CN110768723B - 硅基调制深度可调双级联调制器及其微波光子链路高线性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基调制深度可调双级联调制器及其微波光子链路高线性方法，该方法通过两个基于载流子耗尽型的硅基MZM1、MZM2和一个TROPS；TROPS级联在MZM1和MZM2之间。激光器输出的光信号经过偏振控制器，通过光纤耦合器耦合到DSMZMs，调制小信号通过50/50的EPS加载DSMZMs上，在链路接收端用光电二极管直接检测。调整TROPS的分配比γ控制MZM2的调制深度，同时调控MZM1和MZM2直流反偏电压以及偏置工作点，使两个调制器中的IMD3信号相互抑制，从而实现了基于硅基调制器的高线性微波光子链路，并从理论上详细推导分析了DSMZMs的FH和IMD3信号变化与反偏直流电压以及γ之间的关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅基调制深度可调双级联调制器及基于该硅基调制深度可调双级联调制器的微波光子链路高线性方法，特别涉及一种包含可调分配比光功分器(tunable-ratio Optical Power Splitter，TROPS)的双级联马赫曾德尔调制器(Dual-series Mach-Zehnder Modulators，DSMZMs)的微波光子链路高线性度方法。
背景技术
近年来，融合了微波技术和光波技术的微波光子技术在有线电视、光纤无线系统等方面得到了广泛应用。它主要研究如何利用光电子学的器件和方法来实现微波/毫米波信号的产生、传输分配、处理等。随着技术的发展，微波光子技术在实现更高速度、带宽、处理能力及动态范围的同时，要求器件和系统具有尺寸小、重量轻、功耗低及更强的电磁干扰抗性。
而在模拟光链路中，需要通过调制器，如马赫-曾德尔调制器(Mach-ZehnderModulators,MZM)、微环调制器(Ring Modulator,RM)等，将微波信号调制到光载波上进行传输。虽然光纤链路的传输损耗已经很低，但其中的电光和光电转换仍会引入额外的损耗。同时，在电光和光电转换的过程中链路还存在两种重要的影响因素，即链路噪声和非线性失真。要实现高保真度传输，模拟光链路需要具有高线性度和低噪声。然而由于调制器固有的非线性响应，会产生高次谐波和交调分量，其中位于系统通带内的三阶交调(the 3rdintermodulation distortion,IMD3)对微波链路影响最大，会极大降低微波光子链路的动态范围(Spurious-Free-Dynamic-Range,SFDR)。无杂散动态范围是综合了微波光子链路的线性度和噪声、增益的一个性能指标，可以定义为是从输入基频信号功率与噪声功率相等的输入射频功率点开始，到n阶非线性失真功率等于噪声功率时的输入射频信号功率之间的范围。有些定义中，会将n阶非线性失真特定为n阶交调失真，而该定义实际上对n阶谐波失真也是一样适用的。
目前提高微波光子链路动态范围的方法主要集中在调制器非线性抑制上，调制器非线性抑制方法主要有两类。第一类是提高光功率或者降低噪声从而提高信噪比，这一类方法总体上是通过降低链路的噪声系数，改善动态范围的下限。另一类方法是通过抑制链路中的非线性失真，达到改善动态范围上限的目的。这一类方法通过抑制非线性失真改善动态范围上限、提高链路性能，被称为线性化方法。线性化技术研究是当前热点的前沿研究方向。承担光电转换的电光调制器是系统微波链路的关键器件，其传输函数的非线性会给链路带来失真，影响微波链路的线性度。
在多种硅基电光调制器中，基于马赫曾德尔干涉结构的硅基MZM由于其高速、高消光比、低插入损耗以及制作简单等优点在微波光子链路中应用最多，国内外的研究针对硅基MZM的高线性微波光子链路提出了多种抑制IMD3的线性化方案，例如，通过改变硅基调制器中调制臂的掺杂浓度来改变光场与电场的交叠区域实现高线性链路；也有使用光学非线性DC-Kerr效应来补偿硅基调制器中载流子和正弦调制曲线的非线性，但是这两种办法改变了芯片代工厂的工艺流程，提高了芯片加工的复杂度与成本。
