Mach Zehnder电光调制器：集总电极与行波电极

今天主要调研下两种电极结构的Mach-Zehnder电光调制器，并做一些简单的比较。对调制器这块还不是特别熟悉，如果有什么写错的地方，还请大家务必指出。

两种MZ调制器的结构分别是集总电极（lumped electrode）和行波电极（traveling wave electrode），示意图如下：

（图片来自文献1）

集总电极的结构比较简单，RF信号的传输方向与光信号的传输方向相垂直。 RF信号通过图(a)中的lumped电极输入，电极下的波导折射率受信号的调制，最终输出受RF信号调制的光信号。关于Groud电极的位置，文献1中提到是在芯片背面，也就是衬底那一侧。但是在一些文献中并没有在芯片背面设计接地的电极，而是在芯片正面，这可能是不同的设计。一点疑惑，留待解决。

集总电极型调制器的带宽主要受电极的寄生电容限制。通过增加集总电极的长度，可以提高调制效率。但是电极长度变长后，寄生电容变大，导致调制速度降低。通常集中电极型调制器的速度小于10 Gb/s。

为了进一步提高调制速度，人们提出了行波电极型结构。光的传输方向与RF信号的传输方向一致，如下图所示，

RF信号沿着传输线传输，当RF信号与光信号的速度相等，两者的相位一致，调制效率最高，理论的调制带宽是无穷大。采用行波电极结构，就避免了电极的寄生电容对调制速度的影响。另外可以通过增加RF传输线的长度来提高调制效率。为了防止RF信号的反射，通常还需要外接一个负载。行波电极型的调制带宽满足下面的式子，

其中L是电极长度，c是光速，Nm是RF信号的有效折射率，n_e是光信号的有效折射率。当Nm和n_e接近时，delta_f可以非常大。实际设计中，需要对行波电极精心设计，以达到RF速率与光波速率失配、微波源阻抗与传输线特性阻抗匹配，从而使得调制带宽大、驱动电压小。

行波电极结构还可以细分为两种：(1)共面波导型 (coplanar waveguide)，(2) 微带线型（microstrip line），如下图所示，

（图片来自文献2）

共面波导型结构中，RF信号输入进中间较细的电极中， 两个较宽的电极接地。

行波电极调制器的设计有点类似波导型PD的设计Photodiode的结构类型，某一个参数（电极长度、本征区的厚度和面积）导致两个性能指标间存在trade-off，整体性能无法达到最优。通过改变结构，增加一个维度进行设计，规避问题，从而达到较优性能的设计。

以上是对两种电极结构的MZ调制器的粗浅介绍，认识还不是很深刻，有些概念也是初次接触，很多细节问题还没有搞透彻。文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出！

参考文献：

1. H. Venghaus and N. Grote, Fibre Optic Communication
2. D. Patel, Phd thesis, Design, Analysis, and Performance of a Silicon Photonic Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator