CN114114531B - 硅基高抑制比单边带调制器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硅基高抑制比单边带调制器芯片，包含一个分光比可调的硅基双平行马赫曾德调制器(DP‑MZM)和一个陷波滤波器。连续光信号输入到硅基双平行马赫曾德调制器中，待调制微波信号通过90°电桥分为幅度相等、相位差为90°的两路信号，分别输入到硅基双平行马赫曾德调制器的射频输入端，实现光学单边带信号。通过引入基于1×2马赫曾德干涉结构的分光比可调分路器对两个并行排布调制器和主调制器的两臂分光进行独立调节，有效补偿工艺误差等引入的调制器不对称性。陷波滤波器进一步滤除杂散边带，提高单边带信号的边带抑制比。本发明具有工作带宽大、抑制比高等优点。

Description

硅基高抑制比单边带调制器芯片

技术领域

本发明涉及电光调制技术、集成光子技术，属于硅基单边带调制器领域。

背景技术

现代社会信息传输量的爆炸式增长，对信息的传输和交换提出了越来越高的要求。面对如此大规模的数据交换量和传输量，电互连早已不能满足需求，相比之下低损耗、低成本、大带宽的光互连成为通信骨干网互联的基本方式。此外，大数据、云计算等技术的催生，也使得数据中心光互连替代传统电互连。在更小的尺度上，芯片级的光互连技术也在不断成熟。

作为光互连技术中的关键器件，电光调制器的带宽和速率基本上决定了整个光互连系统的性能。研制出更高性能更稳定的调制器一直是学术界和工业界的共同追求。硅基器件由于与CMOS工艺兼容的天然优势进入了人们的视线。然而，硅作为一种中心反演对称晶体材料，其本身并不具有电光效应。1987年，R.Soref提出载流子色散效应，通过在硅波导中掺杂自由载流子然后在通过电场来驱动载流子移动，改变其浓度，从而改变波导的有效折射率，实现对光的调制。硅基电光调制器可以很方便的与诸如光滤波器、波导阵列光栅等各种有源或者无源器件进行片上大规模集成，制造高密度、小型化的光收发模块。尽管由于硅的间接带隙特性，在光源方面，硅本身不能发光，但仍然可以通过异质集成或高级封装形式将激光器和硅基调制器封装到一个模块中。

从光学结构上硅基光调制器分为硅基微环调制器和硅基马赫曾德尔调制器两种类型。微环调制器主要由一根直波导、一个掺杂波导构成的微环以及相应的集总电极构成。微环调制器相比于马赫曾德调制器，其电学结构为集总电极，电学结构相对比较简单，整体的尺寸比较紧凑。但由于微环本身对温度十分敏感，且其光学带宽通常比较小。马赫曾德调制器主要由输入波导、3dB耦合器、掺杂波导构成的上下调制臂、行波电极和输出波导构成。马赫曾德调制器虽然在尺寸紧凑度上逊于微环调制器，但是其热稳定性要好得多，相对工作频段比较宽。此外，马赫曾德调制器的电极设计可以采用行波电极的设计方式，行波电极的优点在于它能够匹配微波信号和光信号的传输速度，减小微波损耗，提高马赫曾德调制器的带宽。

相对于双边带调制而言，单边带调制在一些方面具备优势。普通的双边带调制，调制过后的信号对称地分布在载波左右两侧，也被称为边带，而这两部分边带包含的信息是完全相同的。单边带调制就是去掉其中一个边带，使得最终的信号频谱中只保留一个边带，这样调制后信号的带宽就减小了一半。单边带调制在光通信中具有广泛应用。光信号在光纤传输过程中，由于存在色散现象，长距离传输后光信号会产生失真，而单边带信号由于仅利用双边带信号一半的带宽，信号的色散相对较小，因而单边带调制信号更适合用来作为远距离传输的调制格式。

