InP基矩形马赫—曾德尔高速电光调制器行波电极设计与测试.doc
光纤马赫-曾德干涉设计报告
马赫-曾德光纤干涉实验光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器,它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物。
光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)是一种功能型光纤传感器,它在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。
一、实验目的1．学习光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉原理2．掌握利用马赫-泽德光纤干涉仪对压力和温度的测量。
二、实验器材OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪，He-Ne 激光器三、实验原理1．光纤传感器基本工作原理光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉仪结构与原理如图 1所示。
光源发出的光经过耦合器（DC1），将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。
经过耦合器 DC2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为)(cos 1t B A I Φ+= （1） )(cos 2t B A I Φ-= （2）在通过对干涉信号相位的获得来推知作用在信号臂上的外界物理量的变化。
2．马赫-曾德光纤温度传感器工作原理激光束从激光器发出后经分束器分别送入长度基本相同的两条光纤, 而后将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉光, 从而出现了干涉条纹。
当一条光纤臂温度相对另一条光纤臂的温度发生变化时, 两条光纤中传输光的相位差发生变化, 从而引起干涉条纹的移动。
干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。
光探测器接收到干涉条纹的变化信息, 并输入到适当的数据处理系统, 最后得到测量结果。
长度为 L 的光纤中传播光波的相位ΦnL k 00+Φ=Φ （3）其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位， 0k （00/2λπ=k ，0λ为真空中波长）为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。
图1 光纤Mach-Zenhder 干涉仪原理图λπ=λπδ=∆ΦSP 22λπ+=SP K I I I 2cos 00设光纤1L 温度不变，光纤2L 温度该变T ∆,则折射率n 的改变量为n ∆ ，光纤2L 长度改变量为2L ∆。
马赫曾德尔电光调制器原理及其在光纤通信中的应用
万方数据第３期湖南工业职业技术学院学报２０１０年ｎ，＝ｎ：＝ｎ。
＋△ｎ．＝ｎ。
＋÷焉‰Ｅ（３）却ｅ／出≠０，则输出光信号的频率发生漂移；若孑％／ｄｔ２≠０·说明ｚ方向的外加电场作用在材料上，引起了ｘ和Ｙ方向折射率的变化。
折射率的变化与外加电压的比值和材料的非线性系数有关，构成电光调制器时尽可能选取一些具有较高二阶非线性系数的材料，像ＬｉＮｂ０３，ＬｉＴａ０３，ＳＢＮ，目前常用的电光调制器通常选用ＬｉＮｂＯ，。
ＭＺ电光调制器的结构如图１所示，输入光波经过一个Ｙ分支后变为两路，由于两臂所加电压不同，导致两臂由Ｐｏｃｋｅｔ效应引入的折射率变化不同，再经过一个Ｙ分支将信号和为一路输出。
这是典型的ＭＺ干涉结构。
输出的光功率可以由两臂的电压共同控制。
图１ＭＺ电光调制器的结构图ＭＺ干涉结构在ＬｉＮｂＯ，称底上制成，两臂为波导结构，所以可以制成较小的尺寸。
在光波的传输方向上无电场，假设光波沿Ｙ方向传播，则光电场振动方向可以沿ｘ方向或者ｚ方向。
依据ＴＭ模式光波电场的振动方向可以将ＬｉＮｂＯ，波导的结构分为两种，如图２所示：（ａ）为ｘ切结构，（ｂ）为ｚ切结构。
ｓｉｎｇｎａｌｇｒｏｕｎｄｇｒｏｕｎｄｓｉｇｎａｌｇｒｏｕｎｄ产鼍，甓罗一ｔｏｐｔｉｃａｌＬ—＇Ｘｗａｖｅｇｕｄｅ（ａ）ｘ切结构（ｂ）Ｚ切结构图２ＭＺ电光调制器的丽种结构ｐｌ和Ｐ２分别为第一、第二个Ｙ分支的耦合比例，Ａ；为入射光波的复振幅，Ａ。
为输出光波的复振幅，妒。
和妒：为经过上下两臂引入的相位。
则输出光波的复振幅可以表示为：＾。
＝Ａｔ（∥可习；ｘｐ（ｔｐ。
）＋石可ｊ》ｘｐ（仡））（４）一般情况下Ｐ。
＝Ｐ２＝１／２Ａ。
＝ｊＡｉｅｘｐ（．『半）咖（字）吐唧ｃｊ＃Ｌ）ｊｅｘｐ（，’鼍≯）ｃｏｓ（仃（Ｕ一屹）２ｖ．（５）式中ｅｘｐ（ｊｐＬ）ｊｅｘｐ（Ｊ掣）为相位部分，其中，ｅｘｐ（ｊｆｌＬ）ｊ为固定的相位，可以通过选择恰当的调制器臂长，使得肚＋仃／２＝２ｋ＇ｎ－，即此相位对调制器的输出光没有影响；ｅｘｐ（加（Ｖｉ＋ｎ）／（２ｖ．））为所加电压对相位的影响，可以看出此相位只与两臂电压之和有关。
硅基马赫曾德电光调制设计优化与实现
硅基马赫曾德电光调制设计优化与实现作者：周林杰周砚扬陆梁军来源：《中兴通讯技术》2017年第05期摘要：对单端推挽驱动硅基调制器进行了优化设计和实验验证。
为了获得较高的调制器性能，首先对PN结的结构参数和掺杂浓度进行了仿真优化，以提高调制效率并降低光传输损耗；其次，对行波电极的阻抗匹配、相位匹配和微波损耗予以了研究，重点分析了低掺杂平板区宽度、行波电极传输线宽度（TWE）和间距对调制性能的影响。
在理论分析和仿真计算的基础上，对单端推挽驱动调制器进行了频谱测试、小信号响应测试和高速调制码型测试。
调制器的片上插入损耗在7～9 dB，半波电压约为5 V。
偏置电压为0 V时，优化后的调制器的带宽大于18 GHz，入射端反射系数低于-20 dB，行波电极具有较好的阻抗匹配。