另外，仿照并联MZM结构的铌酸锂高线性调制器的实现原理，也有通过调节硅基并联MZM的光功率分配比、偏置工作点以及调制小信号的光功率分配比来实现硅基高线性调制器，但是这种办法的操作复杂度较高，监测与控制变量较多。目前，级联硅基MZM还没有类似报道，尤其是包含可调分配比光功分器的级联MZM更是在其他材料调制器中也未有报道。本发明的包含可调功分器的双级联调制器在固定其工作点后，调控光功分器的功率分配比就可以实现高线性硅基调制器，相比并联结构的硅基MZM，该结构不需要过多的监测点以及不需要控制调制小信号的分配比，大大减小了控制的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅基调制深度可调双级联调制器及基于该硅基调制深度可调双级联调制器的微波光子链路高线性方法。
本发明的技术方案如下：
一种硅基调制深度可调双级联调制器包括：一个基于载流子耗尽型的硅基MZM1、一个基于载流子耗尽型的硅基MZM2和一个TROPS；且所述的TROPS级联在MZM1和MZM2之间。
作为本发明的优选方案，所述的TROPS为马赫曾德尔干涉结构，通过热光效应或电光效应调控。
作为本发明的优选方案，所述的MZM1是基于载流子耗尽型的硅基马赫曾德尔调制器，包含上下两个等长的PN结调制臂和用来调控偏置工作点的热电极；MZM2是基于载流子耗尽型的硅基马赫曾德尔调制器，包含上下两个等长的PN结调制臂和用来调控偏置工作点的热电极。
本发明还公开了一种基于所述硅基调制深度可调双级联调制器的微波光子链路高线性方法，其包括如下步骤：
1)单波长激光器输出光信号通过光纤耦合器耦合到MZM1上，双音调制小信号经过功率分配比为50/50的电功率功分器(Electrical Power Splitter,EPS)同时加载在MZM1和MZM2上；
2)调控MZM1和MZM2的反向偏置电压VDC1和VDC2使其工作在PN结反偏区，同时调整MZM1和MZM2的热电极HTR1和HTR2，使MZM1和MZM2分别工作在π/2和-π/2偏置点；此时，MZM1和MZM2都工作在一阶谐波最大值，则微波链路中一阶谐波信号最大，而经过DSMZMs被双音调制小信号调制产生的IMD3信号并未达到最小值；
3)调节TROPS上下臂的光相位差来控制通过MZM2上下臂的光功率的分配比γ调控MZM2的调制深度，记录FH/IMD3的功率差ΔP，单位为dB；
4)在PN结调制臂工作在反偏区以及MZM1和MZM2工作在π/2和-π/2偏置点的基础上，循环步骤2)和3)，在不同VDC1和VDC2下，调控TROPS的分配比γ，直到使得ΔP达到最大，即此时达到调制器的最大线性点，从而实现了基于硅基调制器的高线性微波光子链路。
相比于通过加工工艺或者调控调制信号分配比来提高硅基调制器的线性度，本发明的有益效果是，在不改变芯片代工厂工艺参数以及流程的前提下，通过简单地调控第二级调制器之前的光功分器分配比来连续调控MZM2的调制深度，不用调控调制信号的功率分配比，在能找到调制器的最佳线性工作点的前提下，大大降低了链路复杂度。这种方法既不用因为工艺改变而带来加工复杂度和成本，也不用因为调控高速调制信号而带来设计复杂度，仅通过改变第二级调制器的上下臂光功率分配比即可实现基于高线性硅基调制器的高线性微波光子链路。由于该芯片制造工艺基于CMOS工艺，即可以将光子芯片和电子芯片做在同一块芯片上，这样做可以将外围的控制芯片与其集成在同一块芯片上，大大减低了整个系统的尺寸与功耗，也节省了生产成本。
附图说明
图1是本发明的调制器结构示意图。
图2是热电极与调制臂中PN结结构的横截面示意图。
图3是DSMZMs基于文献(Q.Zhang,H.Yu,H.Jin,T.Qi,Y.Li,J.Yang,and X.Jiang,“Linearity Comparison of Silicon Carrier-Depletion-Based Single,Dual-Parallel,and Dual-Series Mach–Zehnder Modulators,”J.Lightwave Technol.36(16),3318-3331(2018).)中的工艺仿真模型，计算出来的在不同调制臂长度L和光功率不同分配比γ下的三阶交调IMD3分量的功率。
