微波光子系统的基石——高线性度电光调制器

　　随着人们对通信系统要求的日益提高，5G与6G技术蓬勃发展，光通信越来越占据不可取代的地位。为了进一步提高信号的传输效率，人们将光子与电子相互融合，实现优势互补，微波光子学便运应而生。微波光子系统中电到光的转换就需要用到电光调制器，这一关键步骤通常决定着整个系统的性能。

　　由于射频信号向光学域的转换是模拟信号过程，而普通的电光调制器存在固有的非线性，所以转换过程中存在较为严重的信号失真，为了实现近似线性调制,通常将调制器的工作点固定在正交偏置点处，但仍不能满足微波光子链路对调制器线性度的要求，人们迫切需要高线性度的电光调制器。

　　随着集成光子学与半导体加工工艺的发展，各式各样的电光调制器线性化成果被相继报道，本文关注光学域线性化方法，对电光调制器的线性化研究进展进行了综述，揭示了该领域所面临的挑战，并展望了利用薄膜铌酸锂电光调制器实现高线性化调制的发展趋势与前景。

　　关键技术进展

　　1、MZM调制产生非线性失真原理

　　马赫-曾德尔电光调制器(MZM)的调制曲线呈余弦函数形式分布，信号在正交偏置点之外失真明显。以双音信号调制为例，双音信号的频率为ω1和ω2.输出光信号除了所需的基频信号ω1与ω2之外，还包含各种谐波信号与交调信号，将MZM的工作点设在正交偏置点处可以消除所有偶次项谐波，但其中三阶交调分量2ω1-ω2与2ω2-ω1距离基频较近，难以通过滤波的方式去除，是调制产生非线性失真的主要原因，提高MZM线性度主要关注于消除三阶交调分量。

　　2、光域线性化方法

　　（1)双偏振法

　　双偏振法的基本思想是控制TE与TM光的三阶失真项，使其相互抵消。具体操作为通过偏振片调整光的TE模和TM模功率的相对分量，使其对偶相互抵消，即可消除IMD3.为了进一步加强对TE与TM的控制，空程大学Zhu等人在双偏振器法的基础上使用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)并联的方法，通过偏振分束器分开不同偏振态的光，分别单独对TE与TM光进行调控，根据TE与TM光的电光调制比，设置两个偏振器的角度来消除三阶项，如图1(a)~(c)所示。

　　2016年南京航空航天大学Zhu等人通过将偏置点控制和射频功率分配方法结合，设计了偏振分复用双并行MZI调制器，调整偏置点相位与射频分配，同时很好地了二阶与三阶交调项，如图1(c)~(d)所示。

　　图1 双偏振法。(a)~(b)双偏振并联MZM调制器与SFDR测试结果;(c)~(d) 基于偏振复用的双并联 MZI调制器与SFDR测试结果

　　（2)MZI串/并联法

　　MZI串/并联法的基本思想是用一个MZI来补偿另一个MZI带来的三阶失真，常用的连接方式有直接串联和嵌套并联两种。

　　双并联MZM法的主要思想是控制驱动两个MZM的射频信号幅度，使上下MZM 产生的IMD3符号相反，大小相等，从而使两个MZM引起的失真相互抵消，与微环辅助MZM相比，它具有更宽的光带宽以及更高的制造和温度容差。

　　MZM串联法原理与并联类似，也是通过调整两个MZM的射频功率分配比、直流偏置点等来消除三阶交调。串联调制器需要对输入端口处的偏置电压以及射频信号的振幅和相位进行精确调整，调制器对温度比较敏感，因此需要额外的电路来控制偏置电压和稳定温度。

　　MZI串/并联方法在时间上早于微环辅助法，其缺点是：1)需要严格控制制造公差;2)光损耗较高;3)由于使用多个调制器单元导致成本较高，并且补偿方法比较复杂。

　　（3)微环辅助MZM法(RAMZM)

　　微环调制器的调制曲线呈洛伦兹线型分布，在整个调制区间中没有较宽的线性区域，MZM调制器调制曲线呈余弦型分布，远离正交偏置点处线性度下降。微环的相位响应与MZM的余弦调制响应呈现一个相反的趋势，微环的相位响应的三阶非线性与MZM的三阶非线性相互抵消，可以达到一种超线性响应，从而展宽MZM的线性调制区域，提高系统的无杂散动态范围(SFDR)。

