IMEC：可编程硅光子调制器实现强度与相位响应全局优化

◆引言 在集成光子系统中，电光调制器（E/O Modulator）是光通信、微波光子学、LiDAR等领域的核心器件，其性能直接决定了系统的带宽、线性度与动态范围。然而，传统调制器（如基于载流子耗尽的pn结调制器、微环调制器MRM、SiGe电吸收调制器EAM）受限于物理机制与工艺缺陷，往往在强度调制（IM）与相位调制（PM）之间难以兼顾，且存在非线性失真、插入损耗高、波长敏感性等问题。例如： - pn结调制器：相位调制伴随寄生强度调制（Spurious IM），导致信号失真； - MRM：高带宽但波长敏感，且响应为非线性Lorentzian曲线； - SiGe EAM：紧凑但调制效率低，消光比不足。 针对这些挑战，根特大学团队提出了一种电路级可编程调制器设计，通过将现有调制器嵌入可调谐马赫-曾德尔干涉仪（MZI）中，通过调整该MZI的静态传输响应，可以补偿嵌入式调制器电光响应中的缺陷，根据应用需求实现改进的调制响应曲线、更低的插入损耗、更高的调制效率或更高的无杂散动态范围。如果嵌入式调制器组件可以提供较大的相位调制，可编程调制器电路可以调整为作为强度调制器、相位调制器，或者两种调制方式的组合来工作。实验表明，该设计在SFDR（无杂散动态范围）、消光比、线性度等关键指标上均突破现有记录。

此外，可编程调制器概念可以应用于所有现有平台和电光调制器技术，包括硅微环调制器。整体系统的性能可以从嵌入式调制器的直流响应大致预测。即使在事先不完全了解嵌入式调制器的详细设计和性能规格的情况下，也可以在可编程调制器电路中直接表征直流响应（光相位和幅度传输随施加电压的变化）。通过集成片上热移相器和监测光电探测器，该可编程调制器件具有自校准功能。 ◆ 技术原理：可编程MZI的全局优化机制

① 核心结构： 可编程调制器由两级可调谐耦合器（Tunable Coupler）、高速调制器（嵌入臂）、静态相位偏移器（参考臂）及监测光探测器组成。 - 可调谐耦合器：基于MMI与相位调谐，动态调节光功率分配比（κ）； - 静态相位偏移器：补偿光程差，调节MZI传输函数； - 监测光探测器：实时校准耦合比与相位，实现自标定。 ② 优化原理： 通过调节κ与静态相位（φs），MZI的传输函数可覆盖全正弦响应范围。结合嵌入调制器的非线性电光响应（相位Δφ与损耗Δα），系统可通过以下方式优化性能：

1. 抑制寄生调制：MZI传输斜率抵消寄生强度调制；

2. 增强线性度：利用MZI非线性与调制器非线性相互补偿； 3. 模式切换：配置为纯IM、纯PM或混合模式。

◆ 实验验证与性能优化 ① 基于pn结的行波调制器 基于pn结的行波调制器在硅光子电路中应用广泛，其工作原理是通过改变pn结处的载流子浓度，改变波导折射率，从而实现对光的相位调制。但载流子浓度变化会引起波导插入损耗改变，产生杂散强度调制。

- 纯相位调制：

可编程调制器利用嵌入式pn结调制器的相位变化，产生可调正弦强度响应。合理设置调制器参数，可使该响应与pn结杂散强度调制斜率相反，从而抑制电路整体的强度调制。实验结果显示，通过该方法，产生的射频信号（即杂散强度调制）总体可抑制23dB，最大抑制可达70dB。 - 高射频增益强度调制：

射频增益与调制曲线斜率和总光损耗相关。当可编程调制器设置为k = 0.48 时，可实现两者平衡，获得最高射频增益。从最高射频增益强度调制到最低射频增益相位调制，该调制器总体抑制比达到52dB，在整个频率范围内消光比最大抑制可达97dB，优于此前报道的利用频谱整形实现的64dB（仅一个频率点）的记录。 - 高消光比调制：

对于基于MZI的调制器，消光比取决于光输出端的相消干涉。然而，嵌入式pn结的额外插入损耗破坏了传播损耗的对称性，若使用50:50的功率耦合器，消光比会较低。本文可编程调制器中的两个可调耦合器可补偿MZI的损耗不平衡，实现高且稳定的消光比强度调制。实验表明，当可编程调制器设置为k = 0.407 时，调制器偏置扫描中可实现38dB的高消光比。 - 高线性度强度调制：

独立的pn结具有非线性的相位和杂散强度响应，且通过MZI将相位调制转换为强度调制的方式本身也具有非线性。可编程调制器电路通过两者结合互补抵消这两种非线性源，显著线性化强度调制响应。以无杂散动态范围（SFDR）评估调制器线性度，当可编程调制器选取合适的配置，在2GHz调制频率附近，SFDR达到124.6 dBHz^{2/3} （本底噪声为−160.4dBm/Hz），与此前报道的最高线性度硅基调制器以及体材料的LiNbO3 调制器性能相当，且系统更简单。 ② SiGe EAM调制器

