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【Lumerical系列】硅基電光調(diào)制器(3.1)——常用的光學(xué)結(jié)構(gòu)

發(fā)布日期:
2024-09-09

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前面兩期我們分別介紹了電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)和常見的幾種調(diào)制結(jié)構(gòu),其中包括了載流子注入型、載流子耗盡型以及載流子積累型在內(nèi)的三中常見的調(diào)制結(jié)構(gòu),并簡單總結(jié)了三種結(jié)構(gòu)的調(diào)制機制、調(diào)制過程、所需的電極結(jié)構(gòu)、以及優(yōu)缺點和適用范圍。
對于載流子注入型調(diào)制結(jié)構(gòu)而言,它的調(diào)制效率高,使用結(jié)構(gòu)簡單的集總電極,工藝簡單利于制造,適用于對調(diào)制速度要求不高的片上傳感等領(lǐng)域。載流子耗盡型調(diào)制結(jié)構(gòu)依賴多數(shù)載流子的注入,它的調(diào)制速度快,多采用馬赫-曾德爾型波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并使用行波電極作為驅(qū)動電極,多應(yīng)用于需要高速調(diào)制的領(lǐng)域。與前兩種結(jié)構(gòu)相比,載流子積累型也有較高的調(diào)制速度,但需要氧化物來充當(dāng)電容,增加了工藝難度,現(xiàn)階段應(yīng)用范圍較窄。
本期我們針對硅光調(diào)制器的幾種常見的光學(xué)結(jié)構(gòu),如微環(huán)諧振腔、馬赫-曾德爾干涉儀、慢光諧振腔以及邁克爾遜干涉儀等,簡單闡述這些結(jié)構(gòu)的基本原理、調(diào)制機制、優(yōu)缺點、性能參數(shù)和應(yīng)用范圍。

硅基光電調(diào)制器的常見光學(xué)結(jié)構(gòu)

1. 微環(huán)諧振腔:

1)?結(jié)構(gòu)概述

微環(huán)諧振器(Micro-Ring Resonator, MRR)作為典型的光學(xué)諧振器件,具有良好的波長選擇性、腔內(nèi)增強特性以及高品質(zhì)因數(shù),因此廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感、光學(xué)濾波、激光器、調(diào)制器等領(lǐng)域。隨著微納加工工藝的發(fā)展,已經(jīng)實現(xiàn)了半徑為1.5μm的微環(huán)。對于激光器、調(diào)制器等有源器件而言,小的微環(huán)尺寸可實現(xiàn)小的驅(qū)動電流、高的調(diào)制頻率。

2)?基本原理
如圖1所示,典型的MRR結(jié)構(gòu)由直波導(dǎo)和閉合環(huán)形波導(dǎo)兩部組成,光從輸入波導(dǎo)的輸入端進入,傳播至微環(huán)處一部分光以倏逝波的方式耦合到環(huán)形波導(dǎo)中,另一部分光從直通段輸出。耦合進入環(huán)形波導(dǎo)的光在傳播一周改變的相位正好等于2π的整數(shù)倍,與新耦合進入微環(huán)的光滿足相干條件,兩者相互干涉產(chǎn)生諧振增強效應(yīng)。滿足公式:

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該公式稱為微環(huán)的諧振條件公式,其中,R為微環(huán)半徑;neff為微環(huán)中光的有效折射率;λ為諧振波長;m表示諧振級次(取整數(shù))。滿足諧振條件的光留在環(huán)形波導(dǎo)中,而不滿足的光會從輸出波導(dǎo)耦合輸出。

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圖1:微環(huán)諧振器腔的基本結(jié)構(gòu)
將微環(huán)諧振條件公式變形可得:
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從公式可以看出,諧振波長λ與波導(dǎo)的有效折射率neff成正比,利用電光效應(yīng)改變微環(huán)有效折射率neff,相應(yīng)的諧振波長就會發(fā)生偏移,實現(xiàn)電光調(diào)制。因此只需要微小的折射率改變就可以導(dǎo)致顯著的諧振峰偏移,適合高速光調(diào)制領(lǐng)域。


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圖2:微環(huán)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖
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圖3:在Lumerical CHARGE中進行電學(xué)仿真


如圖2、3為一個一個基于p-i-n結(jié)的硅基微環(huán)電光調(diào)制器,微環(huán)部分由p-i-n脊形波導(dǎo)構(gòu)成,中間部分由本征硅作為波導(dǎo),兩邊分別為p型和n型重?fù)诫s區(qū)域,通過載流子注入機制實現(xiàn)電壓對載流子濃度的調(diào)制。

