CN116500814B - 基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片及方法，属于射频无线通信技术领域。外部激光器输出的光信号经端面耦合器输入到本发明的调制器芯片中，先经硅基热光功分器分成两路，分别输入到两个相同的调制深度可调的硅基铌酸锂薄膜马赫曾德尔调制器中。将两个马赫曾德尔调制器的工作点设置在相反的两个正交偏置点，通过调控输入到两个马赫曾德尔调制器的光功率分配比以及各自的调制深度，使两个马赫曾德尔调制器产生的三阶交调信号相互抵消，从而实现基于全光线性化的高线性调制。本发明能够极大降低链路噪声系数，进而大幅提升其所在额微波光子系统的动态范围SFDR3。
Description
技术领域
本发明属于射频无线通信技术领域，涉及一种基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片及方法。
背景技术
微波光子技术融合了微波技术和光子技术，利用光学设备和系统来实现微波信号生成、处理和传输等功能。随着集成光子学的快速发展，进一步推动了微波光子系统的小型化和集成化，即集成微波光子系统。目前，许多微波光子芯片已经在各种材料平台上实现，例如绝缘体上硅、氮化硅和磷化铟，并且实现了包括宽带微波信号生成，可调真延时，可编程微波光子滤波器等。在微波光子系统中作为核心器件的电光调制器，其主要作用是将微波信号从电域转换到光域。在此过程中，调制线性度是最终决定微波光子链路性能的最关键指标，通常使用SFDR(Spurious-Free-Dynamic-Range, SFDR)或CDR(Carrier-to-distortion Ratio, CDR)来表征调制器的线性度。具有高 SFDR 的调制器可以有效地传输模拟微波信号，同时引入最少的不需要的谐波、交调信号和噪声。由于三阶交调信号在频域上距离基频信号非常近，难以使用滤波器滤除，对微波光子链路的影响最大。因此，如何使用电学方法或者光学方法提升调制器线性度，进而提高其三阶SFDR3或CDR3是至关重要的。
根据调制器的结构可以将其分为马赫-曾德尔调制器(Mach-ZehnderModulators, MZM)、微环调制器(Micro-ring Modulator, MRM)等。相比于微环调制器，马赫曾德尔调制器具有结构简单，工作稳定，线性度高等优势，更适合作为高线性调制器。目前，高线性马赫曾德尔调制器已经在绝缘体上硅、氮化硅和磷化铟上得到实现和验证，但线性度仍不能满足优于130 dB·Hz2/3的要求。主要原因为：材料性质本身不具备电光响应、线性化方案中仍使用了较多的射频电子器件，不能真正实现全光线性化。
硅基铌酸锂薄膜集成平台具有一阶电光效应，因此基于该材料平台制备的MZM具有很高的线性度。然而，由于其调制曲线是正弦曲线，因此不能实现完全的线性调制。目前，提高SFDR3通常有两种办法：一种是提高光功率或信噪比，另一种是抑制三阶交调信号的产生或传输。前者是改善动态范围的下限，后者则是改善上限。在集成的要求下，后者所要求的功耗更低，因此是当前热点的前沿方向。针对硅基铌酸锂薄膜的MZM的线性化方案很多，包括：构建新型薄膜结构，使用微环辅助线性化结构，电域预失真以及信号后处理等方案。电域预失真和信号后处理线性化技术对电芯片的带宽要求高，并且系统复杂度高，难以实现优于130 dB·Hz2/3的超高线性度。相比之下，前两种光域线性化方案具有结构简单、带宽大等优势。但受限于复杂的工艺和波长锁定系统，达到实用化和产业化仍有距离。
除上述光域线性化硅基薄膜铌酸锂MZM方案外，基于串联和并联MZM结构也可以大幅提升其调制线性度。相比于串联硅基薄膜铌酸锂MZM，并联硅基薄膜铌酸锂MZM由于具有更多调控参数，灵活度更高，线性度可以提升更多。其具体原理是调控两个子MZM的光功率和电功率分配比，使两个子MZM的三阶交调非线性相互抵消。然而，实际应用时，没有可以动态调控电功分比的射频功分器，因此需要一个电功率分配器或信号衰减/放大器来实现功分比可调电功分器的功能，这大大增加了系统复杂度，不利于系统集成和小型化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的步骤，提供一种基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制器及其方法。
本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制器芯片，其包括：输入端耦合器、父MZM和输出端耦合器；所述父MZM包括第一热光功分器、第一子MZM、第二子MZM和第一光合束器；
