硅基MZI结构光调制器静态消光比

桂　林,邵宇丰,左健存,王胜利,孙秋冬方安乐,周志彬,张　华(.上海第二工业大学计算机与信息工程学院,上海009;.上海第二工业大学文理学部,上海009; .湖南师范大学物理与信息科学学院,长沙4008)

硅基MZI结构光调制器静态消光比

桂林1,邵宇丰1,左健存1,王胜利2,孙秋冬1方安乐1,周志彬3,张华1
(1.上海第二工业大学计算机与信息工程学院,上海201209;2.上海第二工业大学文理学部,上海201209; 3.湖南师范大学物理与信息科学学院,长沙410081)

摘要:硅基光调制器技术是当前硅基光子学技术领域较为活跃的一个分支。结合硅基光子器件的材料特性和常见横截面波导结构,研究了硅基MZI结构光调制器的静态消光比特性,论述了光调制器发“1”码时所加峰值电压、工作波长选择和移相器几何尺寸对静态消光比的影响。研究表明,光调制器发“1”码时所加峰值电压较小时,消光比的变化量较大;在其他参数相同的情况下,工作波长的选择对光调制器的消光比有很大影响;在调制器尺寸选择方面,倾向于选择两臂较长,但两臂长度差较小的结构,因为此时的消光比较大,同时对工作波长变化不敏感。

关键词:硅光子学;光调制器;MZI结构;消光比;光通信

0　引言

近40年来,光通信技术的发展为人类提供了强大的信息传输能力[1-3],光纤通信网络的容量急剧增加,偏分复用的四相相移键控(Polarization Division Multiplexing Quadrature Phase Shift Keying, PDM-QPSK)的商用化和光学正交频分复用(Optical Othogonal Frequency Division Multiplexing,OOFDM)技术的广泛研究把光通信技术推向了新的发展水平。与此同时,光通信与光网络也朝着智能化、集成化和低功耗的方向发展。由于光子器件的集成水平远远不能和电子器件相比拟,导致了光纤通信网络中与光器件相关的设备体积较大、成本较高。为此,不少研究人员和工程技术人员提出了从器件级入手发展高集成度和低功耗的光纤通信与光信号处理技术[4-5]

“硅光子学”(Silicon Photonics)的出现和硅基光子器件的发展为实现光网络的高集成化和低功耗奠定了基础。回顾10多年来硅基光子学的发展,它涉足了从硅基激光器和硅基光调制器的研究,到硅基探测器的研究,目前它已经覆盖了光发射、光调制、光传输和光探测等光纤通信中的各个方面[4],成为集成光学领域较为活跃的研究方向[5]。

光调制是光通信中的重要环节,也是硅基光子器件最早显示出其优势的应用领域[6-8]。2004年, Intel公司的研究人员利用电容的载流子积累效应首次制造出速率为1 Gb/s的硅基光相位调制器[7]。通过改进材料特性并设计新型的结构,2005年,Intel公司的研究人员在硅波导中嵌入多个MOS电容,继续实现了10 Gb/s的硅基光相位调制器[8],从此拉开了高速光调制器研究的序幕[9]。此后,世界上多个研究机构相继展开了硅基光调制器的深入研究,希望将硅基调制器的速率提高到长距离大容量光传输所需要的水平,同时使其性能达到商用光通信系统的水平。经过10多年的研究,简单OOK调制格式的硅基光调制器的速率可以达到60 Gb/s[10],采用偏分复用正交幅度调制(PolarizationDivisionMultiplexingQuadratureAmplitudeMod-ulation,PDM-QAM)格式的硅基光调制器速率则可以达到224 Gb/s[11]。

虽然硅基器件可以制作成微环、微盘等各种谐振结构,从而利用谐振峰附近的慢光效应来增强光调制效果,但是传统的MZI结构仍然是制作光调制器的主要结构。在高性能光调制器研究的过程中,考虑到器件特性的稳定性和光波长的工作范围,大多数研究人员还是选择MZI结构来制作硅基光调制器[12-15]。在制作该器件时,器件的静态消光比是较为重要的参数,它能够反映器件材料特性、加工工艺、光学结构、电学结构和电压加载等方面的诸多问题,同时它是衡量光调制器瞬态特性的基础,因此,研究人员往往在论文中首先展现加载不同电压时硅基光调制器的透射谱线,通过该谱线能够反映静态的消光比。