图4是DSMZMs基于文献(Q.Zhang,H.Yu,H.Jin,T.Qi,Y.Li,J.Yang,and X.Jiang,“Linearity Comparison of Silicon Carrier-Depletion-Based Single,Dual-Parallel,and Dual-Series Mach–Zehnder Modulators,”J.Lightwave Technol.36(16),3318-3331(2018).)中的工艺仿真模型，计算出来的在不同调制臂长度L和光功率不同分配比γ下的一节谐波FH分量的功率。
图5是本发明的调制器的线性度测试示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明结构由两级马赫曾德尔调制器级联构成，并且第二级的调制器前段集成了一个分配比可调的光功分器。图中“1”为调制器芯片与光纤的耦合器，通常是光栅耦合器和端面耦合器，“2”为第一级调制器MZM1，“3”为第二级调制器MZM2，“4”为MZM2中的分配比可调的光功分器。调制器和光功分器都是基于结构“5”(直接耦合器DC或者多模耦合干涉仪MMI)构成。图中“6”是热电极控制调制器或者光功分器上下两臂的光相位差实现对调制器的工作点以及光功分器的功率分配比的调控。图中“7”的结构是PN结调制臂。
目前在硅光芯片上使用的光功分器通常有两种实现结构，使用直接耦合器(Direct Coupler,DC)或者基于多模耦合干涉仪(Multimode Interference,MMI)构成的光功分器。在两级调制器工作在π/2和-π/2的基础上，调控光功分器的功率分配比，让经过两级调制器产生的三阶交调信号在高速探测器解调时相互抵消，而且基频功率损失较小。
本发明根据传输矩阵理论，推导出了考虑三阶谐波影响的马赫曾德尔线性度理论，用来理论上分析双级联马赫曾德尔调制器的三阶交调影响。根据电磁场理论，设输入到DSMZMs的光场为：
Ein＝|Ein|ejωt (1)
其中，Ein是输入到DSMZMs中光场的幅值，ω为该光信号的频率。根据马赫曾德尔干涉传输矩阵理论，得到DSMZMs的输出光功率为：
Φ＝Φbias+θ(v) (3)
Δθ(vrf,VDC)＝θ(v)-θ(VDC) (4)
其中γ是OPS的光功率分配比，v＝VDC+vrf，VDC和vrf分别表示调制臂的反向偏置电压(保证PN结工作在反偏区)和调制小信号的幅值，L为调制臂的长度。由于载流吸收效应，调制臂在不同驱动电压下会引入不同的光场损耗系数α(v),α(0)表示无驱动信号时的固有损耗系数。Φ为调制器上下两臂的总相位差，有两部分组成：一个是由器件结构、热电极引起的静态偏置相位Φbias，即不加偏置电压时所引起的相位差；另一个是由于加VDC和vrf引起PN调制区的相位θ(v)。将以上公式带入到代入公式(2)中，并求出调制输出光场Iout(v)关于v的一阶导数I’out(v)与三阶导数I”’out(v)，根据非线性理论【Q.Zhang,H.Yu,H.Jin,T.Qi,Y.Li,J.Yang,and X.Jiang,“Linearity Comparison of Silicon Carrier-Depletion-Based Single,Dual-Parallel,and Dual-Series Mach–Zehnder Modulators,”J.Lightwave Technol.36(16),3318-3331(2018).】即可计算传输光场相应基频信号与三阶交调信号大小。
基于上述理论分析，本发明基于双级联马赫曾德尔调制器的硅基微波光子链路高线性度方法包括如下步骤：
1)如图5所示，单波长激光器输出的未调制光信号通过图1中结构“1”耦合入调制器芯片中，调节偏振控制器，使此时输出的光信号达到最大值；
2)如图5所示，射频信号发生器产生的双音调制小信号与反偏电压在Biastee中耦合，经50/50电功率耦合器分别加载在调制器芯片上的MZM1和MZM2的调制臂上；
