可實現(xiàn)小的驅(qū)動電流、高的調(diào)制頻率。
如圖1所示，典型的MRR結(jié)構(gòu)由直波導(dǎo)和閉合環(huán)形波導(dǎo)兩部組成，光從輸入波導(dǎo)的輸入端進(jìn)入，傳播至微環(huán)處一部分光以倏逝波的方式耦合到環(huán)形波導(dǎo)中，另一部分光從直通段輸出。耦合進(jìn)入環(huán)形波導(dǎo)的光在傳播一周改變的相位正好等于2π的整數(shù)倍，與新耦合進(jìn)入微環(huán)的光滿足相干條件，兩者相互干涉產(chǎn)生諧振增強效應(yīng)。滿足公式：
該公式稱為微環(huán)的諧振條件公式，其中，R為微環(huán)半徑；neff為微環(huán)中光的有效折射率；λ為諧振波長；m表示諧振級次（取整數(shù)）。滿足諧振條件的光留在環(huán)形波導(dǎo)中，而不滿足的光會從輸出波導(dǎo)耦合輸出。
圖1：微環(huán)諧振器腔的基本結(jié)構(gòu)從公式可以看出，諧振波長λ與波導(dǎo)的有效折射率neff成正比，利用電光效應(yīng)改變微環(huán)有效折射率neff，相應(yīng)的諧振波長就會發(fā)生偏移，實現(xiàn)電光調(diào)制。因此只需要微小的折射率改變就可以導(dǎo)致顯著的諧振峰偏移，適合高速光調(diào)制領(lǐng)域。
圖2：微環(huán)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3：在Lumerical CHARGE中進(jìn)行電學(xué)仿真
如圖2、3為一個一個基于p-i-n結(jié)的硅基微環(huán)電光調(diào)制器，微環(huán)部分由p-i-n脊形波導(dǎo)構(gòu)成，中間部分由本征硅作為波導(dǎo)，兩邊分別為p型和n型重?fù)诫s區(qū)域，通過載流子注入機制實現(xiàn)電壓對載流子濃度的調(diào)制。
從圖4可以看到，施加不同偏置電壓后，諧振峰發(fā)生了偏移，因此給器件加不同電壓時，某一固定波長處的透射率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。微環(huán)結(jié)構(gòu)的引入給硅基電光調(diào)制器的性能帶來顯著改善。①由于微環(huán)調(diào)制器的尺寸很小，可以集成在高密度的光子芯片上。②由于微環(huán)諧振腔的高Q值，微環(huán)調(diào)制器可以在較低功率下工作，有助于降低整體功耗。③能夠?qū)崿F(xiàn)高速調(diào)制，適用于高速光通信系統(tǒng)。微環(huán)結(jié)構(gòu)的不足之處在于：①受限于諧振條件，微環(huán)調(diào)制器的調(diào)制帶寬相對較小，對波長漂移非常敏感，不適用于寬帶應(yīng)用。②微環(huán)調(diào)制器對溫度變化非常敏感，溫度的波動可能導(dǎo)致共振波長的漂移，從而影響調(diào)制性能。需要額外設(shè)計補償機制。目前提高器件性能的工作主要集中在電學(xué)性能方面，這限制了光電子器件各方面性能的提高主要問題。需要新型光學(xué)結(jié)構(gòu)（如多環(huán)級聯(lián)）與新的調(diào)制機制的來為微環(huán)調(diào)制器的發(fā)展注入新的血液。
Ansys Lumerical中的應(yīng)用案例為Ring Modulator.