除了应用于光互连中减小色散，单边带调制在其他领域的应用也非常多。例如可以将单边带调制器与微波光子相结合，实现微波光子滤波器。单边带调制器还可以用于实现宽带的微波移相器，借助光产生高精度大带宽的微波相移。利用载波抑制单边带调制还可以实现微波光子下变频器，用于产生宽带的微波信号。调制器工作在载波抑制单边带调制状态，保证输出端只含有一个边带，再经过光电探测器拍频就能获得高精度的微波信号。工作在载波保持单边带调制状态下的单边带调制器的输出中只包含一个边带，另一个边带被抑制。当我们使用一个扫频的单频信号对单边带调制器进行调制时，忽略高阶边带，则调制器的输出可以看作是固定的载波加上扫频的单频光，实现光网络分析仪的功能。

目前，研究者们提出了很多种实现单边带调制的器件结构。比如使用两路正交的微波信号来驱动一个双平行微环调制器，由希尔伯特变换的原理实现单边带调制。输入光经过一个2×2多模耦合器后分为相位正交的两路光，微波信号经过一个90°电桥后分为幅度相等、相位相差90°的两部分。两路正交的微波信号分别调制两路正交的光信号，此时，上路调制器和下路调制器的输出光谱中的+1阶边带相位相同，而-1阶边带的相位相差180°。在调制器输出端对两路光进行合路后，+1阶边带相互叠加，-1阶边带相互抵消，最终输出只剩下载波和+1阶边带，实现单边带调制，这种方式的优点是它的结构比较简单易于测试，缺点是需要使用微波移相器，带宽受到一定的限制。第二种实现单边带调制的方式是使用滤波器对双边带信号进行滤波，将其中一个边带滤除，从而得到单边带信号，这种方式无需微波移相器，而且滤波器容易和调制器进行单片集成，但是同时满足大带宽和高抑制比的单边带调制对滤波器设计要求很高，会导致器件结构复杂。第三种方法也是基于希尔伯特变换的原理，但是该方法不使用微波移相器，而是通过使用sinc切趾的布拉格光栅实现全光希尔伯特变换，实现单边带调制。这种方式无需微波移相器，容易进行单片集成，带宽潜力非常大，但是sinc切趾布拉格光栅的制作对工艺的要求比较高，导致其产生的单边带信号的边带抑制比是比较低的。除以上实现单边带调制的三种器件结构，学界还有使用双平行马赫曾德调制器结构、级联马赫曾德干涉结构以及Sagnac环来实现单边带调制的方法，基本原理都可被包含在以上三种基本方法内。

发明内容

本发明基于现有的电光调制技术和单边带调制技术，针对传统双平行马赫曾德尔调制器工作带宽不够大和抑制比不够高的问题，提出一种硅基高抑制比单边带调制器芯片。通过基于传统的双平行马赫-曾德尔调制器，引入基于1×2马赫曾德干涉结构的分光比可调分路器，调节主调制器和子调制器两臂的分光比以提高主调制器两臂光功率的均等性，从而使得相位差180°的边带更好地互相抵，提高单边带调制的微波工作带宽和抑制比，满足微波光子信号处理对大带宽高抑制比单边带调制信号的需要。同时采用陷波滤波器滤除被抑制的边带，最终实现提高调制器工作带宽和边带抑制比的目的。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特点在于：包括依次连接的输入波导、分光比可调的硅基双平行马赫曾德调制器、陷波滤波器和输出波导，所述的分光比可调硅基双平行马赫曾德尔调制器的输出端与陷波滤波器的输入端相连；

连续光信号经输入波导输入到所述的分光比可调的硅基双平行马赫曾德调制器中，待调制微波信号通过90°电桥分为幅度相等且相位差为90°的两路信号，分别加载到硅基双平行马赫曾德调制器的射频输入端，实现光学单边带信号输出，再经所述的陷波滤波器滤除杂散边带，提高单边带信号的边带抑制比。

所述的分光比可调的硅基双平行马赫曾德尔调制器包括依次连接第一分光比可调分路器、两个并行排列的马赫增德尔调制器、两个第一热光移相器和1×2耦合器；

所述的两个并行排列的马赫增德尔调制器为两个结构一致的硅基对称型马赫曾德尔调制器，每个马赫曾德尔调制器均包含依次连接的一个1×2耦合器、一对单端推挽的高速移相器、两个第二热光移相器和第二分光比可调分路器。

