基于侧向PN结和交趾型PN结的硅基Mach-Zehnder调制器的二阶谐波失真特性

戚　伟,邵海峰,余　辉,江晓清

（1.浙江大学城市学院信息与电气工程学院，浙江杭州 310015；2.浙江大学信息与电子工程学院，浙江杭州 310027）

基于侧向PN结和交趾型PN结的硅基Mach-Zehnder调制器的二阶谐波失真特性

戚伟1,2*,邵海峰2,余辉2,江晓清2

（1.浙江大学城市学院信息与电气工程学院，浙江杭州 310015；2.浙江大学信息与电子工程学院，浙江杭州 310027）

高线性度的电光调制器是构建微波光子链路的核心器件。硅光子调制器利用PN结的载流子色散效应实现微波信号对光波的调制，基于不同结构PN结的调制器有不同的非线性特性。本文采用二阶无杂散动态范围表征二阶谐波失真度，实验研究了采用侧向PN结和交趾型PN结所构成的Mach-Zehnder（MZ）调制器的二阶谐波失真特性。基于侧向PN结和交趾型PN结的MZ调制器的二阶无杂散动态范围为分别为85.11 dB·Hz1/2、78.44 dB·Hz1/2，表明基于侧向PN结的MZ调制器具有更好的线性度。

微波光子链路；硅基高速调制器；二阶谐波失真；二阶无杂散动态范围

TN256

A

10.3788/fgxb20163706.0758

1 引 言

微波光子链路将微波与光波融合，已经在宽带无线通信、卫星通信、高清电视、太赫兹技术和相控阵雷达等领域获得广泛应用，其实现的主要功能为：微波/毫米波信号的产生、传输及处理［1］。其中光载无线通信是微波光子系统最重要的应用之一［2］。将无线信号通过电光调制器调制到光波上并通过光纤传输，最后经过光电探测器将无线信号通过天线发出，可以利用光纤的超低损耗、抗电磁干扰等特性实现对无线信号的有效分布，降低基站的复杂度。近年来，硅基光子系统由于其低成本、兼容CMOS工艺等优点，在数据中心、高性能计算机等短距光互联系统中得到了广泛的应用［3］。如能充分利用硅光子技术优势，将有助于实现高性能、低成本微波光子链路的芯片集成，对未来微波光子学的发展产生深远影响。

微波光子链路输出的无线信号质量受到链路中光学器件的制约，其中电光调制器的非线性会造成输出的无线信号产生新的频率分量，称为谐波失真及互调失真［4］，使通信质量严重下降。硅基调制器利用PN结内载流子耗尽效应［5］实现无线射频信号对光波的调制。由于PN结电容对偏置电压的非线性依赖关系，硅基调制器线性度不仅受调制曲线非线性的影响，还受PN结的非线性影响。与其他电光调制器如铌酸锂调制器相比，硅基调制器的非线性失真的成因更加复杂，消除也更加困难。目前针对硅基Mach-Zehnder（MZ）调制器［6-7］、微环调制器［8-9］以及微环辅助MZ调制器［10-11］的线性度优化已经见诸报道。一般说来，调制曲线的非线性——如硅基MZ调制器的cos/sin型调制曲线和硅基微环调制器的洛伦兹调制曲线是固定并且有章可循的，而PN结所引入的非线性受到具体掺杂浓度、掺杂图形、工艺条件等共同影响，往往无法预先确定。

为了比较不同PN结结构对调制器线性度的影响，本文选用了基载流子耗尽型调制器设计中应用最广泛的两种PN结结构——侧向（Lateral）PN结和交趾型（Interdigitated）PN结分别实验了两种调制器。无杂散动态范围（SFDR）被用来表征微波光子链路的噪声和高阶谐波失真程度，优化微波光子链路的SFDR性能使之满足商业需求一直以来是学术界和工业界努力的方向［12-18］。为比较使用两种结构PN结的调制器的二次谐波失真特性，本文采用二阶无杂散动态范围（SFDR2）来表征二阶谐波失真程度，实验结果可以为设计高线性度的微波光子调制器提供参考。

图1　两种掺杂结构的PN结的3D图和俯视图。（a）交趾型PN结；（b）侧向PN结。阴影区为脊波导的标记。Fig.1 Schematic 3D diagrams and top views of the two doping patterns.（a）Interdigitated PN junction.（b）Lateral PN junction.Shaded areas in top views mark positions of rib waveguides.