(相關(guān)鏈接為：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042322794-Ring-Modulator)
圖5：硅基環(huán)形調(diào)制器的設(shè)計流程馬赫-曾德爾型調(diào)制器(Mach-Zehnder modulator, MZM)是利用相位調(diào)制實現(xiàn)強度調(diào)制的器件，廣泛應(yīng)用于鈮酸鋰電光調(diào)制器、硅基電光調(diào)制器等各類調(diào)制器件與光開關(guān)器件。典型的MZM結(jié)構(gòu)如下圖所示，分別由輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、一個3 dB分束器、兩個調(diào)制臂和一個3 dB合束器組成，兩條調(diào)制臂通常為對稱結(jié)構(gòu)、也有非對稱的情況。圖中的兩條調(diào)制臂為采用了載流子注入型、載流子耗盡型或者載流子積累型的硅波導(dǎo)。
圖6：馬赫-曾德爾型調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)
當(dāng)入射光從輸入端輸入，經(jīng)過一個Y分支結(jié)構(gòu)的3 dB分束器后，被分成功率相等的兩束光，并分別進(jìn)入兩個調(diào)制臂中。由于兩條調(diào)制臂是對稱的，在無外加電壓的情況下，兩束光的相位相同，在合束器匯合時無相位差。根據(jù)干涉理論，兩束光的相位差為零時，干涉相長，此時從輸出端輸出的光強最大，光信號可看作是“1”信號，當(dāng)對其中的一臂施加外加電壓進(jìn)行調(diào)制時，該臂的有效折射率發(fā)生變化，兩束光的相位發(fā)生改變，我們將兩束光的相位分別記為φ1（經(jīng)過調(diào)制的）和φ2：其中，β1、β1以及neff1、neff2分別表示光在兩臂中的相位傳播常數(shù)以及波導(dǎo)的有效折射率，λ為入射光的波長，當(dāng)兩束光在合束器匯合時，存在相位差，進(jìn)行干涉后，光強不是最大值，若相位差為π，則干涉相消，在輸出端無光信號，此時可視為“0”信號。MZM的長度通常為幾個mm，根據(jù)微波傳輸線理論，當(dāng)器件的長度大于工作波長的十分之一時，集總電極不再適用，而需要采用行波電極。MZM的行波電極通常采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即把信號電極，其中的一個地電極與PN結(jié)相連。影響行波MZM的帶寬主要因素由：①微波傳輸損耗；②微波-光速匹配條件；③阻抗匹配條件。MZM具有較寬的調(diào)制帶寬，適用于寬帶光通信系統(tǒng)，可以調(diào)制不同波長的信號，且其調(diào)制速率較快，適用于需要高速光調(diào)制的應(yīng)用常見。但MZM往往需要較高的驅(qū)動電壓，導(dǎo)致功耗較高；此外MZM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，不利于高密度集成的光子電路。
馬赫-曾德爾調(diào)制器在Ansys Lumerical中的應(yīng)用案例為Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator。
(相關(guān)鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator)
圖7：行波馬赫-曾德爾調(diào)制的設(shè)計流程
以上是對硅基電光調(diào)制器的兩種典型光學(xué)結(jié)構(gòu)，微環(huán)結(jié)構(gòu)合馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)調(diào)制器的簡單總結(jié)，并給出了Ansys lumerical 中的相關(guān)案例，感興趣的讀者可以點擊上方對應(yīng)鏈接，觀看案例介紹并下載案例進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。
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[1] Rahim A, Hermans A, Wohlfeil B, et al. Taking silicon photonics modulators to a higher performance level: state-of-the-art and a review of new technologies[J]. Advanced Photonics, 2021, 3(2): 024003-024003.
[2] Kim Y, Han J H, Ahn D, et al. Heterogeneously-integrated optical phase shifters for next-generation modulators and switches on a silicon photonics platform: A review[J]. Micromachines, 2021, 12(6): 625.
[3] 周治平.硅基光電子學(xué)[M].科學(xué)出版社,2021.
[4] 牛超群, 龐雅青, 劉智, 等. 中紅外硅基調(diào)制器研究進(jìn)展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.
[5] 夏鵬輝. 高速硅光調(diào)制器及其集成芯片研究[D]. 浙江大學(xué), 2023.
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