基于硅基微环谐振腔的热稳定相移键控调制器的研究

In the background of the fast growing demands from the high-speed infromation transmission and the developing of the coherence receiving technology, the high-speed phase modulation is becoming hot research topic. The integrated opto-electronics devices based on silicon photonics is growing fast these years in order to meet the demands of the high-speed and low power in the tramission area. So far the study on the silicon-based high-speed phase modulator is at the beginging, but the modulator can be predicted to be one of the most key devices used in the high speed transmission in near futher.This project proposed the research plan on the phase-shift-keying modulator, which is based on the silicon microring resonators. The silicon microring resonator has the advantage of the compact scale, high modulation speed and low power, but the disadvantage is exsting as the low modulation efficiency and temperature-sensitive. To sovle the two issues, this proposal is planing: to study the device output phase property through the resonance-enhanced coupling modulation, explore the novel approch of the high speed phase modulation; to study the thermal-optical property in resonators, demostate the application of the splitting resonances in the athermal performance, and create the novel mechnisem for the athermal resonator devices. It is predicted to provide the fundmental theroy and basic device demostation for the further high-speed coherent trasmiter device by solving both key scientific issues in our project.

随着日益增长的信息高速传输需求及相干接收技术的发展，高速相位调制技术正成为光通讯领域的研究热点之一。以硅基光电子学为理论基础的集成器件，面向未来高速低功耗的传输发展需求，近年来得到了迅猛发展。目前基于硅基器件的高速相位调制器的研究尚处起步，但必将成为未来高速传输的关键器件。为解决这一科学前沿问题，本项目提出基于硅基微环谐振腔实现相移键控调制器的研究计划。采用硅基微环谐振腔作为核心器件结构，是因为其具有尺寸小、调制速率高、功耗低等优点，但同时也存在调制效率低、温度敏感两个重要基础问题。为此，采用谐振增强的耦合调制手段展开对器件的相位输出特性的研究，探索微环谐振腔的高速相移键控新方法。同时，研究热光效应对谐振的影响机制，通过对耦合谐振产生的谱线分裂理论的创新应用，探索实现热稳定谐振腔器件的新原理。预期通过以上两个关键科学问题的研究，为今后研究高速相干发射芯片提供理论理论基础和器件支持。

相位调制技术是目前光通信领域的关键技术，其实现依赖于核心器件——相移键控调制器。而另一方面，光电子器件受温度影响较大，特别是集成光电器件，通常采用的温控手段会带来不容忽视的功耗问题。为了解决热稳定相位调制器中存在的科学问题，提出了本项目来针对性的开展相关的基础研究。本项目确定两个关键科学问题展开了研究：高效的相位调制原理和温度影响下的谐振漂移补偿机制。首先通过电光调制机理的深入研究，实现了高效的电光调制器件结构，将其应用于光学干涉MZI器件中，实现了高效的相移键控调制器，最高调制速度达到25Gb/s；另外研究了谐振谱线分裂的特殊现象，进行了微环谐振腔谐振漂移的无功耗自补偿，并通过仿真验证，该理论可以推广到任意光学谐振型器件中；最终基于相位电光调制和集成光学器件温度特性的研究工作，实现了一种温度不敏感的集成光学调制器，在25°C~55°C的温度范围内，实验中得到了温度不敏感的高速调制，速率达到20Gb/s。通过本项目的开展，解决了热稳定相位调制器的关键科学问题，为后续的器件技术开展提供了重要的理论支持。