本文从硅的材料特性、器件的光波导特性等影响硅基光调制器静态消光比的不同因素入手,研究了MZI结构硅基光调制器的静态消光比特性。对波导横向结构设计与光学参数选择等问题进行了论述,并结合实际参数进行了仿真分析。讨论了光调制器所加峰值电压、工作波长选择和移相器几何尺寸对静态消光比的影响。

1　硅基材料与器件波导特性概述

有关硅基材料光调制的研究始于20世纪80年代末,Soref等[6]详细研究了硅体材料中的电光效应和自由载流子色散效应(Free Carrier Dispersion, FCD),比较了电光效应与载流子注入产生的FCD效应引入的折射率变化,发现FCD效应引入的折射率变化可以达到10−3量级,而电光效应引入的折射率变化比FCD效应引入的折射率变化小2个数量级。因此,硅基材料中FCD效应作为新的机理,可以用来制作光调制器。在硅材料中,与FCD效应同时出现的是自由载流子吸收效应(Free Carrier Absorption,FCA),它与FCD效应为同一个过程中的两个方面,其中FCD效应改变光波相位,而FCA效应改变光波幅度,因此,它们可以同时应用在光调制器中。

根据先前的实验研究,光波长在1 550 nm附近的硅基材料中,当载流子浓度发生变化时,包括空穴和电子的浓度变化,有如下关系成立[6,16]:

式中:αc为单位长度吸收系数的改变;nc为材料中折射率的变化;Ne为单位体积内的电子浓度;Nh为单位体积内的空穴浓度。由于该公式为实验结果,所以只适用于光波长在1 550 nm附近的通信波段。

除了材料的特性外,器件光波导的横向结构决定了光波传播的模式,也由此决定了光波在传播方向上的有效折射率变化和有效损耗的改变。假设波导中,本征损耗为α0,本征相位常数为β0,neff(z)和αeff(z)分别表示传播方向(z方向)上有效折射率变化和有效损耗变化的分布,当光波在波导的横向结构上满足某些模式条件,即为横向结构决定的本征模式时,则neff(z)和αeff(z)满足如下关系:

式中:E(x,y,z)为光场在波导中的三维分布; nc(x,y,z)和αc(x,y,z)为材料的折射率和损耗在波导中的三维分布。由上式可以看出,当nc(x,y,z) 和αc(x,y,z)不同时,或者波导结构不同时,积分的数值是不同的,即传播方向上有效折射率变化和有效损耗变化依赖于波导结构和载流子分布。若波导结构不合理,将不能形成有效的折射率变化和有效损耗变化,因此将大大影响硅基光调制的性能。经过研究人员和工程师的努力,利用半导体的CMOS工艺已经可以制造出横截面为脊型的硅基波导,可以形成有效的单横模光波传输。光波在z方向保持单横模传输,将有助于电光调制的形成与控制。

表1是文献[17]总结的常见硅基波导横截面结构以及各个部分的掺杂情况。对于A—E型波导结构,均有文献利用其制作出了具有较好性能的MZI结构光调制器。因此,这些结构均可以作为硅基光调制器的横向波导结构。

表1　硅基光波导的常见横截面结构图及P区和N区掺杂分布[17]Tab.1　The common transverse profiles of optical silicon waveguide and the doping distribution in P region or N region

2　硅基光调制的基本模型

在硅基材料特性和光波导横向结构确定的前提下,光调制器的性能和光学干涉结构密切相关。MZI结构是传统光调制器中的常用结构,它也广泛应用在硅基光调制器中。图1是硅基MZI结构光调制器的两种基本结构示意图,图中MZI结构光调制器由2个分束器和2个移相器组成。1个分束器分别用来完成光波的分波与合波,而移相器则用来改变两臂的相移。图1(a)为MZI结构中仅有一臂加电极调制的情形;图1(b)为MZI结构中两臂均加电极调制,但两臂所加电压相反的情形,即推挽结构。移相器1的几何长度为L1,移相器2的几何长度为L2。

图1　MZI结构光调制器示意图Fig.1 Configuration diagram of MZI-based optical silicon modulator

对于MZI结构光调制器而言,输入和输出光波

满足如下方程:

式中:Ei和Eo分别为输入和输出光场;对于分束器C1和耦合器C2来说,上支路的耦合功率比为δ2i,下支路的耦合功率比为κ2i,i=1,2,δi和κi满足条件δ2i+κ2i=1;αi和βi分别为移相器i的总损耗系数和总相位常数。从式(5)中可以得到硅基MZI光调制器的归一化透射谱线Tsilicon,它可以表示为

