浙大&南航：首个超高速（＞110GHz）硅光MZ行波调制器

浙大储涛教授课题组、南航潘时龙教授课题组报道了首个带宽＞110 GHz的非谐振硅光MZ调制器，其核心是采用了一种可调的时频均衡技术（Tunable Time-Frequency Equalization, TFT）。这项技术通过结合时间和频率域，有效解决了硅调制器中不同区域的相对延迟和频率响应问题。该技术成功实现了超过110 GHz的3 dB带宽，并在无需数字信号处理DSP的情况下实现了140 Gbaud的OOK（On-Off Keying）调制。

器件结构如下图所示，包含了主调制区、正向调制区、速度失配区和掺杂方向相反的反向调制区。

速度失配区域通过改变行波电极和光波导的长度，特意引起微波信号和光信号的不同步传播，引入时延。这个故意引入的时延就是提升带宽的关键。

对于直流信号来说，由于行波电极上的电压保持不变，时延不影响调制效果。正向和反向调制区域长度相等且掺杂类型相反，它们在单位电压下的光信号相位偏移大小相等但方向相反，导致相互抵消，等同于第一段主调制区的响应。

对于高速射频信号来说，时间延迟导致到达反向调制区域的射频信号获得频率相关的附加相位。由于正向和反向调制区域产生的相位变化方向不同，引入的附加相位变化就不是直接的互相抵消关系，而是矢量合成的形式，形成更强的复合相位调制，允许在某些频率下获得相位变化的干涉相长，产生类似于带宽peaking的效果，实现超越主调制区性能的效果。

此外，考虑到行波电极上微波信号的损耗，正向调制区域的响应比反向调制区域的响应更强。无论时间延迟如何，当两个区域的相位偏移直接相减时，总会有残余响应存在。这些效应导致调制器的频响克服了微波衰减对调制器带宽的限制。

通过调整主调制区域和正/反向调制区域的长度比例（m），可以优化带宽扩展效果。通过调整速度匹配区的长度获得不同的时间延迟，可以在不同的频率下构造相长干涉，从而优化调制器的带宽。如下图在m＝1的情况下，即三段调制区长度都相等时，主调制区的初始带宽为70GHz，正向和反向调制区的带宽为40GHz和30GHz，但通过控制失配区的长度实现矢量叠加，可以把带宽peaking到110GHz。

下图是调整不同的比例系数m和调整不同偏压下的带宽peaking效果。首先随着 m 的增加，调制器的3 dB带宽先是增加，然后趋于稳定。这是因为增加 m 会增强前向和反向调制区域对EO（电光）响应的放大作用，但当 m 增加到一定程度后，微波信号在行波电极上的损耗会限制带宽扩展能力。调整调制区域和反向调制区域的偏置电压，可以进一步提升调制器的性能。降低反向调制区域的偏置电压可以减小电容，增加高频响应，从而扩展调制器的带宽。

设计完成以后在AMF流片并测试，可以看到m＝1的调制器在110GHz的频率电光响应为-1dB，器件长度900um，插损为4.3dB，无DSP辅助的140Gbaud NRZ调制眼图消光比为2.08dB，而m＝0的硅光调制器就只能到110GBaud了。

下图是硅光高速调制器的性能总结。由于器件结构还是MZ型，所以工作波长范围和稳定性肯定是比谐振型的器件要大很多的，可以支持50nm的工作范围。但增加的这两段调制区还是引起了插损的一定增加和调制效率的下降。本文器件的半波电压大概到了54V，还是挺高的。

储老师这两年在高带宽、高效率的硅光/铌酸锂调制器的工作不少，对于硅光调制器来说，通过电光协同优化、频域均衡等形式可以实现带宽的补偿，不过还是会带来一些效率上的损失（引起驱压变大），后续看怎么能够实现带宽和效率的同步优化，支持硅光也朝着400G/lane的速率发展。