进一步地，所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片，为两个结构一致的硅基对称型马赫曾德尔调制器，每个调制器包含一个1×2耦合器，一对单端推挽的高速移相器，两个热光移相器和一个分光比可调分路器。所述的单端推挽高速移相器采用载流子耗尽型设计，电极采用行波电极结构提高调制器带宽；电极的输入端为硅基双平行马赫曾德调制器的射频输入端，输出端与50欧姆匹配电阻相连，减少微波反射。

进一步地，所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片中的分光比可调分路器采用1×2对称型马赫曾德干涉器结构，包含一个1×2耦合器，两个长度相同的热移相器和一个2×2耦合器，通过改变热移相器上的相位来调节输出两路的光功率大小。

进一步地，所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片中的1×2和2×2耦合器可采用多模干涉结构(MMI)、Y分叉结构或定向耦合器结构，实现50:50均匀的分光比。

进一步地，所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片中的热移相器，采用金属热电阻结构或者硅掺杂结构；调节各热移相器的相位满足一定的关系，可在较大微波输入信号范围内输出高抑制比的载波保持单边带调制(SSB-C)或载波抑制单边带调制(SSB-SC)光信号。

进一步地，所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片中的陷波滤波器，采用级联微环或者并行微环结构，具有快速滚降、高抑制比的优点，滤波器上集成了热移相器实现滤波中心频率可调。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用第一分光比可调的分路器独立调节主调制器两臂的分光比，采用第二采用第一分光比可调的分路器调节两个子调制器输出的光功率之比，从而提高主调制器两臂上光功率的均等性，使得两个子调制器的一侧边带更好地得到消除，提高该调制器单边带调制的工作带宽和抑制比。

2)采用特殊设计的级联微环结构，具有良好滚降特性和一定带宽的陷波滤波器对被抑制的边带进一步滤除，提高了此单边带调制器的工作带宽和抑制比。

3)本发明结构与控制简单，采用集成光子技术，也具有尺寸小、功耗低的优点。能够在更大的带宽内实现高抑制比的载波保持单边带和载波抑制单边带调制，在高速光互连和微波光子处理等领域中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明第一实施例的结构示意图。

图3为本发明所包含分光比可调的光分路器的具体结构图。

图4为本发明硅基高抑制比单边带调制器中子调制器调制臂截面及等效电路图。

图5为本发明所包含两种陷波滤波器的结构图。其中，(a)为并行微环型陷波滤波器。(b)为级联微环型陷波滤波器。(c)为仿真的两种陷波滤波器的传输谱线图。

图6为本发明硅基高抑制比单边带调制器进行两种单边带调制的工作原理图。其中，(a)为载波保持单边带(SSB-C)调制工作模式原理图，(b)为载波抑制单边带(SSB-CS)调制工作模式原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明总体结构如图1所示，一种硅基高抑制比单边带调制器芯片，包含输入波导1、一个分光比可调的硅基双平行马赫曾德调制器(DP-MZM)、一个陷波滤波器和输出波导7，硅基双平行马赫曾德尔调制器的输出端与陷波滤波器的输入端相连。连续光信号输入到硅基双平行马赫曾德调制器中；待调制微波信号通过90°电桥分为幅度相等、相位差为90°的两路信号，分别加载到硅基双平行马赫曾德调制器的射频输入端，实现光学单边带信号；陷波滤波器进一步滤除杂散边带，提高单边带信号的边带抑制比。