　　纽约城市大学Dingel等人提出了一种具有高SFDR(130 dB)的高线性电光调制器的理论分析模型，该调制器(IMPACC)基于MZM结构，由相位调制器(PM)和微环谐振器(RR)特殊组合而成，如图2(a)所示。它提供了一个完整的微环辅助MZM理论模型，而且可以通过调整功率分配比等外部参数，对制作误差导致微环耦合系数失配的问题进行补偿，以实现自适应SFDR效果。但此研究主要关注于理论，实验部分讨论较少。

　　2013年，康奈尔大学的Cardenas等人实验演示了双微环辅助MZI调制器，通过优化两个臂与微环之间的耦合系数，实现了当时硅基电光调制器创纪录的SFDR值(1 GHz时106 dB·Hz2/3.10 GHz时99 dB·Hz2/3)，如图2(b)~(c)所示。

　　为减小工艺误差对微环耦合的影响，2016年上海交通大学的周林杰课题组设计了一种可调谐的微环辅助MZI器件，如图2(d)~(e)所示。将MZI与微环之间的耦合部分用一个嵌套子MZM来代替，通过电极、相移器和光衰减器来调节MZI与微环的耦合系数、透射率，有利于消除工艺容差带来的影响。

　　图2 微环+MZM法。(a)IMPACC配置结构(左到右：双输入MZM，MZM串/并联，单RAMZM和双RAMZM，IMPACC的两种配置方式);(b)~(c)双微环辅助MZM显微图与测试SFDR结果;(d)~(e)硅基可重构RAMZM示意图与测试SFDR结果

　　（4)薄膜铌酸锂高线性度电光调制器

　　硅材料的高速折射率调制通常是通过自由载流子等离子体色散(FCD)效应实现的。FCD效应和PN结调制都是非线性的，从而使得硅调制器的线性度较铌酸锂调制器低。铌酸锂材料具有普克尔效应，因此能够表现出优异的电光调制特性。同时铌酸锂材料具有带宽大、调制特性好、损耗低、易于集成化以及与半导体工艺兼容等优点，利用薄膜铌酸锂制作高性能电光调制器，相比于硅基几乎没有“短板”，而且还能实现高线性度，绝缘体上薄膜铌酸锂(LNOI)电光调制器已成为十分具有应用潜力的发展方向。

　　2019年，中山大学的蔡鑫伦课题组基于硅和铌酸锂混合集成平台，实现了一种硅/铌酸锂混合集成MZM，如图3所示，该调制器具有低损耗、低驱动电压、大带宽、高线性度、结构紧凑、制造成本低的特点，其带宽大于70 GHz，在未经线性化处理下，射频信号为1 GHz时SFDR为99.6 dB·Hz2/3.

　　图3 硅/铌酸锂混合MZM。(a)结构示意图;(b)波导横截面示意图;(c)~(d)LN波导横截面金属电极SEM图像;(e)~(f)垂直耦合器示意图与横截面SEM图像

　　总结与展望

　　随着集成光学与片上集成光电器件的不断发展，光学域线性化方法逐渐成为热点，常用线性化方法为双偏振法、MZM串/并联法与微环辅助MZM法，各种方法之间可以相互混合使用，相关报道层出不穷。

　　然而在电光调制器线性化处理中经常需要使调制器的射频功率分配比、光偏振功率分配比或者工作点保持稳定，但调制器在工作过程中产生的温度漂移与静电漂移会对其线性度的稳定性产生影响。目前，有关漂移对调制器线性度稳定性的研究相对较少。

　　硅基电光调制器现阶段依旧在市场中占主导地位，以薄膜铌酸锂为基础的电光调制器理论上有着超越硅的带宽，调制速率与线性度，但其加工工艺尚未完全成熟，生产周期长，优化加工工艺是薄膜铌酸锂器件走向实用的前提。华中科技大学武汉光电国家研究中心夏金松教授课题组在薄膜铌酸锂光子集成方向开发了薄膜铌酸锂高精度流片工艺技术，研制出封装后带宽>70 GHz的电光调制器芯片，以及单片集成的双偏振相干调制器，实现了单载波净速率1.6 Tbps的相干传输。随着LNOI技术的日益成熟，采用线性效应更好的材料以及更高效的工艺，很有希望实现高线性度片上集成电光调制器。

　　参考文献： 中国光学期刊网

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