CN114527535B - 一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片和高线性方法 - Google Patents

一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片和高线性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片和高线性方法。该芯片基于硅光集成工艺，集成了一个光功分器、一个主调制器、一个电光预失真器和一个低带宽锗硅光电探测器。输入光信号经光功分器分成两路并分别输入到主调制器和电光预失真器中。射频双音信号经电功分器分成两路，其中一路调制电光预失真器，经片上低带宽锗硅探测器解调出的二阶交调信号放大后与另一路射频双音信号经电合成器调制主调制器。调控光功分器和电功分器的功率分配比，抑制主调制器产生三阶交调信号，提高其调制线性度，从而极大地提高所在模拟光链路的无杂散动态范围。

Description

一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片和高线性 方法
技术领域
本发明涉及一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片和高线性方法，属于微波光子技术领域。
背景技术
近年来，微波光子技术在光纤射频传输链路、相控阵天线以及卫星通信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、重量轻和功耗低等特点。
在微波光子链路中，首先需要使用调制器将微波信号调制到光载波上进行传输和处理。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。要实现高保真信号传输，微波光子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信号分量，其中位于系统通带内的三阶交调(the 3rd intermodulation distortion, IMD3)对微波链路影响最大，会极大降低微波光子链路的三阶无杂散动态范围 (The 3rd Spurious-Free-Dynamic-Range,SFDR3)。目前用来提高微波光子链路动态范围的主要方法是抑制调制器的调制非线性。
由于硅基载流子耗尽型调制器具有CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)兼容、带宽大、集成密度高以及可以和电芯片单片集成等优势，因此应用在微波光子链路中将具有非常大的潜力。目前硅基载流子耗尽型调制器主要有两种结构：一种是基于马赫曾德尔干涉结构的硅基载流子耗尽型调制器(Silicon-basedCarrier-depletion Mach-Zehnder Modulator, Si-CD-MZM)。由于其具有结构简单、工艺容差大等优势，在微波光子链路和系统中广泛应用。然而，由于PN结移相器的载流子色散效应和MZM本身的正弦调制曲线非线性，Si-CD-MZM的线性度仍需大幅提高。国内外相关研究机构提出了多种Si-CD-MZM的线性化方案，例如：通过提高PN结调制臂掺杂浓度来改变光场与电场的交叠区域实现高线性链路；通过使用DC-Kerr效应来补偿PN 结载流子色散效应的非线性。虽然上述两种方案对Si-CD-MZM的调制非线性具有一定的抑制效果，但是这些方案需要定制化芯片代工厂的工艺流程，提高了芯片加工的复杂度与成本。
另一种硅基载流子耗尽型调制器是硅基微环调制器(Silicon-based Carrier-depletion Micro-ring Modulator,Si-CD-MRM)。相比于Si-CD-MZM， Si-CD-MRM具有功耗低、尺寸小等优点。因此在大规模、高密度光子集成器件和芯片等应用中，Si-CD-MRM具有非常大优势。然而，由于Si-CD-MRM的调制函数是洛伦兹曲线，相比于Si-CD-MZM的正弦调制函数具有更强的非线性，因此目前多数应用使用的是Si-CD-MZM。然而，Si-CD-MZM的线性度仍急需得到显著提升以满足更高性能微波光子系统的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片和高线性方法。本发明方法可以实现Si-CD-MZM的三阶交调非线性抑制，进而提高其所在链路的SFDR3。
本发明的技术方案如下：