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圖4:不同偏置電壓下,諧振峰發(fā)生偏移
從圖4可以看到,施加不同偏置電壓后,諧振峰發(fā)生了偏移,因此給器件加不同電壓時,某一固定波長處的透射率發(fā)生改變,從而實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。
3)?優(yōu)缺點
微環(huán)結(jié)構(gòu)的引入給硅基電光調(diào)制器的性能帶來顯著改善。①由于微環(huán)調(diào)制器的尺寸很小,可以集成在高密度的光子芯片上。②由于微環(huán)諧振腔的高Q值,微環(huán)調(diào)制器可以在較低功率下工作,有助于降低整體功耗。③能夠?qū)崿F(xiàn)高速調(diào)制,適用于高速光通信系統(tǒng)。
微環(huán)結(jié)構(gòu)的不足之處在于:①受限于諧振條件,微環(huán)調(diào)制器的調(diào)制帶寬相對較小,對波長漂移非常敏感,不適用于寬帶應(yīng)用。②微環(huán)調(diào)制器對溫度變化非常敏感,溫度的波動可能導(dǎo)致共振波長的漂移,從而影響調(diào)制性能。需要額外設(shè)計補償機制。目前提高器件性能的工作主要集中在電學(xué)性能方面,這限制了光電子器件各方面性能的提高主要問題。需要新型光學(xué)結(jié)構(gòu)(如多環(huán)級聯(lián))與新的調(diào)制機制的來為微環(huán)調(diào)制器的發(fā)展注入新的血液。
4)?應(yīng)用案例


Ansys Lumerical中的應(yīng)用案例為Ring Modulator.

(相關(guān)鏈接為:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042322794-Ring-Modulator)

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圖5:硅基環(huán)形調(diào)制器的設(shè)計流程
2. 馬赫-曾德爾型干涉儀
1)?結(jié)構(gòu)概述
馬赫-曾德爾型調(diào)制器(Mach-Zehnder modulator, MZM)是利用相位調(diào)制實現(xiàn)強度調(diào)制的器件,廣泛應(yīng)用于鈮酸鋰電光調(diào)制器、硅基電光調(diào)制器等各類調(diào)制器件與光開關(guān)器件。典型的MZM結(jié)構(gòu)如下圖所示,分別由輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、一個3 dB分束器、兩個調(diào)制臂和一個3 dB合束器組成,兩條調(diào)制臂通常為對稱結(jié)構(gòu)、也有非對稱的情況。圖中的兩條調(diào)制臂為采用了載流子注入型、載流子耗盡型或者載流子積累型的硅波導(dǎo)。

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圖6:馬赫-曾德爾型調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)
2)?基本原理
當(dāng)入射光從輸入端輸入,經(jīng)過一個Y分支結(jié)構(gòu)的3 dB分束器后,被分成功率相等的兩束光,并分別進入兩個調(diào)制臂中。由于兩條調(diào)制臂是對稱的,在無外加電壓的情況下,兩束光的相位相同,在合束器匯合時無相位差。根據(jù)干涉理論,兩束光的相位差為零時,干涉相長,此時從輸出端輸出的光強最大,光信號可看作是“1”信號,當(dāng)對其中的一臂施加外加電壓進行調(diào)制時,該臂的有效折射率發(fā)生變化,兩束光的相位發(fā)生改變,我們將兩束光的相位分別記為φ1(經(jīng)過調(diào)制的)和φ2
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其中,β1、β1以及neff1、neff2分別表示光在兩臂中的相位傳播常數(shù)以及波導(dǎo)的有效折射率,λ為入射光的波長,當(dāng)兩束光在合束器匯合時,存在相位差,進行干涉后,光強不是最大值,若相位差為π,則干涉相消,在輸出端無光信號,此時可視為“0”信號。
3)?驅(qū)動電極
MZM的長度通常為幾個mm,根據(jù)微波傳輸線理論,當(dāng)器件的長度大于工作波長的十分之一時,集總電極不再適用,而需要采用行波電極。MZM的行波電極通常采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu),即把信號電極,其中的一個地電極與PN結(jié)相連。影響行波MZM的帶寬主要因素由:①微波傳輸損耗;②微波-光速匹配條件;③阻抗匹配條件。
4)?優(yōu)缺點
MZM具有較寬的調(diào)制帶寬,適用于寬帶光通信系統(tǒng),可以調(diào)制不同波長的信號,且其調(diào)制速率較快,適用于需要高速光調(diào)制的應(yīng)用常見。但MZM往往需要較高的驅(qū)動電壓,導(dǎo)致功耗較高;此外MZM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,不利于高密度集成的光子電路。
5)?應(yīng)用案例


馬赫-曾德爾調(diào)制器在Ansys Lumerical中的應(yīng)用案例為Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator。

(相關(guān)鏈接:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator)

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圖7:行波馬赫-曾德爾調(diào)制的設(shè)計流程


總結(jié)

以上是對硅基電光調(diào)制器的兩種典型光學(xué)結(jié)構(gòu),微環(huán)結(jié)構(gòu)合馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)調(diào)制器的簡單總結(jié),并給出了Ansys lumerical 中的相關(guān)案例,感興趣的讀者可以點擊上方對應(yīng)鏈接,觀看案例介紹并下載案例進行學(xué)習(xí)和研究。

文中如果有任何錯誤和不嚴(yán)謹(jǐn)之處,還望大家不吝指出,歡迎大家留言討論。下期將繼續(xù)介紹硅基光電調(diào)制器的其他幾種光學(xué)結(jié)構(gòu),歡迎大家持續(xù)關(guān)注公眾號的更新

參考文獻:

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[3] 周治平.硅基光電子學(xué)[M].科學(xué)出版社,2021.

[4] 牛超群, 龐雅青, 劉智, 等. 中紅外硅基調(diào)制器研究進展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.

[5] 夏鵬輝. 高速硅光調(diào)制器及其集成芯片研究[D]. 浙江大學(xué), 2023.


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