2 器件结构

2.1PN结结构

如图1所示，侧向（Lateral）PN结和交趾型（Interdigitated）PN结是最常用的两种PN结结构。在交趾型PN结中P区和N区在光传输方向上互相交叉，而侧向PN结中P区和N区平行分置于脊波导两边。当PN结反偏时，载流子耗尽区面积增大，耗尽区内载流子浓度减小。根据载流子色散效应，载流子浓度的变化会改变波导的有效折射率。脊波导的宽度和高度分别设计为500 nm和220 nm，为了与耦合光栅的工艺统一［19］，脊波导的刻蚀深度为浅刻蚀70 nm。P区和N区具有相同的掺杂浓度，脊波导PN结的掺杂浓度为1×1018/cm3，与脊波导边缘相距1 μm为欧姆接触区，掺杂浓度为1×1020/cm3。

2.2非对称Mach-Zehnder调制器

图2（a）为非对称MZ调制器的结构图，非对称的两相移臂之间的长度差为40 μm。不同波长经过两相移臂会产生不同的相位差，因此可以通过改变波长来设定偏置点。两个低损耗的1×2多模干涉器（MMI）作为光波的合束与分束器，为了平衡损耗，MZM的两个相移臂都包含PN结。无线射频信号通过电极加载到调制器上改变波导的有效折射率，从而实现对光波的调制。图2（b）为侧向PN结的横截面图，交趾型PN结采用同样的波导几何尺寸和掺杂浓度，只是PN结形状不同于侧向PN结。

图2　（a）非对称MZ调制器；（b）侧向PN结横截面示意图。Fig.2 （a）Asymmetric Mach-Zehnder modulator.（b）Cross section of lateral PN junction.

3 数学模型

MZ调制器的转移方程记为：

其中Iout为调制器的输出功率，Iin为调制器的输入功率，渍（v）为所加载信号引起的相位变化。PN结非线性导致了相移臂中相位变化与所加电压成非线性关系，可表示成多项式的关系：

其中系数a表示直流分量，系数b表征线性变化，而c、d表示非线性变化，如铌酸锂调制器的调制机理为线性电光效应，那么c=d=0，但是对于硅基调制器来说c、d不为0。假设无线射频信号表示为v=v0cos（棕t），由于调制器非线性的影响，探测器输出信号将存在很多新的频率分量。根据泰勒级数展开，基频分量（IFUNDA）、二阶谐波分量（SHD）及三阶谐波分量（THD）的功率表示为：

将公式（1）、（2）代入（3）～（5）中得：

公式（6）～（8）是PN结非线性和调制曲线非线性共同作用的结果。KSHD为二阶谐波功率，表征二阶非线性失真；KTHD为三阶谐波功率，表征三阶非线性失真。当调制器的调制机理为线性电光效应（c=d=0）时，调制器只受调制曲线的非线性影响。当工作于π/2工作点（a=π/2）时，KTHD、IFUNDA值达到最大，而KSHD的值为0最小；当工作于0、π工作点时，KSHD的值达到最大，而IFUNDA和KTHD的值为0。对于一般的微波光子链路来说，我们希望IFUNDA最大，而KSHD、KTHD尽可能地小，通过调节偏置点在π/2，可以使KSHD为0，而IFUNDA最大，但是KTHD也达到最大值，因此应该根据具体情况选择适当的偏置点。

4 实验系统和结果

4.1实验系统

图3为调制器二阶谐波失真特性测量的实验装置系统图。通过测量探测器输出端的基频信号功率和二阶谐波功率，可推算出二阶无杂散动态范围（SFDR2）这一分量，其定义为当二阶谐波功率位于基底噪声时，基频信号功率与噪声功率的比值，比值越大表示调制器的线性度越高。最后根据SFDR2数值可比较基于两种PN结的MZ调制器的非线性程度。

可调激光器发出的光经过偏振控制器和硅波导耦合光栅导入到非对称MZ调制器中，分别对基于两种PN结的非对称MZ调制器进行测试；频率为4 GHz的射频信号通过集总电极加载到非对称MZ调制器上，对光波进行调制，两种非对称MZ调制器的PN结长度均为1 mm。MZ调制器输出光的1%通过光功率计进行功率检测，不同波长的光将产生不同的相位差，进而可以检测到不同的功率。通过监测该功率可设置调制器偏置点。99%的光通过带有光电探测器的频谱分析仪，对基频信号功率和二阶谐波功率进行测量。

图3　测试系统结构图。TL：可调激光器。PC：偏振控制器。PM：光功率计。PD：光电探测器。ESA：频谱分析仪。Fig.3 Schematic diagram of measurement system.TL：Tunable laser.PC：Polarization controller.PM：Power meter.PD：Photodetector.ESA：Electrical spectrum analyzer.

4.2实验结果与讨论

图4为侧向PN结非对称MZ调制器二阶谐波失真特性的测试结果。图4（a）为基频、二阶谐波及调制器输出光功率随光波长，即调制器偏置点的变化关系。由前面分析可得，若调制器的调制机理为线性电光效应，那么当偏置点在0或π