本发明首先提供了一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片，所述芯片集成了一个分光比可调的SiN-OPS、一个电光预失真器、一个主调制器、一个低带宽锗硅光电探测器、端面耦合器、SiN-Si层间过渡结构、用于光连接的硅基光波导和氮化硅基光波导；
所述SiN-OPS包括一个1×2氮化硅多模干涉仪、一个2×2SiN-MMI和两个等长的SiN-TOPS，通过调控SiN-TOPS上的施加电压大小调控光功分比，其中，SiN-TOPS包括氮化硅波导和对氮化硅波导进行加热的热电阻；
SiN-OPS的输入端连接一个端面耦合器，SiN-OPS具有两个输出端，其中一个输出端经SiN-Si层间过渡结构和硅基光波导连接到主调制器，另一个输出端经SiN-Si层间过渡结构和硅基光波导连接到电光预失真器中；主调制器连接有 RFS射频输入端口用于接收外部RFS射频输入，主调制器的输出端连接一个端面耦合器；电光预失真器连接有EPS射频输入端口用于接收外部EPS射频输入，电光预失真器经光波导与低带宽锗硅光电探测器连接，低带宽锗硅光电探测器具有射频输出端口。
作为本发明的优选方案，所述的电光预失真器是基于载流子积累型、注入型或耗尽型的马赫曾德尔调制器或微环调制器。
作为本发明的优选方案，所述的电光预失真器是硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器或硅基载流子耗尽型微环调制器。
作为本发明的优选方案，所述主调制器为硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器。
作为本发明的优选方案，所述低带宽锗硅光电探测器是锗硅PIN型光电探测器或锗硅雪崩型光电探测器。
作为本发明的优选方案，所述SiN-Si层间过渡结构是用来将光信号从氮化硅基光波导耦合入硅基光波导或者从硅基光波导耦合入氮化硅基光波导。
本发明还公开了一种上述基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片的高线性方法，其包括如下步骤：
1)外部激光器输出的光信号经端面耦合器输入到SiN-OPS中并分成两路，一路光信号输入到电光预失真器中，另一路输入到主调制器中；
2)外部射频信号源产生频率为f1和f2的双音信号，该双音信号的频率间隔为Δf＝(f2-f1)；
3)双音信号由外部功分比可调的电功分器分成两路，一路经EPS射频输入端口输入调制电光预失真器，产生非线性交调信号和谐波信号，经低带宽锗硅光电探测器解调和滤波后输出频率为(f2-f1)的二阶交调信号；
4)由电光预失真器产生的二阶交调信号经外部低噪声放大器放大和移相后，与另一路双音信号经电合成器合束并经RFS射频输入端口输入调制主调制器；
5)主调制器被调制后的光信号经端面耦合器输出到外部高速光电探测器中进行解调；
6)通过调控SiN-OPS和外部功分比可调的电功分器的功分比，使电光预失真器产生的二阶交调信号与另一路双音信号产生的三阶交调信号(2f1-f2)和(2f2-f1) 抵消掉由于主调制器本身调制非线性产生的三阶交调信号，并保持双音信号的功率变化在正负3dB以内，从而大幅提高主调制器的线性度和所在模拟光链路的三阶无杂散动态范围。
根据本发明的一个可选实施方式，当电光预失真器是硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器时，其工作方法为：光信号输入到硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器，通过将其工作点设置在低偏置点，使用双音信号(f1,f2)驱动此时的硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器，将输出的被双音信号调制后的光信号输入到片上低带宽锗硅光电探测器进行解调可以得到二阶交调信号；由于低带宽锗硅光电探测器带宽较低，因此除该二阶交调信号外，谐波信号均被低带宽锗硅光电探测器滤除。
根据本发明的一个可选实施方式，当电光预失真器是硅基载流子耗尽型微环调制器时，其工作方法为：光信号输入到硅基载流子耗尽型微环调制器，通过调控硅基载流子耗尽型微环调制器品质因子和谐振波长让其工作在非线性偏置点，使用双音信号驱动此时的硅基载流子耗尽型微环调制器，将输出的被双音信号调制后的光信号输入到片上低带宽锗硅光电探测器中进行解调可以得到二阶交调信号；由于低带宽锗硅光电探测器带宽较低，因此除该二阶交调信号外，谐波信号均被该低带宽锗硅光电探测器滤除。
作为本发明的优选方案，LB GeSi-PD可以是锗硅PIN型光电探测器(GeSi PINPhotodetector,GeSi PIN-PD)或锗硅雪崩型光电探测器(GeSi AvalanchePhotodetector,GeSi APD)，其带宽一般小于一倍频程，优选的使用GeSi APD。