图2为本发明第一实施例的结构示意图，如图所示，一个分光比可调硅基双平行马赫曾德尔调制器依次由第一分光比可调分路器2、两个并行排列的马赫增德尔调制器3、两个热光移相器4、1×2耦合器5连接构成，所述的并行排列的马赫曾德尔调制器3为两个结构一致的硅基对称型马赫曾德尔调制器，每个调制器包含一个1×2耦合器8，一对单端推挽的高速移相器9，两个热光移相器10和一个第二分光比可调分路器11。所述的单端推挽高速移相器9采用载流子耗尽型设计，电极采用行波电极结构提高调制器带宽；电极的输入端为硅基双平行马赫曾德调制器的射频输入端，输出端与50欧姆匹配电阻相连，减少微波反射。所述的陷波滤波器，采用级联微环或者并行微环结构，具有快速滚降、高抑制比的优点，滤波器上集成了热移相器实现滤波中心频率可调。

光载波耦合进入片上后首先经过输入波导1进入1×2马赫曾德干涉结构(结构如图3所示)经过对干涉臂上移相器的所加电压的调节后可以按照50：50分光比均匀为两路，两路功率相等的光信号经过相同的1×2多模干涉结构分别分为两路经过调制臂上的掺杂波导(调制臂截面及等效电路图如图4所示)，经过高速移相器调制后由2×1马赫曾德干涉结构合束为一路(通过调整干涉臂上移相器所加电压可以调整输出的微波光信号功率，使用时应使两路微波光信号中的边带信号相等)，合束后的两路微波光信号再通过3dB耦合器合束为一路微波光信号信号(此时被合束的两路微波光信号中相位差相差180°的边带会抵消掉)，合束后的微波光信号进入由微环组成的陷波滤波器，通过调整陷波滤波器上的各个移相器对被抵消的的边带信号进行进一步滤除(陷波滤波器类型可为并行微环型或级联微环型，结构分别如图5(a)和(b)所示，其传输谱线仿真结果如图5(c)所示)，最终从输出波导输出。单边带调制的实现原理在下一部分进行进一步地说明。在实施例中，以2阶并行微环滤波器为例给出一种陷波滤波器的具体设计方案，如图5(a)所示。实施例中的二阶并行微环滤波器设计为单个微环半径10μm，微环间距50μm，四个耦合区的直波导和微环间距均为0.7μm。此外，在微环和连接两个微环的直波导上均设计有热移相器(在微环上有金属加热器型热移相器，在直波导上有单边掺杂型热移相器)，可以改变热移相器的相位从而实现对滤波器传输谱的调节。

1.单边带调制的实现

马赫曾德尔调制器的调制臂采用单端推挽驱动的设计形式。其调制臂截面及等效电路如图4所示。两个调制臂外侧的slab层采用高浓度的p+型掺杂，两臂中间的slab层则是高浓度的n+型掺杂区，用于连接两个波导中的PN结和施加PN结的反向偏置电压施加点。调制器两臂的脊形波导采用较低浓度掺杂，用于在脊形波导中构成PN结。其中脊形波导外侧采用p型掺杂，内侧采用n型掺杂。从图4所示等效电路图分析，微波信号通过两侧的行波电极加载在调制臂两端，直流偏置信号则加载在中间的重掺杂n+区。PN结等效为电容，重掺杂载流子的区域则等效为电阻。当偏置电压为V_d时，从直流通路来看，两端的行波电极相当于接地，则两个PN结的P端电势为0，N端电势为V_d，则两个PN结上的直流电压为-V_d。理想状态下，两个调制臂的PN结电容C_d1和C_d2是相同的，根据欧姆分压，当将幅度为V_p的微波信号施加在调制臂两侧时，每个PN结都会分得V_p/2的电压。当信号幅度为正时，c点电势为V_p，a点的总电势为V_d+V_p/2，b点接地，电势为0，通过将电势相减，可得出施加在左侧PN结的电压为0-(V_d+V_p/2)＝-V_d+V_p/2，施加在右侧PN结的电压为V_p-(V_d+V_p/2)＝-V_d-V_p/2。而当微波信号幅度为负时，此时c点电势为0，b点电势为-V_p，a点总电势为V_d-V_p/2，则此时施加在左侧PN结的电压为-V_p-(V_d-V_p/2)＝-V_d-V_p/2，施加在右侧PN结的电压为0-(V_d-V_p/2)＝-V_d+V_p/2。在交流信号的正负周期中，两侧的PN结的直流偏置相同，但是微波信号相反，形成推挽调制。