所述的第一子MZM、第二子MZM均为调制深度可调的硅基铌酸锂薄膜马赫曾德尔调制器（Silicon-LiNbO3-based Thin-Film Mach-Zehnder Modulator, Si-LN MZM），且结构完全相同，均包括：一个第二热光功分器、设置有铌酸锂薄膜移相器的两个调制臂、以及一个第二光合束器，且其中一个调制臂上设置有一个第二硅基热光移相器；硅基热光移相器英文为Thermal-optic Phase Shifter，简写为TOPS；
所述输入端耦合器经第一热光功分器分别与两个子MZM的第二热光功分器的输入端相连；两个子MZM的第二光合束器的输出端与第一光合束器的两个输入端相连；在两个子MZM内，第二热光功分器的两个输出端分别与两个调制臂相连，两个调制臂分别与第二光合束器的输入端相连；其中一个子MZM的第二光合束器的输出端设置有一个第一硅基热光移相器；
所述第一热光功分器与两个第二热光功分器的结构完全相同，均为硅基12热光功分器(Silicon-based 1/>2 optical splitter, SiOS)，经硅基1/>2热光功分器分束的两路信号的功率之比可调。
作为本发明的优选方案，所述硅基12热光功分器由一个硅基1/>2光合束器、一个第三硅基热光移相器、一个硅基2/>2光合束器构成；其中，硅基1/>2光合束器作为输入端，硅基1/>2光合束器的一个输出端直接与硅基2/>2光合束器的一个输入端相连，硅基1/>2光合束器的另一个输出端经第三硅基热光移相器连接硅基2/>2光合束器的另一个输入端相连；硅基2/>2光合束器作为输出端。
在本发明的父MZM中，通过调控施加在第一硅基热光移相器上的电压，可以调控父MZM的工作点。通过调控施加在第一热光功分器的第三硅基热光移相器的电压，可以调控输入到两个子MZM的光功率分配比β。
在本发明的两个子MZM中，通过调控施加在第二硅基热光移相器上的电压，可以调控两个子MZM的工作点。
第一子MZM的调制深度通过调控输入到两个铌酸锂薄膜移相器的光功率分配比实现；其中，光功率分配比/>通过调控施加在第一子MZM的第二热光功分器的第三硅基热光移相器的电压来实现。
第二子MZM的调制深度通过调控输入到两个铌酸锂薄膜移相器的光功率分配比实现；其中，光功率分配比/>通过调控施加在第二子MZM的第二热光功分器的第三硅基热光移相器的电压来实现。
电信号驱动调制深度可调的第一子MZM、第二子MZM中的铌酸锂薄膜移相器用来实现电光调制。
另一方面，本发明提供了一种基于所述硅基薄膜铌酸锂调制器芯片的微波光子链路高线性方法，其包括如下步骤：
S1：外部光载波信号经输入端耦合器输入到所述硅基铌酸锂薄膜光芯片中；光载波信号首先经过第一热光功分器分成两路光载波信号，并且分别输入到第一子MZM、第二子MZM中；两路光载波信号的光功率分配比为β；
S2：通过调控施加在第二硅基热光移相器的电压，将第一子MZM、第二子MZM的工作点分别设置在+/2和-/>/2处；
S3：通过调控施加在第一硅基热光移相器的电压，将父MZM的工作点分别设置在+/2处；
S4：外部信号源输出频率为f1、f2的基频信号构成的双音电信号，经外部12射频功分器等分成两路，并分别调制第一子MZM和第二子MZM；因两个子MZM分别工作在+/>/2和-/2处，两个调制器调制后产生的频率为2f1-f2的三阶交调信号IMD3方向相反；因父MZM工作在+/>/2处，最终调制器芯片输出产生的基频信号功率最大；
S5：两个子MZM输出的调制光信号经合束后再经硅基端面耦合器耦合入外部光放大器中，补偿由于耦合和器件引入的插入损耗；再经光带通滤波器滤除光放大器中的自发辐射噪声，经光滤波器滤波后的调制光信号再输入到高速光电探测器中完成信号解调；
S6：将从高速光电探测器解调后的电信号输入到电频谱仪中，通过观察频率为f1的基频分量和频率为2f1- f2三阶交调分量的功率比值CDR，来判断该调制器芯片是否工作在最佳线性点；
通过第一热光功分器调控光功率分配比β；通过两个第二热光功分器以调控两个子MZM的上下调制臂光功分比和/>，通过观察电频谱仪上基频分量和三阶交调分量的比值，判断CDR是否达到最大；当CDR达到最大时，该调制器芯片工作在最佳线性点。
与现有技术相比，本发明采用一种集成了可调分配比热光功分器的硅基薄膜铌酸锂MZM，该MZM可以在光域实现电功分比调控，代替了外部射频功分器和衰减器，提高了系统集成度，降低了系统复杂度。同时，由于电功分比在光域实现，从根本上解决了带宽受限的问题。
