隨著人們對(duì)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(lái)越占據(jù)不可取代的地位。為了進(jìn)一步提高信號(hào)的傳輸效率，人們將光子與電子相互融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，微波光子學(xué)便運(yùn)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(gè)系統(tǒng)的性能。

　　由于射頻信號(hào)向光學(xué)域的轉(zhuǎn)換是模擬信號(hào)過(guò)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(guò)程中存在較為嚴(yán)重的信號(hào)失真，為了實(shí)現(xiàn)近似線性調(diào)制,通常將調(diào)制器的工作點(diǎn)固定在正交偏置點(diǎn)處，但仍不能滿足微波光子鏈路對(duì)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(xué)與半導(dǎo)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(bào)道，本文重點(diǎn)關(guān)注光學(xué)域線性化方法，對(duì)電光調(diào)制器的線性化研究進(jìn)展進(jìn)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(shí)現(xiàn)高線性化調(diào)制的發(fā)展趨勢(shì)與前景。

　　關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(hào)在正交偏置點(diǎn)之外失真明顯。以雙音信號(hào)調(diào)制為例，雙音信號(hào)的頻率為ω1和ω2.輸出光信號(hào)除了所需的基頻信號(hào)ω1與ω2之外，還包含各種諧波信號(hào)與交調(diào)信號(hào)，將MZM的工作點(diǎn)設(shè)在正交偏置點(diǎn)處可以消除所有偶次項(xiàng)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(guò)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M(jìn)ZM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(xiàng)，使其相互抵消。具體操作為通過(guò)偏振片調(diào)整光的TE模和TM模功率的相對(duì)分量，使其對(duì)偶相互抵消，即可消除IMD3.為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)TE與TM的控制，空軍工程大學(xué)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(guò)偏振分束器分開不同偏振態(tài)的光，分別單獨(dú)對(duì)TE與TM光進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)TE與TM光的電光調(diào)制比，設(shè)置兩個(gè)偏振器的角度來(lái)消除三階項(xiàng)，如圖1(a)~(c)所示。

　　2016年南京航空航天大學(xué)Zhu等人通過(guò)將偏置點(diǎn)控制和射頻功率分配方法結(jié)合，設(shè)計(jì)了偏振分復(fù)用雙并行MZI調(diào)制器，調(diào)整偏置點(diǎn)相位與射頻分配，同時(shí)很好地抑制了二階與三階交調(diào)項(xiàng)，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(cè)試結(jié)果;(c)~(d) 基于偏振復(fù)用的雙并聯(lián) MZI調(diào)制器與SFDR測(cè)試結(jié)果

　　（2)MZI串/并聯(lián)法

　　MZI串/并聯(lián)法的基本思想是用一個(gè)MZI來(lái)補(bǔ)償另一個(gè)MZI帶來(lái)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(dòng)兩個(gè)MZM的射頻信號(hào)幅度，使上下MZM 產(chǎn)生的IMD3符號(hào)相反，大小相等，從而使兩個(gè)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(guò)調(diào)整兩個(gè)MZM的射頻功率分配比、直流偏置點(diǎn)等來(lái)消除三階交調(diào)。串聯(lián)調(diào)制器需要對(duì)輸入端口處的偏置電壓以及射頻信號(hào)的振幅和相位進(jìn)行精確調(diào)整，調(diào)制器對(duì)溫度比較敏感，因此需要額外的電路來(lái)控制偏置電壓和穩(wěn)定溫度。

　　MZI串/并聯(lián)方法在時(shí)間上早于微環(huán)輔助法，其缺點(diǎn)是：1)需要嚴(yán)格控制制造公差;2)光損耗較高;3)由于使用多個(gè)調(diào)制器單元導(dǎo)致成本較高，并且補(bǔ)償方法比較復(fù)雜。

　　（3)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(gè)調(diào)制區(qū)間中沒(méi)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(yuǎn)離正交偏置點(diǎn)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(gè)相反的趨勢(shì)，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(dá)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。

　　紐約城市大學(xué)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(gè)完整的微環(huán)輔助MZM理論模型，而且可以通過(guò)調(diào)整功率分配比等外部參數(shù)，對(duì)制作誤差導(dǎo)致微環(huán)耦合系數(shù)失配的問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)SFDR效果。但此研究主要關(guān)注于理論，實(shí)驗(yàn)部分討論較少。

　　2013年，康奈爾大學(xué)的Cardenas等人實(shí)驗(yàn)演示了雙微環(huán)輔助MZI調(diào)制器，通過(guò)優(yōu)化兩個(gè)臂與微環(huán)之間的耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)硅基電光調(diào)制器創(chuàng)紀(jì)錄的SFDR值(1 GHz時(shí)106 dB·Hz2/3.10 GHz時(shí)99 dB·Hz2/3)，如圖2(b)~(c)所示。

　　為減小工藝誤差對(duì)微環(huán)耦合的影響，2016年上海交通大學(xué)的周林杰課題組設(shè)計(jì)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(gè)嵌套子MZM來(lái)代替，通過(guò)電極、相移器和光衰減器來(lái)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(lái)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(cè)試SFDR結(jié)果;(d)~(e)硅基可重構(gòu)RAMZM示意圖與測(cè)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(guò)自由載流子等離子體色散(FCD)效應(yīng)實(shí)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(shí)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(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，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(méi)有“短板"，而且還能實(shí)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(xué)的蔡鑫倫課題組基于硅和鈮酸鋰混合集成平臺(tái)，實(shí)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(dòng)電壓、大帶寬、高線性度、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低的特點(diǎn)，其帶寬大于70 GHz，在未經(jīng)線性化處理下，射頻信號(hào)為1 GHz時(shí)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(dǎo)橫截面示意圖;(c)~(d)LN波導(dǎo)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(xué)與片上集成光電器件的不斷發(fā)展，光學(xué)域線性化方法逐漸成為熱點(diǎn)，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(bào)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(diǎn)保持穩(wěn)定，但調(diào)制器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的溫度漂移與靜電漂移會(huì)對(duì)其線性度的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。目前，有關(guān)漂移對(duì)調(diào)制器線性度穩(wěn)定性的研究相對(duì)較少。

　　硅基電光調(diào)制器現(xiàn)階段依舊在市場(chǎng)中占主導(dǎo)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(zhǎng)，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(xué)武漢光電國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)高線性度片上集成電光調(diào)制器。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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