隨著人們對通信系統(tǒng)要求的日益提高，5G與6G技術(shù)蓬勃發(fā)展，光通信越來越占據(jù)不可取代的地位。為了進一步提高信號的傳輸效率，人們將光子與電子相互融合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，微波光子學便運應(yīng)而生。微波光子系統(tǒng)中電到光的轉(zhuǎn)換就需要用到電光調(diào)制器，這一關(guān)鍵步驟通常決定著整個系統(tǒng)的性能。

　　由于射頻信號向光學域的轉(zhuǎn)換是模擬信號過程，而普通的電光調(diào)制器存在固有的非線性，所以轉(zhuǎn)換過程中存在較為嚴重的信號失真，為了實現(xiàn)近似線性調(diào)制,通常將調(diào)制器的工作點固定在正交偏置點處，但仍不能滿足微波光子鏈路對調(diào)制器線性度的要求，人們迫切需要高線性度的電光調(diào)制器。

　　隨著集成光子學與半導體加工工藝的發(fā)展，各式各樣的電光調(diào)制器線性化成果被相繼報道，本文重點關(guān)注光學域線性化方法，對電光調(diào)制器的線性化研究進展進行了綜述，揭示了該領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)，并展望了利用薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器實現(xiàn)高線性化調(diào)制的發(fā)展趨勢與前景。

　　關(guān)鍵技術(shù)進展

　　1、MZM調(diào)制產(chǎn)生非線性失真原理

　　馬赫-曾德爾電光調(diào)制器(MZM)的調(diào)制曲線呈余弦函數(shù)形式分布，信號在正交偏置點之外失真明顯。以雙音信號調(diào)制為例，雙音信號的頻率為ω1和ω2.輸出光信號除了所需的基頻信號ω1與ω2之外，還包含各種諧波信號與交調(diào)信號，將MZM的工作點設(shè)在正交偏置點處可以消除所有偶次項諧波，但其中三階交調(diào)分量2ω1-ω2與2ω2-ω1距離基頻較近，難以通過濾波的方式去除，是調(diào)制產(chǎn)生非線性失真的主要原因，提高MZM線性度主要關(guān)注于消除三階交調(diào)分量。

　　2、光域線性化方法

　　（1)雙偏振法

　　雙偏振法的基本思想是控制TE與TM光的三階失真項，使其相互抵消。具體操作為通過偏振片調(diào)整光的TE模和TM模功率的相對分量，使其對偶相互抵消，即可消除IMD3.為了進一步加強對TE與TM的控制，空軍工程大學Zhu等人在雙偏振器法的基礎(chǔ)上使用馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)并聯(lián)的方法，通過偏振分束器分開不同偏振態(tài)的光，分別單獨對TE與TM光進行調(diào)控，根據(jù)TE與TM光的電光調(diào)制比，設(shè)置兩個偏振器的角度來消除三階項，如圖1(a)~(c)所示。

　　2016年南京航空航天大學Zhu等人通過將偏置點控制和射頻功率分配方法結(jié)合，設(shè)計了偏振分復用雙并行MZI調(diào)制器，調(diào)整偏置點相位與射頻分配，同時很好地抑制了二階與三階交調(diào)項，如圖1(c)~(d)所示。

　　圖1 雙偏振法。(a)~(b)雙偏振并聯(lián)MZM調(diào)制器與SFDR測試結(jié)果;(c)~(d) 基于偏振復用的雙并聯(lián) MZI調(diào)制器與SFDR測試結(jié)果

　?。?)MZI串/并聯(lián)法

　　MZI串/并聯(lián)法的基本思想是用一個MZI來補償另一個MZI帶來的三階失真，常用的連接方式有直接串聯(lián)和嵌套并聯(lián)兩種。

　　雙并聯(lián)MZM法的主要思想是控制驅(qū)動兩個MZM的射頻信號幅度，使上下MZM 產(chǎn)生的IMD3符號相反，大小相等，從而使兩個MZM引起的失真相互抵消，與微環(huán)輔助MZM相比，它具有更寬的光帶寬以及更高的制造和溫度容差。

　　MZM串聯(lián)法原理與并聯(lián)類似，也是通過調(diào)整兩個MZM的射頻功率分配比、直流偏置點等來消除三階交調(diào)。串聯(lián)調(diào)制器需要對輸入端口處的偏置電壓以及射頻信號的振幅和相位進行精確調(diào)整，調(diào)制器對溫度比較敏感，因此需要額外的電路來控制偏置電壓和穩(wěn)定溫度。

　　MZI串/并聯(lián)方法在時間上早于微環(huán)輔助法，其缺點是：1)需要嚴格控制制造公差;2)光損耗較高;3)由于使用多個調(diào)制器單元導致成本較高，并且補償方法比較復雜。

　?。?)微環(huán)輔助MZM法(RAMZM)

　　微環(huán)調(diào)制器的調(diào)制曲線呈洛倫茲線型分布，在整個調(diào)制區(qū)間中沒有較寬的線性區(qū)域，MZM調(diào)制器調(diào)制曲線呈余弦型分布，遠離正交偏置點處線性度下降。微環(huán)的相位響應(yīng)與MZM的余弦調(diào)制響應(yīng)呈現(xiàn)一個相反的趨勢，微環(huán)的相位響應(yīng)的三階非線性與MZM的三階非線性相互抵消，可以達到一種超線性響應(yīng)，從而展寬MZM的線性調(diào)制區(qū)域，提高系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。