相比于电域预失真线性化和信号后处理技术，光域线性化具有超宽带、低功耗以及抗电磁干扰等优势。但传统光域线性化仍存在使用较多外部射频电器件来调控射频功率分配比，增大了系统复杂度，并且恶化了系统噪声系数，不能完全发挥出光域线性化的优势，系统的动态范围SFDR3提升不明显。本发明的优势是，通过改变子调制器的调制深度来实现射频信号功分比调控，减少外部射频器件的使用。并且通过集成纯硅光电探测器，在光域上实现对射频功分比的监测，打破了传统射频功分比无法实时监测的瓶颈。该发明提出了针对高线性硅基薄膜铌酸锂调制器的全光线性化方案，并且能够极大降低链路噪声系数，进而大幅提升其所在额微波光子系统的动态范围SFDR3。
附图说明
图1是本发明的调制器芯片结构示意图。
图2是本发明的调制器芯片截面结构示意图。
图3表示 TOPS-2移相器引入相位差为0时，即分光比为1：1时，TOPS-1和TOPS-3移相器相位和/>变化时，一阶基频分量FH对应的输出功率。
图4表示TOPS-2移相器引入相位差为0时，即分光比为1：1时，TOPS-1和TOPS-3移相器相位和/>变化时，三阶交调分量IMD3对应的输出功率。
图5表示TOPS-2移相器引入相位差为0时，即分光比为1：1时，TOPS-1和TOPS-3移相器相位和/>变化时，一阶基频分量功率与对应相同条件下的三阶交调分量功率之比CDR的大小。
图6是本发明的调制器芯片线性度测试结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示为本发明的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制器芯片的结构示意图。本发明图1所示调制器芯片中包括多个相同的硅基12热光功分器(Silicon-based 1/>2 optical splitter, SiOS)、相同的硅基热光移相器(Thermal-optic PhaseShifter, TOPS)和相同的纯硅光电探测器(Silicon-based Photodiode, SiPD)。为记述方便，按从左至右，从上到下的顺序分别标记为SiOS-1、SiOS-2、SiOS-3；同理，图1所示调制器芯片中，六个相同的硅基热光移相器分别记作TOPS-1、TOPS-2、TOPS-3、TOPS-4、TOPS-5、TOPS-6；九个相同的纯硅光电探测器，分别记作SiPD-1、SiPD-2、SiPD-3、SiPD-4、SiPD-5、SiPD-6、SiPD-7、SiPD-8、SiPD-9。
在本发明中，为方便介绍，也将SiOS-1称为第一热光功分器，SiOS-2和SiOS-3均称为第二热光功分器。将TOPS-6称为第一硅基热光移相器，TOPS-4、TOPS-5均称为第二硅基热光移相器，TOPS-1、TOPS-2、TOPS-3均称为第三硅基热光移相器。
从图1可见，本发明结构的主体包括两个硅基端面耦合器（一个作为输入端耦合器，另一个作为输出端耦合器）和一个父MZM。
父MZM包括硅基12热光功分器SiOS-1、第一子MZM、第二子MZM和第一光合束器；在父MZM的下调制臂上设置有一个硅基热光移相器TOPS-6；通过调控施加在硅基热光移相器TOPS-6上的电压，可以调控父MZM的工作点。
第一子MZM、第二子MZM均为调制深度可调的硅基铌酸锂薄膜马赫曾德尔调制器(Silicon-LiNbO3-based Thin-Film Mach-Zehnder Modulator, Si-LN MZM)，且结构完全相同，为描述方便，将第一子MZM记为Si-LN MZM1，第二子MZM记为Si-LN MZM2。
从图1中可见， Si-LN MZM1作为父MZM的上调制臂，其包括一个热光功分器SiOS-2、设置有铌酸锂薄膜移相器的两个调制臂、以及一个第二光合束器，且Si-LN MZM1的上调制臂上设置有一个硅基热光移相器TOPS-4。
Si-LN MZM2作为父MZM的下调制臂，其包括一个硅基12热光功分器SiOS-3、设置有铌酸锂薄膜移相器的两个调制臂、以及一个第二光合束器，且Si-LN MZM2的下调制臂上设置有一个硅基热光移相器TOPS-5。
由于Si-LN MZM1和 Si-LN MZM2中的铌酸锂薄膜移相器均涉及铌酸锂波导和硅基波导的层间耦合，因此Si-LN MZM1和 Si-LN MZM2中，还各自有四个铌酸锂波导和硅基波导的层间耦合器(Silicon -LiNbO3 Interlayer Coupler, Si-LN IC)用于实现波导间的耦合。
所述输入端耦合器经硅基12热光功分器SiOS-1分别与两个子MZM的硅基1/>2热光功分器SiOS-2、SiOS-3的输入端相连；两个子MZM的第二光合束器的输出端与第一光合束器的两个输入端相连；在两个子MZM内，硅基1/>2热光功分器SiOS-2、SiOS-3的两个输出端分别与两个调制臂相连，两个调制臂分别与第二光合束器的输入端相连。