当反偏电压大于4 V时，调制器的带宽可增加到30 GHz以上，并且能实现56 Gbit/s的二进制强度（OOK）调制和40 Gbit/s的二进制相移键控（BPSK）调制。
关键词：电光调制器；硅基光电子；高速收发模块；光电子器件Abstract： In this paper， the design optimization and experimental demonstration of single-drive push-pull silicon electro-optic modulators are presented. In order to improve the modulation efficiency and lower the optical propagation loss， the PN junction profile and doping concentrations are firstly optimized. Next， the impedance match， phase match and microwave loss are studied，and in particular， the influence of low-doping slab width， travelling-wave electrode （TWE）width and spacing on the modulator performance are analyzed. Following the comprehensive theoretical analysis and numerical simulation， the modulator performance measurements，including the optical transmission spectrum upon single-drive push-pull tuning， small-signal microwave signal response， and high-speed digital signal modulation are consequently carried out. The on-chip insertion loss of the modulators is around 7-9 dB and the half-wave voltage is 5 V. At a bias voltage of 0 V， the optimized modulator has a modulation bandwidth of >18 GHz. The microwave reflectivity at the entrance of the TWE is less than -20 dB， suggesting good impedance match. When the reverse bias voltage is increased to 4 V， the modulation bandwidth can exceed 30 GHz， allowing for realization of 56 Gbit/s on-off keying （OOK） and 40 Gbit/s binary phase-shift keying （BPSK） modulations.Key words： electro-optic modulator； silicon photonics； high-speed transceiver；optoelectronic devices硅基电光调制器由于其综合性能出众，吸引了全球各高校、研究所和企业的持续关注。
马赫-曾德调制器原理与应用_课件
电极
外加电信号 V
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马赫－曾德尔调制器
目前光通信系统中应用最广泛的调制器。
其他应用领域：光载无线系统、微波光子 系统等
调制速度 40Gbps 消光比 >20dB 插入损耗 ～3dB
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本节课内容：马赫－曾德尔调制器
调制器简介 调制器原理分析 调制器的应用
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2. 调制器原理分析
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Vdc
输入电信号
调制失真？
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调制失真
QP偏置点附近的线性区
其 他 直 流 偏 置 点 ？
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2. 调制器原理分
2V
Vdc
2V
Vac (t ))
Vm
2V
2V
Vdc
Vac (t) Vm cosmt
Eout Ein cos( cos( m t ))
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中心局
光收发机 光纤
基站 移动台
光收发机
移动台
调制 调制是实现信号光纤传输的前提！
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MZM在高级调制格式产生中的应用
“三网融合”、“物联网”等业务需求的出现持续推 动着光纤通信系统向着高速率、大容量和长距离的方 向发展。而随着通信速率的提升，光纤传输损伤，如 色度色散、偏振模色散和非线性效应等逐渐成为制约 系统性能的瓶颈。 研究表明：各种高级调制格式，如DPSK、DQPSK、 RZ-DPSK等，能明显减轻光纤传输损伤的影响，具有 广阔的应用前景。 这些高级调制格式的成功运用，已将光纤通信系统单 波通信速率推向80Gbps、甚至超过100Gbps。
x(t )
LiNbO3马赫曾德调制器..