　　紐約城市大學Dingel等人提出了一種具有高SFDR(130 dB)的高線性電光調(diào)制器的理論分析模型，該調(diào)制器(IMPACC)基于MZM結(jié)構(gòu)，由相位調(diào)制器(PM)和微環(huán)諧振器(RR)特殊組合而成，如圖2(a)所示。它提供了一個完整的微環(huán)輔助MZM理論模型，而且可以通過調(diào)整功率分配比等外部參數(shù)，對制作誤差導致微環(huán)耦合系數(shù)失配的問題進行補償，以實現(xiàn)自適應(yīng)SFDR效果。但此研究主要關(guān)注于理論，實驗部分討論較少。

　　2013年，康奈爾大學的Cardenas等人實驗演示了雙微環(huán)輔助MZI調(diào)制器，通過優(yōu)化兩個臂與微環(huán)之間的耦合系數(shù)，實現(xiàn)了當時硅基電光調(diào)制器創(chuàng)紀錄的SFDR值(1 GHz時106 dB·Hz2/3.10 GHz時99 dB·Hz2/3)，如圖2(b)~(c)所示。

　　為減小工藝誤差對微環(huán)耦合的影響，2016年上海交通大學的周林杰課題組設(shè)計了一種可調(diào)諧的微環(huán)輔助MZI器件，如圖2(d)~(e)所示。將MZI與微環(huán)之間的耦合部分用一個嵌套子MZM來代替，通過電極、相移器和光衰減器來調(diào)節(jié)MZI與微環(huán)的耦合系數(shù)、透射率，有利于消除工藝容差帶來的影響。

　　圖2 微環(huán)+MZM法。(a)IMPACC配置結(jié)構(gòu)(左到右：雙輸入MZM，MZM串/并聯(lián)，單RAMZM和雙RAMZM，IMPACC的兩種配置方式);(b)~(c)雙微環(huán)輔助MZM顯微圖與測試SFDR結(jié)果;(d)~(e)硅基可重構(gòu)RAMZM示意圖與測試SFDR結(jié)果

　　（4)薄膜鈮酸鋰高線性度電光調(diào)制器

　　硅材料的高速折射率調(diào)制通常是通過自由載流子等離子體色散(FCD)效應(yīng)實現(xiàn)的。FCD效應(yīng)和PN結(jié)調(diào)制都是非線性的，從而使得硅調(diào)制器的線性度較鈮酸鋰調(diào)制器低。鈮酸鋰材料具有普克爾效應(yīng)，因此能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的電光調(diào)制特性。同時鈮酸鋰材料具有帶寬大、調(diào)制特性好、損耗低、易于集成化以及與半導體工藝兼容等優(yōu)點，利用薄膜鈮酸鋰制作高性能電光調(diào)制器，相比于硅基幾乎沒有“短板”，而且還能實現(xiàn)高線性度，絕緣體上薄膜鈮酸鋰(LNOI)電光調(diào)制器已成為十分具有應(yīng)用潛力的發(fā)展方向。

　　2019年，中山大學的蔡鑫倫課題組基于硅和鈮酸鋰混合集成平臺，實現(xiàn)了一種硅/鈮酸鋰混合集成MZM，如圖3所示，該調(diào)制器具有低損耗、低驅(qū)動電壓、大帶寬、高線性度、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低的特點，其帶寬大于70 GHz，在未經(jīng)線性化處理下，射頻信號為1 GHz時SFDR為99.6 dB·Hz2/3.

　　圖3 硅/鈮酸鋰混合MZM。(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)波導橫截面示意圖;(c)~(d)LN波導橫截面金屬電極SEM圖像;(e)~(f)垂直耦合器示意圖與橫截面SEM圖像

　　總結(jié)與展望

　　隨著集成光學與片上集成光電器件的不斷發(fā)展，光學域線性化方法逐漸成為熱點，常用線性化方法為雙偏振法、MZM串/并聯(lián)法與微環(huán)輔助MZM法，各種方法之間可以相互混合使用，相關(guān)報道層出不窮。

　　然而在電光調(diào)制器線性化處理中經(jīng)常需要使調(diào)制器的射頻功率分配比、光偏振功率分配比或者工作點保持穩(wěn)定，但調(diào)制器在工作過程中產(chǎn)生的溫度漂移與靜電漂移會對其線性度的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。目前，有關(guān)漂移對調(diào)制器線性度穩(wěn)定性的研究相對較少。

　　硅基電光調(diào)制器現(xiàn)階段依舊在市場中占主導地位，以薄膜鈮酸鋰為基礎(chǔ)的電光調(diào)制器理論上有著超越硅的帶寬，調(diào)制速率與線性度，但其加工工藝尚未成熟，生產(chǎn)周期長，優(yōu)化加工工藝是薄膜鈮酸鋰器件走向?qū)嵱玫那疤帷ＨA中科技大學武漢光電國家研究中心夏金松教授課題組在薄膜鈮酸鋰光子集成方向開發(fā)了薄膜鈮酸鋰高精度流片工藝技術(shù)，研制出封裝后帶寬>70 GHz的電光調(diào)制器芯片，以及單片集成的雙偏振相干調(diào)制器，實現(xiàn)了單載波凈速率1.6 Tbps的相干傳輸。隨著LNOI技術(shù)的日益成熟，采用線性效應(yīng)更好的材料以及更高效的工藝，很有希望實現(xiàn)高線性度片上集成電光調(diào)制器。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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