图1中可见，三个的硅基12热光功分器SiOS-1、SiOS-2、SiOS-3结构相同。所述硅基1/>2热光功分器由一个硅基1/>2光合束器、一个第三硅基热光移相器、一个硅基2/>2光合束器构成；其中，从图1可见，SiOS-1、SiOS-2、SiOS-3上的硅基热光移相器分别对应的为TOPS-1、TOPS-2和TOPS-3。硅基1/>2光合束器作为输入端，硅基1/>2光合束器的一个输出端直接与硅基2/>2光合束器的一个输入端相连，硅基1/>2光合束器的另一个输出端经第三硅基热光移相器连接硅基2/>2光合束器的另一个输入端相连；硅基2/>2光合束器作为输出端。硅基1/>2光合束器与硅基2/>2光合束器可以是定向耦合器结构也可以是多模耦合干涉仪结构。优选的，这里选择多模耦合干涉仪结构(Multimode interferometer, MMI)。
本发明的硅基热光移相器可以采用氮化钛金属与硅基波导结构，也可以采用N-i-N或者P-i-P型载流子注入型热光移相器。优选的，本实施例，硅基热光移相器均采用P-i-P型载流子注入型热光移相器。
参照图1，在本发明的父MZM中，通过调控施加在第一硅基热光移相器TOPS-6上的电压，可以调控父MZM的工作点。通过调控施加在硅基12热光功分器SiOS-1的硅基热光移相器TOPS-1的电压，可以调控输入到两个子MZM的光功率分配比β。
在本发明的两个子MZM中，通过调控施加在硅基热光移相器TOPS-4和TOPS-5上的电压，可以调控两个子MZM的工作点。
第一子MZM的调制深度通过调控输入到两个铌酸锂薄膜移相器的光功率分配比实现；其中，光功率分配比/>通过调控施加在第一子MZM的第二热光功分器的硅基热光移相器TOPS-2的电压来实现。
第二子MZM的调制深度通过调控输入到两个铌酸锂薄膜移相器的光功率分配比实现；其中，光功率分配比/>通过调控施加在第二子MZM的第二热光功分器的硅基热光移相器TOPS-3的电压来实现。
电信号驱动调制深度可调的第一子MZM、第二子MZM中的铌酸锂薄膜移相器用来实现电光调制。其中，铌酸锂薄膜移相器由一个铌酸锂薄膜波导和行波电极构成。行波电极为共面波导结构，由分布在两个铌酸锂波导外侧的地电极和内侧的信号电极构成。
本发明所有硅基12热光功分器输出端都集成了纯硅光电探测器，用来监测上下两个输出的光功率分配比。硅基1/>2热光功分器SiOS-1集成了SiPD-1和SiPD-2、Si-LN MZM-1内部的硅基1/>2热光功分器SiOS-2集成了SiPD-3和SiPD-4，Si-LN MZM-2内部的硅基1/>2热光功分器SiOS-3集成了SiPD-5和SiPD-6；Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2输出端都集成了一个纯硅光电探测器，分别记作SiPD-7和SiPD-8，用来监测两个调制器的偏置点；父MZM输出端集成了一个纯硅光电探测器SiPD-9，用来监测父MZM的偏置点。九个纯硅光电探测器采用载流子注入工艺中的缺陷态机制实现。
本发明的硅基端面耦合器可以选择悬臂梁结构和倒锥光波导结构。优选的，本实施例选择倒锥结构的端面耦合器。
第一光合束器和第二光合束器均为硅基12光合束器，光合束器可以是定向耦合器结构也可以是多模耦合干涉仪结构。
如图2所示，所述硅基铌酸锂薄膜马赫曾德尔调制器的硅基铌酸锂薄膜工艺采用苯并环丁烯或者紫外胶将铌酸锂薄膜晶圆键合在氧化硅的晶圆上，并且铌酸锂晶圆采用X切向。经过光刻工艺刻蚀出设计结构，并结合金属生长工艺、载流子注入工艺等，构建完整的硅基铌酸锂薄膜光电芯片加工工艺。具体的，所设计的调制器芯片加工工艺主要分成两部分：(1)在硅光晶圆上完成硅光光波导、端面耦合器、热光移相器、纯硅光电探测器和多模干涉仪等硅光器件的加工制备；(2)利用BCB将铌酸锂晶圆与该加工好的硅光晶圆进行键合，然后在完成铌酸锂波导的刻蚀、Au的金属蒸镀等工艺，完成整个硅基薄膜铌酸锂调制器芯片的制备。
设频率为的输入光场/>为：
(1)
为光载波的幅度，j为虚数单位，t表示时间。
如图1所示，设SiOS-1的两个输出端功分比为β，通过调控TOPS-1上的驱动电压来调控该分光比的大小。SiPD-1和SiPD-2用来实时监测该功分的大小。设SiOS-2和SiOS-3的上下输出光功分比分别为和/>，其大小可以通过调控TOPS-2和TOPS-3上的驱动电压来实时调节。如图1所示， SiOS-2的两端口光功分比可以由SiPD-3和SiPD-4实时监测； SiOS-3的两端口光功分比可以由SiPD-5和SiPD-6实时监测。