假设α0和β0是未加电压时移相波导的损耗系数和传播常数,当第2部分的设计完成后,α0和β0将会对应具体数值。根据前面硅基器件材料特性的分析,当电压加在某个波导上,波导的损耗系数和传播常数将会同时发生变化,则如下公式成立:

式中,函数fα(Vi)和fβ(Vi)将由硅基材料和波导结构等参数共同决定。虽然该函数不容易直接测量,但是它们可以影响硅基光调制器的带宽和消光比等性能指标,因此,在实验中可以通过测量调制信号的质量来间接估计它们。也有研究者利用半导体材料耗尽区所加电压和电流的近似关系,得到如下公式[14]:

式中:k为一常数;V为波导上所加的总电压, V=Vb+Vf,Vb为pn结的内建电场导致的电压,Vf为调制的总电压,包含信号电压和波导上所加的偏置电压。从式(8)可以看出,对于单个波导,所加电压导致折射率的增量与电压的关系并不是线性关系,这使得硅基光调制器最终的调制波形随电压的变化更加复杂。对于损耗而言,由于它的改变同样是由载流子浓度变化引起的,所以,它随电压变化也有类似的对数关系:

将式(7)∼式(10)代入式(6)中,则归一化透射谱线可以表示成如下形式:

式中:c1(V)= δ1δ2a(V)−κ1κ2/a(V);c2(V)= δ1δ2a(V)+κ1κ2/a(V);L为两臂长度的几何差, L=L1−L2;加载电压后两臂的损耗比值为a(V), a(V)=eα(V)(L1−L2)/2。在强度光调制中,若只考虑功率关系,则硅基光调制器输出与输入光功率之间满足如下关系:

式中:Po为输出光功率;Pi为输入光功率。式(12)是硅基MZI光调制器干涉的最终结果。由此可以看出,硅基器件的干涉与常规的LiNbO3光调制器中的干涉不同,由于所加电压的影响,波导的损耗也将发生变化,因而产生了非对称的干涉情况。

在不加任何电压时,上式可以表示为

式中:c10= δ1δ2a0− κ1κ2/a0;c20= δ1δ2a0+ κ1κ2/a0;a0=eα0(L1−L2)/2。化简式(13)可以得到

则当λmin=neffL/m时,上式取最小值,当λmax= neffL/(m+0.5)时,上式取最大值,m为自然数。由于输入光功率可能不同,在实际测量中有时也采用相对输出光功率来反映光调制器的特性,相对输出光功率r可以表示为

3　硅基光调制器静态消光比的定义

在硅基光调制器的性能评估中,消光比是一项很重要的指标。在数字光通信系统中,消光比有如下定义:数字光脉冲发射时,发“1”时的平均光功率P1和发“0”时的平均光功率P0之比。该数值往往用对数形式表示,它可以写成如下形式:

由于定义中所使用的是平均光功率,所以当光信号发送持续时间T0不同时,平均光功率有可能不同,因此计算出的消光比有所不同。例如:当T0为µs量级时,瞬时光功率的变化可能影响消光比;当T0为s量级时,消光比主要由长时间的平均光功率决定。

在硅基光调制器测试中,当一个器件加工完成后,通常要测量器件的透射谱线,以及由于所加电压变化导致的透射谱线变化,即不同电压情况下对应的透射谱线。在实际应用中,单纵模光源出现的比较普遍,因此光源总是在一个固定波长上,计算消光比可以采用如下方法:

式中:λ0为某个固定的波长;V1为光调制器发“1”码时,电极上所加电压;V0为光调制器发“0”码时,电极上所加电压。一般情况下,V0=0 V,则消光比仅和V1有关。因此,在消光比分析时,通常采用某个波长上对应的V1时的光谱值与0 V时的光谱值之比,如果采用对数尺度,则为某个波长上对应的V1时的光谱值与0 V时的光谱值之差。

4　硅基光调制器静态消光比分析

结合第2节的模型,本节将研究影响硅基光调制器消光比的因素。在第2节的模型中,并未考虑噪声的影响和动态特性导致的消光比变化,仅仅分析所加峰值电压、光波长和两臂长度差对硅基器件消光比的影响。在分析时,假设调制信号的带宽与光波长频率相比可以忽略不计,即无论信号是多大速率,均可看作窄带信号。式(12)中的参数如下:α0=0.001/4.343(µm−1),为方便计算,假定Ne=Nh=1×1018/cm3(此浓度为常规掺杂时的浓度情况),δ21=0.47,δ22=0.51。以下分析以光通信波段(波长在1 550 nm附近的光波)的透射谱线变化为例,分析消光比的变化情况。

