论文部分内容阅读
受光通信与光互连、集成微波光子学等应用领域的驱动,基于绝缘体上硅（silicon-on-insulator,SOI）的光子集成回路（photonics integrated circuit,PIC）可以克服传统铜互连的电子延迟瓶颈,提供大带宽、高速率、低功耗、低延时的光学解决方案。硅光子平台的特点是和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）工艺兼容,在批量制造、降低成本方面具有非常大的优势。而且硅光子平台可以利用CMOS的先进封装工艺,实现紧凑、低功耗、大带宽密度的光电子集成芯片。作为硅基光子集成回路的核心器件之一,电光调制器的功能是把外部电信号调制到光信号上,以便在光域进行传输和处理。高调制效率、低插入损耗、大带宽的硅基调制器是实现大容量、低功耗和大动态范围的光子集成回路的关键。因此,本文针对硅基行波马赫-曾德尔调制器的效率、损耗、速度之间的折中关系,从物理机制、理论仿真、工艺制备等方面开展了高效、高线性、高速硅基调制器的研究。在此基础上,围绕硅基电光调制器在微波光子、光通信与光互连两个热门领域的应用,研制了高边带抑制比的光单边带调制集成芯片以及高能效、大容量的四级脉冲幅度调制（4-level pulse amplitude modulation,PAM4）光发射集成芯片。本文的主要研究内容和创新点包含以下几个方面:（1）提出了基于直流克尔（direct current Kerr,DC Kerr）效应的慢光调制器,克服了传统硅基行波马赫-曾德尔调制器在插入损耗、调制效率和调制带宽等方面的瓶颈,实现了高效、高速、高线性的调制器。通过把反向偏置的PIN结嵌入一维波导光栅,利用慢光效应增强DC Kerr效应,将调制效率从2.25 V·cm提升到0.58 V·cm。相比传统的慢光调制器,所研制的器件具备更好的线性度。在1 GHz射频（radio frequency,RF）双音信号的调制下,三阶交调失真对应的无杂散动态范围从104 d B·Hz2/3提升到了115 d B·Hz2/3。针对慢光调制器的微波-光波速度失配问题,提出了RF慢波电极驱动慢光波导移相器的速度匹配结构,将行波电极的微波折射率从3.7提升到7.1,解决了因速度失配导致的带宽恶化问题,使调制带宽达到67 GHz,并最终实现了100 Gbit/s以上速率的不归零码（non-return-to-zero,NRZ）信号调制。（2）提出了集成RF分支线耦合器的光单边带调制芯片以及实现高边带抑制比的光域调控技术,解决了RF分支线耦合器的输出功率非一致性、相位非正交性以及硅基调制器的有限消光比特性所引起的光单边带信号质量恶化问题,实现了高边带抑制比的全载波和载波抑制光单边带调制。其中,硅基并联调制器的调制效率约为1.75 V·cm,带宽约为48.7 GHz,消光比大于30 d B;分支线耦合器的最佳工作频率为21 GHz,此时输出RF信号的幅度相等,相位相差90°。通过理论计算和实验证明,尽管分支线耦合器在功率平衡和相位正交性方面的性能在更宽的频率范围内恶化,但通过调节并联调制器的光功率分配比和相关偏置相位,以在光域上补偿RF信号的失谐问题,该集成芯片仍然可以实现高边带抑制比的调制效果。当芯片工作在全载波光单边带的模式时,在15～30 GHz的频率范围内,不期望的边带被完全抑制在本底噪声以下。当芯片工作在载波抑制光单边带的模式时,在21 GHz RF信号的调制下,边带抑制比大于35 d B,载波抑制比为42 d B。（3）设计并制备了一种基于以太网波分复用网格（local area network wavelength division multiplexing,LAN-WDM）的8通道硅基PAM4光发射芯片。该发射机芯片集成了8个行波马赫-曾德尔调制器、8个功率监测光电探测器、1个8通道波分复用器和12个端面耦合器,具备集成度高、容量大、能效高的特点。单元器件的性能如下:端面耦合器的插入损耗约为2 d B/facet;调制器的半波电压为8.8V、调制带宽为60 GHz、插入损耗为3 d B;光电探测器的响应度大于0.9 A/W;复用器采用级联马赫曾德尔干涉仪结构,其波长间隔为4.4 nm;加热电极的热光调谐效率为18.4 m W/π。封装后的芯片整体插入损耗为14～16 d B。单通道106Gbit/s PAM4光眼图的TDECQ（transmitter dispersion eye closure quaternary）为1.37d B,外部消光比为6.52 d B。针对高速信号调制和传输过程中线性损伤和非线性损伤,采用级联神经网络和最大似然序列估计的数字信号处理算法,有效地降低了信号在系统传输中的误码率。进一步证明了170 Gbit/s NRZ和250 Gbit/s PAM4的背靠背传输,两者的误码率都低于20%的软判决前向纠错阈值（2E-2）。对于发射机的所有8个通道,实验还展示了2 Tbit/s PAM4信号的1 km单模光纤传输以及1.6 Tbit/s PAM4信号的10 km单模光纤传输。该发射机消耗的总功耗约为～361m W,对应1.6 Tbit/s PAM4的能效为226 f J/bit,达到了国内外的领先水平。