作为本发明的优选方案，端面耦合器可以是硅基或氮化硅基端面耦合器，优选的使用氮化硅基端面耦合器(SiN-based Edge Coupler,SiN-EC)。
经片上LB GeSi-PD解调出来的二阶交调信号(f2-f1)需要使用外部LNA(通常情况下，LNA的放大增益是固定的)放大来提高该信号的功率。
本发明基于低偏置Si-CD-MZM和Si-CD-MRM谐振波长附近工作点非线性较强的特点，首次提出了使用Si-CD-MZM和Si-CD-MRM作为电光预失真器 (Electro-opticPredistorter,EO-Predistorter)，将其产生的二阶交调失真(The 2nd Inter-modulationDistortion,IMD2)信号经片上低带宽光电探测器(Low-bandwidth GeSi Photodetector,LB GeSi-PD)解调以及外部低噪声放大器(Low-noise Amplifier, LNA)放大后和基频调制信号相结合共同调制Si-CD-MZM，将使用基于该方法产生IMD3来抑制Si-CD-MZM本身产生的IMD3，提高其调制线性度，进而提高 Si-CD-MZM所在微波光子链路的SFDR3。该方法具有结构简单、带宽大、功耗低以及可以将电芯片和光芯片实现单片集成等优势，在硅基调制器的线性化上具有极大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明光芯片的结构示意图，图1中的(a)-(e)对应的是高线性方法过程中对应点的频谱示意。
图2是Si-CD-MZM的结构示意图。
图3是Si-CD-MRM的结构示意图。
图4是SiN-OPS结构示意图。
图5是SiN-Si层间耦合结构的示意图。
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，本发明基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片基于包含氮化硅工艺的硅光芯片，硅光芯片上集成了氮化硅端面耦合器(SiN Edge Coupler, SiN-EC)、氮化硅可调分光比光功分器(SiN Optical Power Splitter,SiN-OPS)、 Si-CD-MZM(主调制器)、EO-Predistorter、LB GeSi-PD、SiN-Si层间耦合结构以及用于片上光连接的硅波导(Silicon-based Waveguide,Si-WG)和氮化硅波导 (SiN-based Waveguide,SiN-WG)。
如图4所示，SiN-OPS由一个1×2氮化硅多模干涉仪(Silicon Nitride MultimodeInterferometer,SiN-MMI)、一个2×2SiN-MMI和两个等长的氮化硅热光移相器(SiliconNitride Thermal-Optic Phase shifter,SiN-TOPS)组成。通过调控对热光移相器上的施加电压大小调控其光功分比。
光信号在SiN-WG和Si-WG之间耦合时需要的层间耦合结构三维示意图如图5中的(a)所示，俯视和主视分别如图5中的(b)和(c)所示。
外部激光器(Laser)产生的光信号经SiN-EC耦合入硅光芯片中并输出到 SiN-OPS中。SiN-OPS将输入的光信号功分成两路，一路经SiN-Si层间耦合结构和Si-WG输入到主调制器Si-CD-MZM，另一路经SiN-Si层间耦合结构和 Si-WG输入到EO-Predistorter中，其中SiN-Si层间过渡结构是用来将光信号从SiN-WG耦合入Si-WG或者从Si-WG耦合入SiN-WG。
如图1所示，外部射频信号源(RF Signal Source,RFSS)输出频率为(f1,f2)的双音信号(对应的频谱如图1中的(a)所示)，并由功分比可调的电功分器(Electrical PowerSplitter,EPS)分成两路，其中一路用来调制EO-Predistorter。
