IEEE SiPhotonics2025 | 双注入微环法诺调制器的高调制线性度

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引言

在模拟光通信中，包括微波光子学和射频光纤传输，电光（E/O）信号转换的线性度是一个关键性能指标。传统的微环调制器由于其洛伦兹传输曲线形状，常常存在非线性电光传输特性。本文探讨了一种创新方法：通过法诺共振可实现增强线性度的双注入硅微环调制器（MRM）。

无杂散动态范围（SFDR）是评估器件线性度的重要指标，它量化了在无互调失真（IMD）条件下可实现的最大动态范围。本文将研究如何通过控制两个注入通道之间的相位差以及精细调整工作波长，可以优化SFDR性能，使其超过商用调制器[1]。

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器件结构和工作原理

双注入微环调制器采用了一种独特的设计，连续波（cw）光被均匀分离并通过两个耦合波导注入微环。该器件结构使用imec iSiPP50G工艺制造，特点是具有两个耦合点的微环。

图1：可调双注入MRM的器件示意图，显示了波导结构、微环和用于相位控制的加热元件。

通过端口的电场可以用数学表达式表示为：

其中Φi1和Φi2是两个波导的输入相位，ΔΦ = Φi1 - Φi2。参数t1,2和κ1,2代表波导1和2的传输和耦合系数，而α和θ表示环行程功率损耗和相位变化。

该设计的一个关键创新是使用微加热器通过热光效应调整Φi2。这允许精确控制输出端口的光传输谱。当ΔΦ = mπ（其中m是整数）时，传输谱表现为洛伦兹共振响应。另外，当ΔΦ = (m/2)π（其中m = 1, 2, 3...）时，传输谱转变为法诺共振响应。这种可调特性对控制调制器的线性度性能至为重要。

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测量结果和讨论

制造的MRM半径为10 μm。来自连续波可调激光器的TE偏振光通过光栅耦合器耦合到调制器中。通过实验测量，该器件表现出2165的Q因子，8.552 nm的自由光谱范围，以及722 pm的半高全宽。

图2：双注入硅微环调制器的洛伦兹响应（下曲线）和法诺响应（上曲线）的测量光传输，显示了不同的共振特性。

光传输谱清晰地显示了洛伦兹和法诺响应之间的差异。通过调整微加热器来控制相位差（ΔΦ），传输可以在这两种不同的响应之间调整 - 当ΔΦ设置为0时为洛伦兹响应，当ΔΦ设置为1.5π时为法诺响应。

为了评估光调制的线性度，采用了双音微波调制方案。实验设置涉及在995 MHz和1005 MHz处结合两个等强度的RF信号。

图3：线性度表征的测试和测量设置，显示了测量SFDR性能的光学和电学路径。

调制器在-2V偏置下工作，偏置波长调整在光共振的蓝侧。输出光被光检测器转换为电信号，经放大后由RF频谱分析仪分析，该分析仪在1 GHz处的噪声底为-130 dBm/Hz。

图4：洛伦兹线型和法诺线型的基频和IMD信号解调RF功率与从共振偏移的波长的函数关系。

测量结果揭示了关于调制器行为的几个重要见解。随着偏移值的减小，由于传输函数斜率的增加，基频功率增加。同时，当波长调谐更接近共振时，IMD功率增加。一个有趣的观察是，法诺和洛伦兹共振在波长偏移约200-300 pm处均表现出IMD功率的局部最小值。值得注意的是，法诺响应的基频功率明显高于洛伦兹响应，这表明由于法诺共振的更陡的光传输函数，其转换效率更好。

在各种波长工作点下，系统地测量和比较了洛伦兹和法诺响应的SFDR和转换效率，如下表所示：

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SFDR比较表

结果表明，总体而言，法诺共振配置与洛伦兹响应相比，提供了更好的SFDR和转换效率。

为了建立基准比较，将双注入MRM与商用铌酸锂马赫-曾德尔调制器（MXAN-LN-40）进行了比较。MZM在最大光传输的一半（-3 dB）下运行，这提供了最线性的响应。

图5：在1 GHz下，铌酸锂MZM和工作在洛伦兹和法诺响应的双注入MRM的基频和IMD信号解调RF功率作为RF输入功率的函数。

比较结果显示，商用MZM在1 GHz时测得的SFDR为90.8 dB·Hz^2/3。相比之下，在最佳波长偏移条件下，双注入MRM的洛伦兹和法诺响应分别实现了93.77和98.61 dB·Hz^2/3的SFDR值。

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结论

本文展示了双注入微环法诺调制器在模拟光通信高线性度应用中的优越性能。通过控制两个注入通道之间的相位差并优化与共振的波长偏移，可以实现超过商用铌酸锂调制器的SFDR性能。

法诺共振响应提供了几个关键优势，用于高性能光调制。由于其更陡的光传输函数特性，它提供了增强的转换效率。当在优化的波长偏移点工作时，法诺配置与传统方法相比提供了改进的SFDR性能。此外，在特定偏移点，法诺响应表现出显著降低的互调失真，这对于在模拟光通信中保持信号保真度非常重要。

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