调控TOPS-4和TOPS-5上的驱动电压分别调控Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2的偏置点。如前所述，Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2需要分别偏置在+/2和-/>/2。同时，调控TOPS-6，将父MZM工作点偏置在+/>/2。这里，SiPD-7和SiPD-8分别用来实时监测Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2的偏置点，SiPD-9用来监测父MZM的偏置点。
外部双音调制电信号通过外部射频功分器功分成两路，并经行波电极调制Si-LNMZM-1和Si-LN MZM-2。
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，从理论上分析双级联马赫曾德尔调制器的三阶交调影响。结果表明，通过调控参数β、和/>，在符合一定条件时，Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2的三阶非线性可以完全抵消。
根据马赫曾德尔干涉传输矩阵理论，得到芯片输出的光场强度为：
(2)
其中，IMZM-1和IMZM-2分别表示Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2的传输函数。
(3)
(4)
公式(2)-(4)中，为SiOS-1上下臂相位差，由TOPS-1引入；/>为SiOS-2上下臂相位差，由TOPS-2引入；/>为SiOS-3上下臂相位差，由TOPS-1引入。/>为调制信号调制Si-LNMZM-1铌酸锂薄膜移相器引入的相位差，/>为调制信号调制Si-LN MZM-2铌酸锂薄膜移相器引入的相位差。式中，/>和/>分别表示为：
(5)
(6)
由于铌酸锂具有一阶电光响应，其有效折射率变化，k为常数，v为调制信号幅度，将公式(3)-(6)带入到公式(2)中，然后关于v求一阶导数和三阶导数，分别计算出一阶基频分量和三阶交调分量功率大小，进而可以计算出两者之比CDR3。式中，vMZM-1和vMZM-2分别代表加载在Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2上的调制信号幅度。LMZM-1和LMZM-2分别代表Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2的移相器长度。λ表示频率为/>光载波的波长。如图3-图5所示，TOPS-2移相器引入相位差为0时，即分光比为1：1时，TOPS-1和TOPS-3移相器相位变化时，一阶基频分量和三阶交调分量功率以及两者的比值的变化趋势。
基于上述理论分析，本发明基于双并联马赫曾德尔调制器的硅基微光子链路高线性方法，包括如下步骤：
1）如图6所示，外部激光器输出频率的光载波首先经过偏振控制器，在经调制器芯片中的硅基端面耦合器耦合入光芯片。偏振控制器的作用是调控激光器输出光载波信号的偏振态，使其和芯片中光波导中的偏振态匹配，进而降低光信号的传输损耗；
2）使用多通道电压源，同时驱动TOPS-4、TOPS-5和TOPS-6，使Si-LN MZM-1、Si-LNMZM-2以及父MZM分别工作在+/2、-/>/2和+/>/2偏置点，可以通过SiPD-7、SiPD-8和SiPD-9输出光电流监测Si-LN MZM-1、Si-LN MZM-2以及父MZM的偏置点；
3）外部射频信号源输出频率为f1和f2的两个基频信号并合并为双音电信号，经外部射频功分器功分成两路，分别驱动Si-LN MZM-1和Si-LN MZM-2的行波电极实现电光调制；
4）经调制后的光信号从硅基端面耦合器输出，并经过光放大器放大和光带通滤波器滤波后，耦合入高速光电探测器解调出电信号；
5）将解调出的电信号耦合入电频谱仪中，观察一阶基频分量和三阶交调分量的功率，并记录此时的两者的功率比CDR3；
6）调控参数β、和/>，计算并记录对应CDR3的值，直至CDR3达到最大，并且射频增益和最大值相比，下降在5dB以内，此时为最佳线性点。
7）基于以上步骤，可以找到该调制器芯片的最佳线性工作点。
图3~图5是仿真得到的TOPS-2引入相位差为0时，即分光比为1：1时，TOPS-1和TOPS-3相位和/>变化时，一阶基频分量和三阶交调分量功率以及两者的比值的变化趋势。当CDR为最大时，且基频分量功率FH基本不变时，及为最佳线性工作点。以上仿真结果显示，只需在光域调控TOPS-1和TOPS-3的光功率分配比，即两个子MZM的光功率分配比和其中一个子MZM的调制深度，就可以找到该调制器的最佳线性工作点。
