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硅光调制器的带宽极限

2022-06-13 光学小豆芽 阅读:
前段时间,有位读者在后台留言询问,硅光调制器的带宽极限是多少。小豆芽这里整理下相关的文献,供大家参考。高速硅光调制器主要采用载流子耗尽型(载流子耗尽型硅基调制器)的相移器,其工作时为反偏的PN结,由于

前段时间,有位读者在后台留言询问,硅光调制器的带宽极限是多少。小豆芽这里整理下相关的文献,供大家参考。dbJednc

高速硅光调制器主要采用载流子耗尽型(载流子耗尽型硅基调制器)的相移器,其工作时为反偏的PN结,由于其调制效率较低,对于Mach-Zehnder型调制器,相移器的典型长度2-3mm, 因此需要采用行波电极(traveling-wave electrode)来优化EO带宽,行波电极的设计主要优化三个方面: 1)RF信号的插损,2)RF信号与光信号的群速度匹配,3) RF信号的阻抗匹配。小豆芽检索到的两篇相关文献,分别实现了47GHz60GHz的EO带宽。文献1和文献2都采用T型慢波TW电极,如下图所示,dbJednc

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(图片来自文献1)dbJednc

两者采用的PN结结构也非常类似,MZM上下两臂的PN结串联在一起,采用push-pull的驱动方式。中间区域的p++/n++施加直流的bias偏压。dbJednc

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(图片来自文献1和文献2)dbJednc

两个研究组后续都实现了单通道200Gbps的PAM4信号传输。dbJednc

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为了解决较长的TW电极带来的带宽限制,加拿大Laval研究组提出了分段TW电极的方式,将行波电极调制器的EO带宽提高到67GHz。其调制器设计如下图所示,包含三小段相移器,每一段相移器都有相应的行波电极。dbJednc

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(图片来自文献3)dbJednc

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北京大学研究组借助于Bragg光栅的慢光效应,提高了调制效率,相移器长度只有124um,其EO带宽达到110GHz以上,调制器结构如下图所示,dbJednc

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(图片来自文献4)dbJednc

对于微环调制器,可以通过借助peaking效应提升EO带宽,Intel在OFC 2022报道了其最新的微环调制器设计,其3dB EO带宽为62GHz,如下图所示,并首次实现了基于微环调制器的240Gbps PAM4信号传输。dbJednc

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(图片来自文献5)dbJednc

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以上是对高速硅光调制器的简单整理,简单来说,目前硅基电光调制器的EO带宽可以达到60GHz以上,实现200Gbps以上的PAM4信号传输。但是进一步提高其EO带宽,会存在一些困难。可以借助于一些特殊的光学结构,例如Bragg光栅型的慢光调制器,也可以借助于薄膜铌酸锂材料(LNOI)和BTO材料(BaTiO3)。dbJednc

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出,欢迎大家留言讨论。dbJednc

参考文献:dbJednc

  1.  D. Patel, et.al., "Design, analysis, and transmission system performance of a 41 GHz silicon photonic modulator", Opt. Exp. 23,014263(2015)dbJednc

  2. H. Zhang, et.al., "800 Gbit/s transmission over 1 km single-mode fiber using a four-channel silicon photonic transmitter", Photonics Research 8,1776(2020)dbJednc

  3. A. Mohammadi, et.al., "Segmented Silicon Photonic Modulator with a 67GHz Bandwidth for High Speed Signaling", OFC 2022dbJednc

  4. C. Han, et.al., "Ultra-compact silicon modulator with 110 GHz bandwidth", OFC 2022dbJednc

  5. M. Sakib, et.al, "A 240 Gb/s PAM4 Silicon Micro-Ring Optical Modulator", OFC 2022dbJednc

责编:Admin
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