电光预失真器基于硅光调制器实现，该硅光调制器可以是基于载流子积累型、注入型和耗尽型的马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)或微环调制器(Micro-Ring Modulator,MRM)。由于硅基载流子耗尽型调制器具有带宽大等优势，这里优选的使用硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器(Silicon-based Carrier-depletion Mach-ZehnderModulator,Si-CD-MZM)和硅基载流子耗尽型微环调制器(Silicon-based Carrier-depletion Micro-ring Modulator,Si-CD-MRM)作为电光预失真器。如图2所示，Si-CD-MRM由基于Si-WG的BUS波导以及集成了 PN结移相器和热光移相器的微环谐振腔构成。在基于Si-CD-MRM的 EO-Predistorter工作时，需要在PN结移相器上施加反向偏置电压，保证PN结移相器工作在反偏状态。同时调控施加在热光移相器上的电压来调控 Si-CD-MRM的谐振波长使其工作在非线性调制区。
如图2所示，Si-CD-MZM由两个硅基1×2多模耦合干涉仪(Silicon-basedMultimode Interferometer,Si-MMI)、两个PN结移相器和一个热光移相器构成。在基于Si-CD-MZM的EO-Predistorter工作时，需要在PN结移相器上施加反向偏置电压，保证PN结移相器工作在反偏状态。同时调控施加在热光移相器上的电压来调控Si-CD-MZM的偏置点使其工作在非线性调制区。
如图3所示，Si-CD-MZM作为主调制器工作时，需要在PN结移相器上施加反向偏置电压，保证PN结移相器工作在反偏状态。同时调控施加在热光移相器上的电压来调控Si-CD-MZM的偏置点使其工作在正交偏置点，即三阶交调非线性最小点。
双音信号和PN结反偏电压分别输入到偏置器(Bias-tee)的射频输入端口和直流输入端口，经输出端口输出并通过高速探针或Wire-bonding施加在 EO-Predistorter的PN结移相器上完成调制器。然后经Si-WG输入到LB GeSi-PD 解调出频率为(f2-f1)的二阶交调信号IMD2，对应的频谱图如图1中的(b)所示。
双音信号经LNA放大和射频移相器(RF Phase Shifter,RFPS)移相后(对应的频谱如图1中的(c)所示)与另一路双音信号通过射频合成器(RF synthesizer,RFS) 合成一路信号(对应的频谱如图1中的(d)所示)并调制主调制器，调制输出的光信号通过外部HS-PD解调，对应的频谱如图1中的(e)所示。
如图1中的(e)所示，频谱中包含了双音信号的两个基频分量f1和f2和频率为(2f1-f2)和(2f2-f1)的三阶交调信号IMD3。当无EO-Predistorter工作时，主调制器产生的三阶交调信号频谱为浅色箭头实线，而深色箭头实线为主调制器使用了 EO-Predistorter之后的三阶交调信号，而基频信号的大小基本维持不变(实线越长表示对应频谱分量的功率越大)。可以看出，EO-Predistorter的使用抑制了由于主调制器产生的三阶交调信号，提高了调制器的线性度。具体的，通过调控 SiN-OPS的分光比、外部EPS的双音信号功分比和RFPS的相移，就可以使主调制器的三阶交调信号得到大幅抑制。
基于上述步骤，利用电光预失真器产生二阶交调信号，与基频双音信号合束后再调制主调制器，产生的三阶非线性抑制了主调制器自身产生的三阶非线性。该方法相对于传统电学预失真方法具有结构简单、带宽大以及最终可以实现光电器件的单片集成等优势，在硅光调制器的线性化以及大动态硅基微波光子链路和系统方面具有非常大的应用价值。

Claims (9)

1.一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片，其特征在于，所述芯片集成了一个分光比可调的氮化硅可调分光比光功分器（SiN-OPS）、一个电光预失真器、一个主调制器、一个低带宽锗硅光电探测器、端面耦合器、SiN-Si层间过渡结构、用于光连接的硅基光波导和氮化硅基光波导；
所述氮化硅可调分光比光功分器（SiN-OPS）包括一个1×2氮化硅多模干涉仪、一个2×2氮化硅多模干涉仪（SiN-MMI）和两个等长的氮化硅热光移相器（SiN-TOPS），通过调控氮化硅热光移相器（SiN-TOPS）上的施加电压大小调控光功分比，其中，氮化硅热光移相器（SiN-TOPS）包括氮化硅波导和对氮化硅波导进行加热的热电阻；
氮化硅可调分光比光功分器（SiN-OPS）的输入端连接一个端面耦合器，氮化硅可调分光比光功分器（SiN-OPS）具有两个输出端，其中一个输出端经SiN-Si层间过渡结构和硅基光波导连接到主调制器，另一个输出端经SiN-Si层间过渡结构和硅基光波导连接到电光预失真器中；主调制器连接有外部射频信号源（RFSS）射频输入端口用于接收外部射频信号源（RFSS）射频输入，主调制器的输出端连接一个端面耦合器；电光预失真器连接有电功分器（EPS）射频输入端口用于接收外部电功分器（EPS）射频输入，电光预失真器经光波导与低带宽锗硅光电探测器连接，低带宽锗硅光电探测器具有射频输出端口。
2.根据权利要求1所述的基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片，其特征在于，所述的电光预失真器是基于载流子积累型、注入型或耗尽型的马赫曾德尔调制器或微环调制器。
3.根据权利要求1所述的基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片，其特征在于，所述的电光预失真器是硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器或硅基载流子耗尽型微环调制器。
4.根据权利要求1所述的基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片，其特征在于，所述主调制器为硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器。
5.根据权利要求1所述的基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片，其特征在于，所述低带宽锗硅光电探测器是锗硅PIN型光电探测器或锗硅雪崩型光电探测器。
6.根据权利要求1所述的基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片，其特征在于，所述SiN-Si层间过渡结构是用来将光信号从氮化硅基光波导耦合入硅基光波导或者从硅基光波导耦合入氮化硅基光波导。
7.一种权利要求1所述基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片的高线性方法，其特征在于包括如下步骤：
1）外部激光器输出的光信号经端面耦合器输入到氮化硅可调分光比光功分器（SiN-OPS）中并分成两路，一路光信号输入到电光预失真器中，另一路输入到主调制器中；
2）外部射频信号源产生频率为f 1和f 2的双音信号，该双音信号的频率间隔为Δf=(f 2-f 1)；
3）双音信号由外部功分比可调的电功分器分成两路，一路经电功分器（EPS）射频输入端口输入调制电光预失真器，产生非线性交调信号和谐波信号，经低带宽锗硅光电探测器解调和滤波后输出频率为(f 2-f 1)的二阶交调信号；
4）由电光预失真器产生的二阶交调信号经外部低噪声放大器放大和移相后，与另一路双音信号经电合成器合束并经外部射频信号源（RFSS）射频输入端口输入调制主调制器；
5）主调制器被调制后的光信号经端面耦合器输出到外部高速光电探测器中进行解调；
6）通过调控氮化硅可调分光比光功分器（SiN-OPS）和外部功分比可调的电功分器的功分比，使电光预失真器产生的二阶交调信号与另一路双音信号产生的三阶交调信号(2f 1-f 2)和(2f 2-f 1)抵消掉由于主调制器本身调制非线性产生的三阶交调信号，并保持双音信号的功率变化在正负3 dB以内，从而大幅提高主调制器的线性度和所在模拟光链路的三阶无杂散动态范围。
8.根据权利要求7所述的高线性方法，其特征在于，所述电光预失真器是硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器，其工作方法为：光信号输入到硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器，通过将其工作点设置在低偏置点，使用双音信号(f 1, f 2)驱动此时的硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器，将输出的被双音信号调制后的光信号输入到片上低带宽锗硅光电探测器进行解调可以得到二阶交调信号；由于低带宽锗硅光电探测器带宽较低，因此除该二阶交调信号外，谐波信号均被低带宽锗硅光电探测器滤除。
9.根据权利要求7所述的高线性方法，其特征在于，所述电光预失真器是硅基载流子耗尽型微环调制器，其工作方法为：光信号输入到硅基载流子耗尽型微环调制器，通过调控硅基载流子耗尽型微环调制器品质因子和谐振波长让其工作在非线性偏置点，使用双音信号驱动此时的硅基载流子耗尽型微环调制器，将输出的被双音信号调制后的光信号输入到片上低带宽锗硅光电探测器中进行解调可以得到二阶交调信号；由于低带宽锗硅光电探测器带宽较低，因此除该二阶交调信号外，谐波信号均被该低带宽锗硅光电探测器滤除。
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