SiGe EAM因尺寸紧凑、调制带宽宽，常被用作强度调制器，但存在插入损耗大、调制效率低、消光比不足的问题。将其集成到可编程调制器电路中，性能可得到显著提升。 - 高射频增益、低啁啾强度调制：

在可编程调制器电路中，将部分光引入另一臂（非EAM臂），可降低系统整体插入损耗。虽然进入EAM的光减少会使强度调制效率降低，但微弱的杂散相位调制可转换为强度调制，降低啁啾。实验数据（图3(d)）表明，当调制器设置合理的参数，产生的射频信号比单独的EAM高约2.6dB（偏置电压为0.5V时），且可编程调制器插入损耗比单个SiGe EAM低0.6dB。 - 高消光比强度调制：

SiGe EAM调制消光比低，利用其相位调制特性，可编程调制器可实现高消光比调制。实验结果显示，在施加电压范围内，光强度变化可达40dB消光比，比单个SiGe EAM（在1550nm处为3.82dB）高36dB，代价是在0V时会有1.12dB的额外插入损耗。 - 高线性度强度调制：

SiGe EAM的强度响应非线性，可编程调制器可改善线性度。实验显示，系统的SFDR可提升至110 dBHz^{2/3} ，比独立的SiGe EAM（偏置在0.5V时为88 dBHz^{2/3} ）高约22dB。在其他测试中，偏置在1V时，EAM的SFDR可从102.8 dBHz^{2 / 3} 提升至112.5 dBHz^{2/3} ；偏置在2V时，可从109 dBHz^{2/3} 提升至114.5 dBHz^{2/3} ，相比此前报道结果，线性度优化效果更好。 ③ 微环调制器 微环调制器（MRM）在硅光子平台应用广泛，具有尺寸小、功耗低、带宽高的优势，但只能在谐振波长附近工作，且强度调制非线性。本文通过提取在imec iSiPP50G平台上制造的MRM的直流响应，建立准静态模型，模拟其嵌入可编程调制器后的射频响应。

- 高射频增益强度调制：

模拟时，给MRM输入幅值为1V、偏置电压为−1V的正弦波信号。扫描光波长发现，在1556.2488nm和1556.655nm处可产生最高光边带。选择1556.2488nm作为载波波长进行分析，将MRM嵌入可编程调制器并设置合理参数，可使产生的射频信号再提升0.5dB。 - 低啁啾强度调制：

MRM的强度调制会伴随相位调制，导致调制光信号产生频率啁啾。设置可编程调制器参数，在6V偏置范围内，可将相位变化从0.36rad降至0.11rad，强度变化从4.05dB提升至11.33dB，但在MRM偏置为0V时，插入损耗会增加5dB。 - 纯相位调制：

设置可编程调制器参数，在6V反向电压范围内，强度变化从4.05dB降至0.066dB，相位变化从0.36rad提升至0.75rad。 - 高消光比强度调制：

设计的MRM本身可提供高消光比强度调制，实际测量制造的MRM消光比约为26dB。模拟中，设置可编程调制器参数可实现无限消光，而此时嵌入式MRM仅能提供16.5dB消光比（光载波波长为1556.454nm），代价是引入约7dB额外光插入损耗。 - 高线性度强度调制：

MRM的线性度受调制光信号波长影响大且有限。设置光波长为1556.2488nm以确保最高射频增益，模拟显示，SFDR可提升约10dB，但射频增益会降低3.7dB。

◆ 性能讨论

① 大信号性能

硅光子调制器调制效率低，通常需要大射频驱动信号，这可能限制可编程调制器的优化性能。以基于pn结的可编程调制器为例，虽然优化效果会随输入信号功率增加而减弱，但仍能提供显著性能提升。 ② 纯相位调制验证

在特定配置下，可编程调制器能实现纯相位调制，但标准PD无法直接检测光的相位变化。本文利用25km光纤的色散创建双抽头微波光子滤波器验证。结果显示两个滤波器响应交错，证实可编程调制器可作为具有可调消光比的宽带射频滤波器，最大消光比可达80dB。 ③ 光程匹配

调制器两臂光程难以完全平衡，会引入色散，导致光调制边带产生额外相位差，影响可编程调制器电路的设定点。这也是图5(b)中强度调制最大值与相位调制最小值无法完全匹配的原因。 ④ 热串扰

本文调制器配置基于热光相移调谐，需要额外驱动电功率，会引入热串扰。为降低热串扰，采用undercut结构热移相器，测试表明其热效率为3.68mW/π，对耦合比的串扰影响可忽略。此外，还可通过设计制造特定参数电路，或采用相变材料、MEMS、液晶材料等创新方法实现低功耗、低热串扰的光相位调谐。 ◆ 结论

本文提出的可编程调制器电路设计，通过配置电路内静态移相器，优化嵌入式调制器性能，且不影响高速性能。该结构简单，仿真与实验结果吻合度高，与所有集成光子平台兼容，是通用的调制器优化方法。经实验验证，基于pn结和SiGe EAM的可编程调制器优化后性能卓越，在光通信、LiDAR、微波光子学等领域具有广阔应用前景，有望满足多领域日益增长的需求。