4.1光调制器发“1”码时所加电压的影响

根据式(12)可以得出两种结构的MZI光调制器的透射谱线随电压的变化关系,如图2所示。仿真中,研究λmin=1 550 nm时的情况。MZI光调制器的两臂尺寸为L1=2 325µm,L2=2 340.5µm。在此处,两臂尺寸为随机选择的数值,在4.3节将会讨论光调制器两臂尺寸对消光比的影响。在图2中, V0=0 V,V1在0∼4 V的变化中,透射谱线向短波长处移动。在图2(a)中,由于电压仅仅改变一臂的损耗和相位,因此谱线的平移量较小。考察1 550 nm波长处电压调制的效率发现,在V1为3 V时,消光比可以达到15 dB;当V1减小为1 V时,消光比仍然可以达到7 dB;当V1增加到4 V时,消光比也仅为15.5 dB。产生该结果的原因是折射率随电压变化的关系是对数关系和非线性关系,由此证实了式(9)、(10)。在图2(b)中,透射谱线随电压变化的平移量增加,在1 550 nm波长处,当峰值电压为3 V时,消光比可以达到20 dB。从该图中同样可以看出,低电压区域增加单位电压产生的消光比增量较为明显。

图2　硅基MZI结构光调制器消光比随电压的变化Fig.2 ER versus voltage in silicon MZI modulator

4.2波长的影响

由于硅基MZI光调制器的透射谱线同样会随波长变化,故需要考察工作波长对消光比的影响。图3比较了同一种MZI光调制器3个不同波长处的消光比。此处采用推挽结构,调制器尺寸采用4.1节的数值,即L1=2 325µm,L2=2 340.5µm。当所加峰值电压同为3 V时,在λmin=1 550 nm处消光比将达到20 dB,而在波长1 530 nm和1 560 nm 处,消光比则减小为5 dB。在不加电压时,MZI光调制器的透射谱线在1 550 nm处达到最小,因此可以得出在加载相同电压时,最大消光比所在的波长为λmin,即MZI光调制器相干相消的波长。

图3　硅基MZI结构光调制器消光比随电压的变化Fig.3 ER versus voltage in silicon MZI modulator

图4　不同尺寸情况下硅基MZI结构光调制器消光比变化Fig.4 ER versus voltage in silicon MZI modulator for different size of modulator

4.3调制器两臂尺寸的影响

在LiNbO3光调制器的设计中,由于折射率随所加电压呈现线性变化关系,所以,可以选择大尺寸器件和低驱动电压的设计,也可以选择小尺寸器件和高驱动电压的设计。但是在硅基光调制器中,由于波导折射率和损耗变化与所加电压呈现非线性关系,如式(9)、(10)所示,所以不同器件尺寸的光调制器性能差别很大。由图1可知, MZI结构的光调制器由1个分束器、1个耦合器和2个移相器组成。分束器和耦合器的尺寸不会影响干涉效果,因此本文主要讨论移相器尺寸对消光比的影响。图4是4种尺寸下推挽结构的硅基MZI光调制器的消光比变化。在图4(a)中, L1=2 325µm,L2=2 371.5µm,两臂差为30个光波长,在λmin=1 550 nm处,消光比达到了22 dB。在图4(b)中,L1=2 325µm,L2=2 326.55µm,两臂差为1个光波长,在λmin=1 550 nm处,消光比为20 dB。在图4(c)中,L1=L2=2 325µm,两臂严格等长,两臂光程差为零,透射谱线与波长完全无关,电压的改变对任何波长都将引入相同的消光比。在该例中,当所加峰值电压同为3 V时,消光比均为20 dB。此时相移的改变不会导致任何输出光功率的变化,而输出光功率的改变仅取决于电压引起的损耗变化。这3种情况均为移相器长度较长时的结果,它们的差别体现在两移相器的长度差上面。较大的移相器长度差会减小透射谱线的自由频谱范围(FSR),因此在λmin附近产生较为尖锐的谱线,在电压作用下,此尖锐谱线容易引入较高的消光比,但是由于λmin附近谱线较为尖锐,任何导致波长偏离λmin的干扰,都将引起消光比的严重下降。例如,在图4(a)中,在λ=λmin±1 nm处,消光比将减少近4 dB;在λ=1 530 nm处,消光比更减少到2 dB。若两移相器完全等长,光调制器的消光比为一定值,不会随着波长有任何变化,消光比与分束器、耦合器,以及移相器损耗特性有关。但是,这种情况为理想情况,在微纳加工中,十几纳米量级的误差是不可避免的,因此图4(b)中所示的情况为最一般情况。在这类MZI硅基光调制器中,工作波长的漂移仅仅引起消光比缓慢的变化。例如在该图中,波长从1 550 nm变化到1 530 nm,消光比的减小率近似为0.45 dB/nm,且这种改变几乎是线性的。这类器件也是目前硅基光调制器中可用波长范围最宽的情况。若减小两个移相器长度,但是同样采用较大的移相器长度差,则得到如图4(d)所示的结果,在λmin=1 550 nm处可以得到13 dB的消光比。由于移相器长度较小,它的相位和损耗改变量较小,所以,透射谱线仅有较小的平移,但是在透射谱线最尖锐的λmin处,还是可以达到十几dB的消光比。

