戚　偉,邵海峰,余　輝,江曉清

（1.浙江大學(xué)城市學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310015；2.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江杭州 310027）

基于側(cè)向PN結(jié)和交趾型PN結(jié)的硅基Mach-Zehnder調(diào)制器的二階諧波失真特性

戚偉1,2*,邵海峰2,余輝2,江曉清2

（1.浙江大學(xué)城市學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310015；2.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江杭州 310027）

高線性度的電光調(diào)制器是構(gòu)建微波光子鏈路的核心器件。硅光子調(diào)制器利用PN結(jié)的載流子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微波信號對光波的調(diào)制，基于不同結(jié)構(gòu)PN結(jié)的調(diào)制器有不同的非線性特性。本文采用二階無雜散動(dòng)態(tài)范圍表征二階諧波失真度，實(shí)驗(yàn)研究了采用側(cè)向PN結(jié)和交趾型PN結(jié)所構(gòu)成的Mach-Zehnder（MZ）調(diào)制器的二階諧波失真特性?；趥?cè)向PN結(jié)和交趾型PN結(jié)的MZ調(diào)制器的二階無雜散動(dòng)態(tài)范圍為分別為85.11 dB·Hz1/2、78.44 dB·Hz1/2，表明基于側(cè)向PN結(jié)的MZ調(diào)制器具有更好的線性度。

微波光子鏈路；硅基高速調(diào)制器；二階諧波失真；二階無雜散動(dòng)態(tài)范圍

TN256

A

10.3788/fgxb20163706.0758

1 引 言

微波光子鏈路將微波與光波融合，已經(jīng)在寬帶無線通信、衛(wèi)星通信、高清電視、太赫茲技術(shù)和相控陣?yán)走_(dá)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)的主要功能為：微波/毫米波信號的產(chǎn)生、傳輸及處理［1］。其中光載無線通信是微波光子系統(tǒng)最重要的應(yīng)用之一［2］。將無線信號通過電光調(diào)制器調(diào)制到光波上并通過光纖傳輸，最后經(jīng)過光電探測器將無線信號通過天線發(fā)出，可以利用光纖的超低損耗、抗電磁干擾等特性實(shí)現(xiàn)對無線信號的有效分布，降低基站的復(fù)雜度。近年來，硅基光子系統(tǒng)由于其低成本、兼容CMOS工藝等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算機(jī)等短距光互聯(lián)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［3］。如能充分利用硅光子技術(shù)優(yōu)勢，將有助于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本微波光子鏈路的芯片集成，對未來微波光子學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

微波光子鏈路輸出的無線信號質(zhì)量受到鏈路中光學(xué)器件的制約，其中電光調(diào)制器的非線性會(huì)造成輸出的無線信號產(chǎn)生新的頻率分量，稱為諧波失真及互調(diào)失真［4］，使通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。硅基調(diào)制器利用PN結(jié)內(nèi)載流子耗盡效應(yīng)［5］實(shí)現(xiàn)無線射頻信號對光波的調(diào)制。由于PN結(jié)電容對偏置電壓的非線性依賴關(guān)系，硅基調(diào)制器線性度不僅受調(diào)制曲線非線性的影響，還受PN結(jié)的非線性影響。與其他電光調(diào)制器如鈮酸鋰調(diào)制器相比，硅基調(diào)制器的非線性失真的成因更加復(fù)雜，消除也更加困難。目前針對硅基Mach-Zehnder（MZ）調(diào)制器［6-7］、微環(huán)調(diào)制器［8-9］以及微環(huán)輔助MZ調(diào)制器［10-11］的線性度優(yōu)化已經(jīng)見諸報(bào)道。一般說來，調(diào)制曲線的非線性——如硅基MZ調(diào)制器的cos/sin型調(diào)制曲線和硅基微環(huán)調(diào)制器的洛倫茲調(diào)制曲線是固定并且有章可循的，而PN結(jié)所引入的非線性受到具體摻雜濃度、摻雜圖形、工藝條件等共同影響，往往無法預(yù)先確定。

為了比較不同PN結(jié)結(jié)構(gòu)對調(diào)制器線性度的影響，本文選用了基載流子耗盡型調(diào)制器設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的兩種PN結(jié)結(jié)構(gòu)——側(cè)向（Lateral）PN結(jié)和交趾型（Interdigitated）PN結(jié)分別實(shí)驗(yàn)了兩種調(diào)制器。無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）被用來表征微波光子鏈路的噪聲和高階諧波失真程度，優(yōu)化微波光子鏈路的SFDR性能使之滿足商業(yè)需求一直以來是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界努力的方向［12-18］。為比較使用兩種結(jié)構(gòu)PN結(jié)的調(diào)制器的二次諧波失真特性，本文采用二階無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR2）來表征二階諧波失真程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為設(shè)計(jì)高線性度的微波光子調(diào)制器提供參考。

圖1　兩種摻雜結(jié)構(gòu)的PN結(jié)的3D圖和俯視圖。（a）交趾型PN結(jié)；（b）側(cè)向PN結(jié)。陰影區(qū)為脊波導(dǎo)的標(biāo)記。Fig.1 Schematic 3D diagrams and top views of the two doping patterns.（a）Interdigitated PN junction.（b）Lateral PN junction.Shaded areas in top views mark positions of rib waveguides.