相位时，即光功率最高或最低时，基频信号功率最低而二阶谐波功率最高。图4（a）中基频信号功率最低值和二阶谐波功率最高值所在的位置与光功率最高或最低位置点存在偏差，这是由于侧向PN结的非线性造成的。同样，当偏置点为π/2时（对应于光功率下降3 dB的波长位置处），若为线性电光效应，此处基频信号功率最高而二阶谐波功率最低。实测结果依然与此存在偏差，整体右移。该实验结果表明侧向PN结的非线性对调制器的线性度有显著的影响。通过实验结果计算调制器的SFDR2同样可说明侧向PN非线性的影响。图4（b）给出了SFDR2和光功率随偏置点的变化关系。根据线性电光效应的理论可知，当光功率为最高或最低时（偏置点为0或π），SFDR2最小；当功率从最大值下降3 dB时（偏置点π/2），SFDR2最大。然而在图4（b）反映出，由于PN结非线性的影响，SFDR2的最小值所处波长相较于光功率的最小和最大值所处波长存在右向偏移，SFDR2的最大值所处波长也相较于光功率衰减3 dB所处的波长存在右向偏移，但基本与线性电光效应的分析结果有相同的趋势，最大的二阶SFDR2为85.11 dB·Hz1/2。

图4　（a）侧向PN结的基频、二阶谐波及调制器输出光功率随波长的变化关系；（b）调制器输出光功率和SFDR2随波长的变化关系。Fig.4 （a）Power of fundamental，SHD，MZ modulator's output as a function of wavelength for lateral PN junction.（b）Power of MZ modulator's output and SFDR2versus wavelength.

图5 （a）交趾型PN结的基频、二阶谐波及调制器输出光功率随波长的变化关系；（b）调制器输出光功率和SFDR2随波长的变化关系。Fig.5 （a）Power of fundamental，SHD，MZ modulator's output as a function of wavelength for interdigitated PN junction.（b）Power of MZ modulator's output and SFDR2versus wavelength.

图5为交趾型PN结非对称MZ调制器二阶谐波失真特性的测试结果。图5（a）为基频、二阶谐波及调制器输出光功率随光波长的变化关系。当偏置为0相位即光功率最大值时，基频信号功率达到最低值，与线性电光效应的理论结果基本相符。但是功率为最大值时，二阶谐波功率本应为最高，然而图5（a）所示的二阶谐波功率接近最低值，这表明交趾型PN结要比侧向PN结有更强的非线性，导致二阶谐波功率完全与线性电光效应的理论分析结果相反。这也可以从图5（b）交趾型PN结调制器的SFDR2的测试结果看出，最大的SFDR2仅为78.44 dB·Hz1/2，远小于侧向PN结调制器的85.11 dB·Hz1/2，表明交趾型PN结要比侧向PN结拥有更强的非线性。

文献［20］已对两种PN结在性能上做了比较全面的总结，尽管其针对数字调制应用，但是依然可以从侧面解释上述实验现象。文献［21］的交趾型PN结拥有更高的调制效率，达到0.62 V· cm，远远高于侧向PN结的调制效率，这是由于交趾型PN结有更高的电容，而电容恰恰决定了PN结的非线性程度，这也验证了本文的实验。实验结果表明，交趾型PN结比侧向PN结有更强的非线性，应用于微波光子链路，需要链路有更好的线性度，可以选择基于侧向PN结的MZ调制器实现无线射频信号对光波的调制。

5 结 论

构建了基于两种PN结——侧向PN结和交趾型PN结的非对称MZ调制器，并通过实验对两种调制器进行了二阶谐波失真测试。实验中基于交趾型PN结MZ调制器的SFDR2为78.44 dB· Hz1/2，而基于侧向PN结MZ调制器的SFDR2为85.11 dB·Hz1/2，表明交趾型PN结有更强的非线性。对于光载无线通信系统应用，需要整个微波光子链路有较高的线性度，采用基于侧向PN结的调制器可以得到更好的效果。

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戚伟（1984-），男，河南新蔡人，博士，副教授，2009年于浙江大学获得博士学位，主要从事集成光电子器件方面的研究。

E-mail：qiw@zucc.edu.cn

Second Harmonic Distortion Comparison of Mach-Zehnder Silicon Modulators Based on Lateral and Interdigitated PN Junctions

QI Wei1，2*，SHAO Hai-feng2，YU Hui2，JIANG Xiao-qing2
（1.School of Information and Electrical Engineering，Zhejiang University City College，Hangzhou 310015，China；2.College of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）
*Corresponding Author，E-mail：qiw@zucc.edu.cn

Electro-optic modulators with high linearity are core devices of microwave photonic link. The modulation mechanism of the silicon optical modulator is based on the carrier dispersion effect which is nonlinear and its nonlinearity is highly related to the structure of PN junction.In this paper，the second-order spurious-free dynamic range（SFDR2）is introduced to characterize the second harmonic distortion（SHD）of modulators.The SHD of silicon optical Mach-Zehnder modulator（MZM）based on two most widely used doping patterns，i.e.，the lateral and the interdigitated PN junctions are compared with each other.The experimental results show that the lateral PN junction and interdigitated PN junction based MZMs have SFDR2of 85.11 dB·Hz1/2and 78.44 dB·Hz1/2，respectively.The lateral PN junction based MZM has a better linearity.

microwave photonic link；silicon-based high-speed optical modulator；second harmonic distortion；second-order spurious-free dynamic range

1000-7032（2016）06-0758-06

2016-01-25；

2016-03-10

国家自然科学基金（61307074）；浙江省公益技术应用研究计划（2014C33026）资助项目