以上所述的实例表达了本项发明的几种实施方式，但其中一些细节会在实际应用中有所不同，这些细节的不同仍然在本发明专利的限制之中。应当注意，对于基于本发明构思及大体框架下，做出的改进或者调整都应该属于本发明的保护范围。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，其包括：输入端耦合器、父MZM和输出端耦合器；所述父MZM包括第一热光功分器、第一子MZM、第二子MZM和第一光合束器；
所述的第一子MZM、第二子MZM均为调制深度可调的硅基铌酸锂薄膜马赫曾德尔调制器，且结构完全相同，均包括：一个第二热光功分器、设置有基于共面波导行波电极的铌酸锂薄膜移相器的上、下两个调制臂、以及一个第二光合束器，第一子MZM、第二子MZM均包括第二硅基热光移相器，位于上调制臂和下调制臂其中之一；
所述输入端耦合器经第一热光功分器分别与第一子MZM、第二子MZM的第二热光功分器的输入端相连；第一子MZM、第二子MZM的第二光合束器的输出端与第一光合束器的两个输入端相连；在第一子MZM、第二子MZM内，第二热光功分器的两个输出端分别与上、下调制臂相连，两个调制臂分别与第二光合束器的输入端相连；其中一个子MZM的第二光合束器的输出端设置有一个第一硅基热光移相器；所述第一热光功分器与两个第二热光功分器的结构完全相同，均为硅基12热光功分器，经硅基1/>2热光功分器分束的两路信号的功率之比可调。
2.根据权利要求1所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述硅基12热光功分器由一个硅基1/>2光合束器、一个第三硅基热光移相器、一个硅基2/>2光合束器构成；其中，硅基1/>2光合束器作为输入端，硅基1/>2光合束器的一个输出端直接与硅基2/>2光合束器的一个输入端相连，硅基1/>2光合束器的另一个输出端经第三硅基热光移相器连接硅基2/>2光合束器的另一个输入端；硅基2/>2光合束器作为输出端。
3.根据权利要求2所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述硅基12光合束器与硅基2/>2光合束器为定向耦合器结构或者为多模耦合干涉仪结构。
4.根据权利要求2所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述硅基12热光功分器的两个输出端均集成有一个用于监测上下两个输出的光功率分配比的纯硅光电探测器。
5.根据权利要求2所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述第一硅基热光移相器、第二硅基热光移相器、第三硅基热光移相器为氮化钛金属与硅基波导结构的热光移相器、N-i-N型载流子注入型热光移相器或P-i-P型载流子注入型热光移相器。
6.根据权利要求1所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述输入端耦合器和输出端耦合器为悬臂梁结构的端面耦合器或倒锥光波导结构的硅基端面耦合器。
7.根据权利要求1所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述硅基铌酸锂薄膜马赫曾德尔调制器的硅基铌酸锂薄膜工艺采用苯并环丁烯或者紫外胶将铌酸锂薄膜晶圆键合在氧化硅的晶圆上，并且铌酸锂晶圆采用X切向。
8.根据权利要求1所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述铌酸锂薄膜移相器由一个铌酸锂薄膜波导和行波电极构成；行波电极为共面波导结构，由分布在两个铌酸锂波导外侧的地电极和内侧的信号电极构成。
9.根据权利要求1所述的基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片，其特征在于，所述第一子MZM、第二子MZM的输出端分别集成了一个用来监测子MZM的偏置点的纯硅光电探测器；所述第一光合束器的输出端集成了用于监测父MZM偏置点的纯硅光电探测器；以上纯硅光电探测器均基于载流子注入工艺引入的缺陷态机制实现。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片的微波光子链路高线性方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：外部光载波信号经输入端耦合器输入到所述硅基铌酸锂薄膜光芯片中；光载波信号首先经过第一热光功分器分成两路光载波信号，并且分别输入到第一子MZM、第二子MZM中；两路光载波信号的光功率分配比为β；
S2：通过调控施加在第二硅基热光移相器的电压，将第一子MZM、第二子MZM的工作点分别设置在+/2和-/>/2处；
