硅光调制器的光学结构

前面的笔记已经分别介绍了硅光调制器的几种电学结构，包括载流子耗尽型硅基调制器，载流子积累型硅基调制器和载流子注入型硅光调制器。这篇笔记整理下硅光调制器的常见光学结构。

1. Mach-Zehnder干涉器型

MZI型调制器的典型结构如下图所示，入射光首先通过50/50分光比的分束器分为两路进行传播，传播过程下上下两臂存在着一定的相位差，接着再通过合束器将两路光合并到一起进行干涉。相位差信息会体现输出光的强度上。相位差为0，发生相长干涉，光强输出为1。相位差为pi时，发生相消干涉，光强输出为0。

(图片来自http://cdsweb.cern.ch/record/2282332/files/SimoneCammarata_SummerStudentReport2017_FinalVersion.pdf)

两臂的相位差与所施加的驱动电压有关，满足

对应的输出光强为，

从上式可以看出，相移器长度的选取存在一个trade-off, 一方面相移器长度越长，所需要的驱动电压/电流越小，另一方面长度变大之后，调制器的插损也会增大。因此需要根据具体的应用场景，选取合适的相移器长度。

光路中的分束器与合束器通常选用MMI_1x2、MMI_2x2, 主要原因是其对加工不敏感、工作带宽较大。

另外由于加工的误差，即便上下两臂设计成完全一样，也会存在一定的随机相位差，需要通过一定的办法将这个相位差抵消掉。常见的做法是两臂中引入热相移器，补偿这部分随机相位差。

（图片来自https://tspace.library.utoronto.ca/bitstream/1807/44043/1/MacKay_Alex_W_201403_MASc_thesis.pdf）

为了达到更高的调制速率，可以在上下两臂中引入多段相移器，实现PAM4的信号调制，如下图所示，

（图片来自文献1）

对应的输出光强为，

通过两个相位的组合，可以实现四个level的光强输出。

2. Micro-ring型

典型的微环型调制器由环形波导与bus波导构成，如下图所示，

（图片来自文献2）

输出光强满足，

当外加电压时，相移器引入一定的相位，导致微环的共振波长发生移动，对应上图中的蓝色曲线与红色曲线。对于初始共振波长来说，其强度从0变化到1。

微环调制器的带宽满足下式，

其带宽一方面受限于光学频谱的3dB带宽，也受限于系统的RC带宽。对于光学3dB带宽，往往需要设计好耦合条件以及环形波导的损耗，使得微环的光学带宽满足要求。当微环的Q值越高，光子在微环中的寿命越长，其状态越不容易发生改变，对应的调制带宽越小。微环调制器的OMA与带宽存在trade-off, loss越大，光学带宽越大，但是OMA变小。

由于微环结构对工艺比较敏感，通常需要借助热调的方式进行波长的校准与锁定。下图是几种常见的热调控制方式。较为常见的方式是通过监控drop port的输出光强，当共振波长达到目标值时，drop port光强最大。

(图片来自文献3)

另外，也有一部分研究将MZI+ring结合，用于优化MZI输出曲线的线性度，提高微环调制器的ER, 典型结构如下图所示。

(图片来自文献4)

以上是对硅光调制器光学结构的简单总结，目前在产品中使用较多的是MZI型调制器，对于微环调制器，Ayar Labs和Intel等正在推动这一方向的产品化。相比较而言，MZI型调制器的尺寸较大，但是其光学带宽大，对工艺不敏感。微环调制器的尺寸较小，功耗较低，但是对工艺敏感，且需要热调进行波长的控制，对控制电路提出了更高的要求。

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参考文献：

1. A. Samani, et.al., "Experimental parametric study of 128 Gb/s PAM-4 transmission system using a multi-electrode silicon photonic Mach Zehnder modulator", Opt. Exp. 25, 13252(2017)
2. G. Li, et.al., "Ring Resonator Modulators in Silicon for Interchip Photonic Links", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 19, 95(2013)
3. Z. Wang, et.al., "Resonance control of a silicon micro-ring resonator modulator under high-speed operation using the intrinsic defect-mediated photocurrent", Opt. Exp. 25, 24827(2017)
4. A. Campo, "Development of Integrated Silicon Photonics Modulation Devices for Digital and Analog Applications", PhD thesis