假设输入光信号表达为

E_in＝E₀e^jωt (1)

输入微波信号为两路只有相位相差θ的微波信号V_RF1＝Vcos(Ωt)和V_RF2＝Vcos(Ωt+θ)。调制器采用单端推挽式设计，则四调制臂的光经过调制后的表达式为

其中

为四个调制臂上热移相器的附加相移，α₁为主调制器的分路器的分光比，α₂,α₃为两个子调制器的分路器的分光比，

为调制深度，V_π1,V_π2分别为两个子调制器的半波电压。此时双平行调制器的输出为

其中

为主马赫曾德干涉结构下臂的热移相器的附加相位。运用雅各比-安格尔展开式对公式(3)进行展开可以得到

为实现SSB-C调制，首先应令两个子调制器的两个调制臂之间光相位相差90°，即令

调制器工作在正交点，产生的边带能量较高。主调制器上下两臂也引入90°的相位差，即令

再通过一个微波移相器令输入的两路微波信号的相位相差90°，即θ＝90°。此时，调制器的输出为

当调制器为理想调制器时，分光比为α₁＝α₂＝α₃＝0.5，两个子调制器性能相同，即β₁＝β₂＝β，忽略二阶以上边带，得到输出信号的表达式为

可以看出输出信号中只包含载波和下边带，上边带被消除，从而得到单边带调制信号。图6(a)给出了双平行调制器工作在SSB-C调制状态时各个节点的频谱状态。

当双平行调制器工作在SSB-SC调制状态下时，两个子调制器工作在载波抑制点，子调制器两臂相位差为180°，即

而主调制器和微波信号的设置和SSB-C调制相同，即

θ＝90°。此时调制器的输出为

此时调制器输出只包含下边带，上边带和载波都被抑制。SSB-SC调制的器件设置和各个位置的频谱如图6(b)所示。

2.分光比可调的分路器

马赫曾德调制器中多模干涉结构分路器的分光比对单边带调制的效果影响较大。但是由于工艺的原因，实际器件的MMI分光比不可能是完全均匀的。实施例中将传统双平行马赫曾德调制器中固定的MMI分路器替换成一个如图3所示的分光比可调的1×2马赫曾德干涉结构，通过调节两个热移相器就可以调节输出端两路光的功率大小，使得原本有功率差别的两路光功率均等(从图3中的A输入，B和C输出)。此外，在经过两个子调制器后分别反接一个相同的分光比可调的分路器结构(从图3中的B、C输入，A输出)，减小由于两个子调制器损耗不同引入的主调制器两臂光功率的不均等性。

3.陷波滤波器

为实现进一步滤除杂散边带的目的，陷波滤波器采用二阶微环滤波器，其结构设计有并行微环滤波器和级联微环滤波器两种设计，两种滤波器的具体结构分别如图5(a)和(b)所示，仿真的传输谱线图如图5(c)所示。在实施例中，以2阶并行微环滤波器为例给出一种具体的设计方案。实施例中的2阶并行微环滤波器设计为单个微环半径10μm，微环间距50μm，四个耦合区的直波导和微环间距均为0.7μm。此外，在微环和连接两个微环的直波导上均设计有热移相器(在微环上有金属加热器型热移相器，在直波导上有单边掺杂型热移相器)，可以改变热移相器的相位从而实现对滤波器传输谱的调节。当直波导上施加一个附加相移时，滤波器传输谱中抑制带一侧的滚降特性会由平缓变得陡峭，并行微环滤波器的滤波性能得到提升，使得该滤波器可以在滤除待抑制边带信号的同时保留载波和待保留边带。当只调节单个微环的相位时，两个微环的谐振峰不再对准，从而使得阻带的带宽变大，但是随着阻带变宽，阻带中间的抑制比也开始下降，这个特性使得滤波器在保证待抑制边带信号有比较好的滤除效果的前提下提高滤波器的抑制带宽。另外，调节两个微环的附加相位可以使滤波器的中心波长发生漂移，且波长漂移量接近一个自由光谱范围，在更换输入微波信号频率后，可以对滤波器中的热移相器进行调节以获得更好的边带滤除效果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特征在于：包括依次连接的输入波导(1)、分光比可调的硅基双平行马赫曾德调制器、陷波滤波器和输出波导(7)，所述的分光比可调硅基双平行马赫曾德尔调制器的输出端与陷波滤波器的输入端相连；