S3：通过调控施加在第一硅基热光移相器的电压，将父MZM的工作点分别设置在+/2处；
S4：外部信号源输出频率为f1、f2的基频信号构成的双音电信号，经外部12射频功分器等分成两路，并分别调制第一子MZM和第二子MZM；因第一子MZM、第二子MZM分别工作在+/>/2和-/>/2处，两个调制器调制后产生的频率为2f1-f2的三阶交调信号IMD3方向相反；因父MZM工作在+/>/2处，最终调制器芯片输出产生的基频信号功率最大；
S5：第一子MZM、第二子MZM输出的调制光信号经合束后再经硅基端面耦合器耦合入外部光放大器中，补偿由于耦合和器件引入的插入损耗；再经光带通滤波器滤除光放大器中的自发辐射噪声，经光滤波器滤波后的调制光信号再输入到高速光电探测器中完成信号解调；
S6：将从高速光电探测器解调后的电信号输入到电频谱仪中，通过观察频率为f1的基频分量和频率为2f1- f2三阶交调分量的功率比值CDR，来判断该调制器芯片是否工作在最佳线性点；
通过第一热光功分器调控光功率分配比β；通过两个第二热光功分器以调控第一子MZM、第二子MZM的上下调制臂光功分比和/>，通过观察电频谱仪上基频分量和三阶交调分量的比值，判断CDR是否达到最大；当CDR达到最大时，该调制器芯片工作在最佳线性点。
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Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10056733B1 (en) * | 2017-03-08 | 2018-08-21 | Inphi Corporation | Wavelength locker integrated with a silicon photonics system |
| US10078232B1 (en) * | 2014-07-11 | 2018-09-18 | Acacia Communications, Inc. | Advanced optical modulation generation by combining orthogonal polarized optical signals |
| CN109661612A (zh) * | 2016-07-22 | 2019-04-19 | 光子系统股份有限公司 | 具有可定制的性能的固有宽带线性化电光调制器 |
| JP2019159273A (ja) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | 日本電気株式会社 | 電界吸収型光変調器 |
| CN110768723A (zh) * | 2019-10-09 | 2020-02-07 | 浙江大学 | 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 |
| CN113534504A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-22 | 华中科技大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件 |
| CN114002890A (zh) * | 2021-10-12 | 2022-02-01 | 之江实验室 | 一种基于双输出硅基串联推挽马赫曾德尔调制器的高线性调制芯片和方法 |
| CN114114719A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-03-01 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种实现mz硅光调制器相位偏置点锁定的方法及装置 |
| CN114114531A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-01 | 上海交通大学 | 硅基高抑制比单边带调制器芯片 |
| CN114415400A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-04-29 | 中山大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的偏振无关电光调制器及其制备方法 |
| CN114527535A (zh) * | 2022-01-13 | 2022-05-24 | 之江实验室 | 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 |