3)调控加载在两个调制器上的直流偏压VDC1和VDC2让PN结调制臂工作在反偏区。如图2(b)所示，“10”为芯片中的二氧化硅材料，“11”、“12”和“13”均为金属铜，用来传输电信号。由于高速硅基耗尽型调制器的PN结需要工作在反偏区，即图2(b)中“12”接正极，“13”接负极或地；
4)调控加载在MZM1和MZM2热电极上的驱动电压，即图1中靠左和靠右的结构“6”，热电极结构的横截面示意图如图2(a)所示，结构“9”为TiN材料，结构“8”为波导，通过对结构“9”施加电压，控制热功率，改变波导的有效折射率，实现了热调相；
5)如图5所示，使用1/99耦合器将调制器输出光功率的1％输入到光功率计中，观察光功率的变化，使MZM1和MZM2工作在π/2和-π/2处；
6)如图5所示，将从1/99耦合器99％端输出的光信号经过光放大器补偿耦合和器件本身的插入损耗，并且使用光滤波器滤除由于光放大器引入的噪声。经过高速光电探测器解调制之后的电信号输入到频谱仪中；
7)通过调控图1“4”中“6”上的施加电压，从而实现光功分器的分配比γ调控，观察频谱仪上的解调信号的一阶谐波FH和三阶交调信号IMD3的功率大小，直至FH和IMD3之间的功率差最大(同时保证FH的功率大于IMD3的功率)，并且FH与最大值相比变化不大为止，此时的γ值为最佳线性点所需要的光功率分配比。
8)图3和图4是基于文献(Q.Zhang,H.Yu,H.Jin,T.Qi,Y.Li,J.Yang,and X.Jiang,“Linearity Comparison of Silicon Carrier-Depletion-Based Single,Dual-Parallel,and Dual-Series Mach–Zehnder Modulators,”J.Lightwave Technol.36(16),3318-3331(2018).)中的PN结仿真参数，在调制器调制臂为长度L时，对应不同光功率分配比下的三阶交调分量IMD3和一阶谐波分量FH的功率。通过图3可以看出，对应调制器调制臂长度为L时，总能找到一个光功率分配比γ使得IMD3最小，并且对应图4中的基频分量相比于最大值并没有较大的变化。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种硅基调制深度可调双级联调制器，其特征在于包括：一个基于载流子耗尽型的硅基MZM1、一个基于载流子耗尽型的硅基MZM2和一个TROPS；且所述的TROPS级联在MZM1和MZM2之间，通过改变TROPS的分配比γ控制MZM2的调制深度；所述的MZM1和MZM2均包含上下两个等长的PN结调制臂和用来调控偏置工作点的热电极，所述的MZM1、MZM2和TROPS基于直接耦合器DC或者多模耦合干涉仪MMI构成。
2.根据权利要求1所述的硅基调制深度可调双级联调制器，其特征在于所述的TROPS为马赫曾德尔干涉结构，通过热光效应或电光效应调控。
3.一种基于权利要求1所述的硅基调制深度可调双级联调制器的微波光子链路高线性方法，其特征在于包括如下步骤：
1)单波长激光器输出光信号通过光纤耦合器耦合到MZM1上，双音调制小信号经过功率分配比为50/50的EPS同时加载在MZM1和MZM2上；
2)调控MZM1和MZM2的反向偏置电压VDC1和VDC2使其工作在PN结反偏区，同时调整MZM1和MZM2的热电极HTR1和HTR2，使MZM1和MZM2分别工作在π/2和-π/2偏置点；此时，MZM1和MZM2都工作在一阶谐波最大值，则微波链路中一阶谐波信号最大，而经过DSMZMs被双音调制小信号调制产生的IMD3信号并未达到最小值；
3)调节TROPS上下臂的光相位差来调控MZM2上下臂的光功率的分配比γ，从而控制MZM2的调制深度；并在FH大于IMD3的前提下，记录FH/IMD3的功率差ΔP，单位为dB；
4)在PN结调制臂工作在反偏区以及MZM1和MZM2工作在π/2和-π/2偏置点的基础上，循环步骤2)和3)，在不同VDC1和VDC2下，调控TROPS的分配比γ，直到使得ΔP达到最大，从而实现了基于硅基调制器的高线性微波光子链路。
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