马赫曾德调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电解质光调制器件。其结构示意下图所示
图1 马赫曾德调制器的结构示意图
在马赫曾德调制器中，输入的光信号在Y 分支器(3dB 分束器)上被分成振幅和相位完全相同的两束光，并且随着光波导在上下两支路上进行传输。如果两平行臂完全对称，在不加调制电压时，两支路光束在输出Y 分支器内重新合并成与原输入光信号相同的光束，单
调制器调制NRZ 码、RZ 码、NRZ-DPSK 码和RZ-DPSK 码，并进一步分析了这几种码型各
自的优缺点，最后对应用于DWDM 系统中的CSRZ-DPSK 码的调制及特点进行论述。
参考文献
[1] Cheng.Linghao, Aditya.Sheel, Li.Zhaohui, etal ． Generalized Analysis of Subcarrier Multiplexing in
在输出端的Y 分支器的信号可以用如下公式表示：
(1)
习惯上使用信号光强来表示马赫曾德调制器的传输特性：
(2)
这里Eo和Ei分别表示光波的输出电场和输入电场，V(t)是驱动电压（包括直流偏置和电调制信号）， Vπ是半波电压，用于产生光波的π 相位偏移。
3.马赫曾德调制器的应用
由于马赫曾德调制器的传输特性是余弦曲线形式的，如下图所示，则调制器可以被偏置在不同的区域并且驱动信号可以层叠在偏置电压上。通过调节偏置电压和驱动信号可以产生NRZ-ASK/NRZ-DPSK 信号，RZ-ASK/RZ-DPSK(包括载波抑制RZ-DPSK)信号等。
ASK 调制格式，DPSK 在平衡探测下接收机灵敏度能够提高3dB，并且对噪声和非线性效应
具有更高容忍度。
图12 NRZ-DPSK信号产生的结构框图
马赫曾德尔调制器和电吸收调制器原理性能
m 1,2 =
π
V π 1,2
ϕ1 (t ) = m1u1 (t ) = ϕ bias1 + ∆ϕ1 cos ω m1t
π Vbias1,2
Vπ
ϕ bias1,2 = m1,2 ⋅ Vbias1,2 =
ϕ 2 (t ) = m2 u 2 (t ) = ϕ bias 2 + ∆ϕ 2 cos ω m 2 t
电吸收调制器
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电吸收调制器特性
• 吸收特性——吸收系数是外加电压、入射光子 能量的函数，同时又是与波长相关的函数。 • 消光特性（通断状态下的光强度比）——不加 偏压时，光吸收最小，on,输出功率最大。入 射波长越小，消光比越大。 • 偏压特性——调制电压反向偏置，随着偏压增 大，量子阱电场增大，“断”，输出功率最小 • 插入损耗特性——通时的损耗 • 啁啾特性——折射率实部变化量比上虚部变化 量
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优缺点
• 马赫一增德尔干涉仪型强度调制器是比较常用的外 调制器，其输出功率为两臂光场干涉的结果。这种 调制器的缺点是工作在线性偏置点时，引入了固有 的3dB损耗。此外调制器半波电压目前还较高，调 制效率较低。它是一个铌酸锂器件，无法做到全光 纤化。 • 电吸收型强度调制器基于器件的各种电吸收效应。 相比与MZM来说，其优点是易集成、驱动电压低 并且调制速率高，但是损耗比较高，作为模拟调制 器性能也不是很理想。
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电吸收调制器（EAM）
• 电吸收调制器是一种P-I-N半导体器件，其I层由 多量子阱（MQW）波导构成。当调制电压使PI-N反向偏置时，入射光完全被I层吸收，入射光 不能通过I层，相当于“0”码；反之，当偏置电压 为零时，势垒小时，入射光不被I层吸收而通过 它，相当于“1”码，从而实现对入射光的调制。 对不同波长的吸收峰不同，对同一波长不同能量 的脉冲吸收不同
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InP基矩形马赫—曾德尔高速电光调制器行波电极设计与测试随着光互连正逐步取代传统的电互连,光通信器件正朝着小型化、低能耗、高集成度的方向发展。
电光调制器作为光子集成芯片中不可缺少的基本元件,由于受到传统波导耦合器尺寸较大的限制,以及电光相互作用效率低导致调制臂较长的原因,难以进一步减小片占面积和提升集成度。
因此本文在InP基衬底上设计一种基于沟槽型耦合器和90°弯曲波导配置的,马赫-曾德尔电光调制器,提
出一种T型类微带行波电极结构,该结构既可减小高频电信号传输损耗,提高带宽,又方便了器件晶圆级在线测试。
利用深刻蚀的波导可以将光波较好地限制在量子阱有源区,因而获得电场和光场相互作用较大的重叠因子,进一步减小片占面积。
本文首先介绍了调制器器件结构以及外延生长的各层材料,设计了T型类微带行波电极结构,包括传输区、过渡区和输入输出区。
之后运用散射参量S、传输线理论分析计算了行波电极的微波特性,如阻抗匹配、回波损耗以及带宽性能,这也是电极关键的性能参数。
利用电极的等效电路估算了调制器带宽上限,但是受限于材料本身调制能力约70 GHz的限制。
对电极的传输、输入和输出以及过渡区的结构参数,使用有限元仿真方法优化设计。
仿真结果表明设计的整体行波电极具有匹配阻抗大于42?,回波损耗小于-15 dB,带宽可达65GHz的高性能参数。
在InP衬底上制备了行波电极,用网络分析仪测量其S参数,由于仪器带宽的限制,测试电极得到回波损耗-12dB和带宽至少达到20GHz的最优性能,同时也验证了上述仿真方法的有效性。
本论文设计的G-S-G同高度类微带行波电极具备器件晶圆级在线测试的要求,该器件获得片占面积40μm×40μm的高效紧凑的尺寸,满足高度集成、低能耗、高速调制等要求的同时,器件版图可向二维方向配置
和扩展。
同时新型矩形MZ高速电光调制器潜在应用于InP基光子集成芯片以及片上光互连系统。