| CN115037380A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-09-09 | 之江实验室 | 幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8743371B2 (en) * | 2009-03-03 | 2014-06-03 | Oclaro Technology Limited | Optical waveguide splitters |
-
2023
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Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10078232B1 (en) * | 2014-07-11 | 2018-09-18 | Acacia Communications, Inc. | Advanced optical modulation generation by combining orthogonal polarized optical signals |
| CN109661612A (zh) * | 2016-07-22 | 2019-04-19 | 光子系统股份有限公司 | 具有可定制的性能的固有宽带线性化电光调制器 |
| US10056733B1 (en) * | 2017-03-08 | 2018-08-21 | Inphi Corporation | Wavelength locker integrated with a silicon photonics system |
| JP2019159273A (ja) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | 日本電気株式会社 | 電界吸収型光変調器 |
| CN110768723A (zh) * | 2019-10-09 | 2020-02-07 | 浙江大学 | 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 |
| CN113534504A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-22 | 华中科技大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件 |
| CN114002890A (zh) * | 2021-10-12 | 2022-02-01 | 之江实验室 | 一种基于双输出硅基串联推挽马赫曾德尔调制器的高线性调制芯片和方法 |
| CN114114719A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-03-01 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种实现mz硅光调制器相位偏置点锁定的方法及装置 |
| CN114114531A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-01 | 上海交通大学 | 硅基高抑制比单边带调制器芯片 |
| CN114527535A (zh) * | 2022-01-13 | 2022-05-24 | 之江实验室 | 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 |
| CN114415400A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-04-29 | 中山大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的偏振无关电光调制器及其制备方法 |
| CN115037380A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-09-09 | 之江实验室 | 幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法 |
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| Publication number | Publication date |
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