这一部分讨论的消光比为静态消光比,它主要从电压引起透射谱线的变化入手,来分析加载电压后调制信号的消光比情况。在实际应用中,由于种种动态过程的影响,真实的消光比总会比静态消光比小几个dB,但是静态消光比是分析光调制器的基础,在加工硅基光调制器时,也总会分析静态消光比的大小。因此,这部分的分析对硅基光调制器的设计有一定的作用。

5　结论

从硅的材料特性、器件的光波导特性等影响硅基光调制器静态消光比的不同因素入手,研究了MZI结构硅基光调制器的静态消光比特性,分析了光调制器所加峰值电压、工作波长选择和移相器几何尺寸对静态消光比的影响。研究表明,在相同掺杂浓度的情况下,包含长移相器的硅基光调制器在加载相同电压时,能够产生较大的透射谱线平移,因此在相同波长上能够取得较高的消光比。当两臂长度差较小时,硅基光调制器的消光比受波长变化影响较小,但是其最大消光比小于两臂长度差较大时的最大消光比。考虑到硅基光调制器的波长适用性,实际应用中更希望选择两臂长度差较小的对称结构的硅基光调制器。

硅基光调制器是一项具有广泛应用前景和较大挑战性的关键技术,其性能受到多种因素的影响。本文仅分析了影响静态消光比的种种因素,未来仍需分析加载真实信号时的调制性能,并进行参数优化,最终制作出满足光通信要求的低成本实用器件。

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中图分类号:TN 256

文献标志码:A

文章编号:1001-4543(2015)03-0228-08

收稿日期:2015-04-15

通讯作者:桂林(1981–),男,湖南祁阳人,讲师,博士,主要研究方向为光通信中的硅基光子器件、光接入技术。电子邮箱guilin@sspu.edu.cn。

基金项目:上海第二工业大学校级重点学科(No.XXKZD1302)、上海第二工业大学校基金项目(No.EGD14XQD03,No. EGD14XQD01)、湖南省自然科学基金(No.11JJ6053)资助

Extinction Ratio of the MZI-Based Optical Silicon Modulator

GUI Lin1,SHAO Yu-feng1,ZUO Jian-cun1,WANG Sheng-li2,SUN Qiu-dong1
FANG An-le1,ZHOU Zhi-bin3,ZHANG Hua1
(1.School of Computer and Information Engineering,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209, P.R.China;2.School of Arts and Science,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China; 3.School of Physics and Information Science,Hunan Normal University,Changsha 410081,P.R.China)

Abstract:The technology for realizing silicon optical modulator is a hot branch in silicon photonics.Considering the material character of silicon photonic device and the transverse profile of waveguide,the static extinction ratio property of MZI based silicon optical modulator is investigated.Then the following issues are discussed:the influences of applied peak voltage of code“1”,operating wavelength and the size of phase shifter on the static extinction ratio.The significant results are as follows:the changing rate of the extinction ratio is large when the applied peak voltage of code“1”is small;the extinction ratio is sensitive to the operating wavelength when other conditions are the same;the size of optical modulator prefers the structures with two large arms but low length difference between them.At this circumstance,the extinction ratio in silicon modulator is large and is also insensitive to the operating wavelength.

Keywords:silicon photonics;optical modulator;MZI structure;extinction ratio;optical communication