连续光信号经输入波导输入到所述的分光比可调的硅基双平行马赫曾德调制器中，待调制微波信号通过90°电桥分为幅度相等且相位差为90°的两路信号，分别加载到硅基双平行马赫曾德调制器的射频输入端，实现光学单边带信号输出，再经所述的陷波滤波器滤除杂散边带，提高单边带信号的边带抑制比；

所述的分光比可调的硅基双平行马赫曾德尔调制器包括依次连接第一分光比可调分路器(2)、两个并行排列的马赫增德尔调制器(3)、两个第一热光移相器(4)和1×2耦合器(5)；

所述的两个并行排列的马赫增德尔调制器(3)为两个结构一致的硅基对称型马赫曾德尔调制器，每个马赫曾德尔调制器均包含依次连接的一个1×2耦合器(8)、一对单端推挽的高速移相器(9)、两个第二热光移相器(10)和第二分光比可调分路器(11)；

所述的马赫曾德调制器中的一组单端推挽的高速移相器(9)采用载流子耗尽型设计，两个调制臂外侧的slab层采用高浓度的p+型掺杂，两臂中间的slab层则是高浓度的n+型掺杂区，用于连接两个波导中的PN结和施加PN结的反向偏置电压施加点；两臂的脊形波导采用较低浓度掺杂，用于在脊形波导中构成PN结，所述的脊形波导外侧采用p型掺杂，内侧采用n型掺杂，工作时微波信号通过两侧的行波电极加载在调制臂两端，直流偏置信号则加载在中间的重掺杂n+区；电极采用行波电极结构提高调制器带宽，电极的输入端为硅基双平行马赫曾德调制器的射频输入端，输出端与50欧姆匹配电阻相连，减少微波反射。

2.根据权利要求1所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特征在于：所述的第一分光比可调分路器(2)和第二分光比可调分路器(11)均采用1×2对称型马赫曾德干涉器结构，所述的第一分光比可调分路器(2)由依次连接一个1×2耦合器、两个长度相同的热移相器和一个2×2耦合器构成，通过调节热移相器的相位来改变输出两路的光功率大小，使得原本有功率差别的两路光功率均等；

所述的第二分光比可调分路器(11)为反接的第一分光比可调分路器(2)，进而减小由于两个子调制器损耗不同引入的主调制器两臂光功率的不均等性。

3.根据权利要求2所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特征在于：所述的1×2和2×2耦合器可采用多模干涉结构(MMI)、Y分叉结构或定向耦合器结构，实现50:50均匀的分光比。

4.根据权利要求2所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特征在于：所述的热移相器均采用金属热电阻结构或者硅掺杂结构；调节各热移相器的相位满足一定的关系，可在较大微波输入信号范围内输出高抑制比的载波保持单边带调制(SSB-C)或载波抑制单边带调制(SSB-SC)光信号。

5.根据权利要求1所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特征在于：所述的陷波滤波器采用N阶并行微环结构或N阶级联微环结构。

6.根据权利要求5所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特征在于：所述的N阶并行微环结构由两条平行直波导和位于该两条平行直波导之间的N个微环组成，且每个微环与两条直波导都有耦合区，每个微环上和环间的直波导上均设置有移相器。

7.根据权利要求5所述的硅基高抑制比单边带调制器芯片，其特征在于：所述的N阶级联微环结构由两条平行直波导和位于该两条平行直波导之间级联放置的N个微环组成，且第一个微环和最后一个微环分别与两条平行直波导中的一条有耦合区，每个微环上均设置有移相器。

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