基于容性耦合行波电极的硅基电光调制器的研究

Silicon photonics has the advantages of high integration, low power consumption and the compatibility with CMOS process. It is the only candidate for the future on-chip optical interconnection. Silicon optical modulator, which transforms the electrical signal into the optical signal, directly determines the quality of the communication link and becomes the hotspot of silicon photonics.. As the modulation depth of the current silicon optical modulator is relatively low, a differential silicon optical modulator adopting the capacitively-coupled travelling-wave electrode is designed to solve this problem. Then the single driving voltage can simultaneously modulate the two arms without any loss, while the phases of the electrical signals on the two arms are opposite. The capacitively-coupled travelling-wave electrode utilizes the distributed capacitor to couple the driving signal to the PN junction. Meanwhile, in order to make the PN junctions reversely biased, the distributed capacitor is also used to block the DC power from the AC network. This design can make the silicon optical modulator has an extinction ratio of 10 dB at a speed of 50 Gbps, when the device is optically biased at the quadrature point. Then the improved silicon optical modulator will improve the performance of the communication link based on silicon photonics.

硅基光互连技术具有高集成度、低功耗、与CMOS工艺兼容的特点，是唯一能适用于超短距离传输的片上光互连的技术。硅基电光调制器作为硅基光子学通信链路中电光信号转换的重要器件，其性能直接影响了整个链路的通信质量，因而成为硅基光子学领域中的研究热点。. 本项目针对现有硅基电光调制器的调制深度较低的问题，拟通过设计一种采用容性耦合行波电极的并联式硅基差分电光调制结构，使得单个驱动信号以相反的相位无分压地同时调制两个相移臂，从而达到提高调制深度的目的。容性耦合行波电极采用分布电容结构，将输入高速调制电信号耦合到相移臂的PN结上；同时对后端的直流偏置网络进行隔直，以保证器件能够在反向偏置的条件下正常工作。在前期研究基础的支撑下，有望使硅基电光调制器在50Gbps的工作速率下，光学偏置点位于正交点时，动态消光比仍然能够达到10dB，从而提高基于硅基光子学技术的通信链路的性能。

由于硅基光互连技术的通用性，其在数据中心中的短距通信和通信骨干网中的长距通信应用环境中具有很好的应用前景。硅基电光调制器作为硅基光学链路中电光转换的重要部件，其性能直接决定了硅基光学链路的传输性能。近十年来，硅基光调制器一直是硅基光子学领域中的研究热点。在2004年，Intel团队在Nature上发表首个MZI型高速硅基电光调制器，随后其于2007发表首个采用反向PN结的行波电极型MZI硅基电光调制器，其速率达到40 Gbps。后继的研究者们都致力于提高调制器的调制效率，以改善器件的消光比指标。本项目采用并联式的差分调制器方案，使两个调制臂上都有与驱动电压同样大小的压降，从而提高调制深度。本项目采用容性耦合的行波电极方案，可使得并联式差分调制器的调制臂能够分别加载合适的反向偏置电压。该方案能够将高速电学调制信号耦合到PN结上进行电光调制，同时将交流网络与后端的直流偏置网络进行隔离。由于采用硅材料作为器件实现平台，这种方案的优点在于工艺成熟、集成度高以及可实现光电混合集成。本项目的主要工作是通过对硅基并联式差分调制器进行理论与实验的深入研究，研制出高速、高调制深度的并联式硅基差分调制器。本项目的主要考核指标为：并联式硅基差分调制器的片上插入损耗小于5dB；并联式硅基差分调制器的调制速率达到50Gbps；光学偏置点位于正交点时，动态消光比仍大于10dB。经过三年的研究，上述指标均已实现。