2 器件結(jié)構(gòu)

2.1PN結(jié)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，側(cè)向（Lateral）PN結(jié)和交趾型（Interdigitated）PN結(jié)是最常用的兩種PN結(jié)結(jié)構(gòu)。在交趾型PN結(jié)中P區(qū)和N區(qū)在光傳輸方向上互相交叉，而側(cè)向PN結(jié)中P區(qū)和N區(qū)平行分置于脊波導(dǎo)兩邊。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，載流子耗盡區(qū)面積增大，耗盡區(qū)內(nèi)載流子濃度減小。根據(jù)載流子色散效應(yīng)，載流子濃度的變化會(huì)改變波導(dǎo)的有效折射率。脊波導(dǎo)的寬度和高度分別設(shè)計(jì)為500 nm和220 nm，為了與耦合光柵的工藝統(tǒng)一［19］，脊波導(dǎo)的刻蝕深度為淺刻蝕70 nm。P區(qū)和N區(qū)具有相同的摻雜濃度，脊波導(dǎo)PN結(jié)的摻雜濃度為1×1018/cm3，與脊波導(dǎo)邊緣相距1 μm為歐姆接觸區(qū)，摻雜濃度為1×1020/cm3。

2.2非對稱Mach-Zehnder調(diào)制器

圖2（a）為非對稱MZ調(diào)制器的結(jié)構(gòu)圖，非對稱的兩相移臂之間的長度差為40 μm。不同波長經(jīng)過兩相移臂會(huì)產(chǎn)生不同的相位差，因此可以通過改變波長來設(shè)定偏置點(diǎn)。兩個(gè)低損耗的1×2多模干涉器（MMI）作為光波的合束與分束器，為了平衡損耗，MZM的兩個(gè)相移臂都包含PN結(jié)。無線射頻信號通過電極加載到調(diào)制器上改變波導(dǎo)的有效折射率，從而實(shí)現(xiàn)對光波的調(diào)制。圖2（b）為側(cè)向PN結(jié)的橫截面圖，交趾型PN結(jié)采用同樣的波導(dǎo)幾何尺寸和摻雜濃度，只是PN結(jié)形狀不同于側(cè)向PN結(jié)。

圖2?。╝）非對稱MZ調(diào)制器；（b）側(cè)向PN結(jié)橫截面示意圖。Fig.2 （a）Asymmetric Mach-Zehnder modulator.（b）Cross section of lateral PN junction.

3 數(shù)學(xué)模型

MZ調(diào)制器的轉(zhuǎn)移方程記為：

其中Iout為調(diào)制器的輸出功率，Iin為調(diào)制器的輸入功率，漬（v）為所加載信號引起的相位變化。PN結(jié)非線性導(dǎo)致了相移臂中相位變化與所加電壓成非線性關(guān)系，可表示成多項(xiàng)式的關(guān)系：

其中系數(shù)a表示直流分量，系數(shù)b表征線性變化，而c、d表示非線性變化，如鈮酸鋰調(diào)制器的調(diào)制機(jī)理為線性電光效應(yīng)，那么c=d=0，但是對于硅基調(diào)制器來說c、d不為0。假設(shè)無線射頻信號表示為v=v0cos（棕t），由于調(diào)制器非線性的影響，探測器輸出信號將存在很多新的頻率分量。根據(jù)泰勒級數(shù)展開，基頻分量（IFUNDA）、二階諧波分量（SHD）及三階諧波分量（THD）的功率表示為：

將公式（1）、（2）代入（3）～（5）中得：

公式（6）～（8）是PN結(jié)非線性和調(diào)制曲線非線性共同作用的結(jié)果。KSHD為二階諧波功率，表征二階非線性失真；KTHD為三階諧波功率，表征三階非線性失真。當(dāng)調(diào)制器的調(diào)制機(jī)理為線性電光效應(yīng)（c=d=0）時(shí)，調(diào)制器只受調(diào)制曲線的非線性影響。當(dāng)工作于π/2工作點(diǎn)（a=π/2）時(shí)，KTHD、IFUNDA值達(dá)到最大，而KSHD的值為0最小；當(dāng)工作于0、π工作點(diǎn)時(shí)，KSHD的值達(dá)到最大，而IFUNDA和KTHD的值為0。對于一般的微波光子鏈路來說，我們希望IFUNDA最大，而KSHD、KTHD盡可能地小，通過調(diào)節(jié)偏置點(diǎn)在π/2，可以使KSHD為0，而IFUNDA最大，但是KTHD也達(dá)到最大值，因此應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和結(jié)果

4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為調(diào)制器二階諧波失真特性測量的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖。通過測量探測器輸出端的基頻信號功率和二階諧波功率，可推算出二階無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR2）這一分量，其定義為當(dāng)二階諧波功率位于基底噪聲時(shí)，基頻信號功率與噪聲功率的比值，比值越大表示調(diào)制器的線性度越高。最后根據(jù)SFDR2數(shù)值可比較基于兩種PN結(jié)的MZ調(diào)制器的非線性程度。

可調(diào)激光器發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器和硅波導(dǎo)耦合光柵導(dǎo)入到非對稱MZ調(diào)制器中，分別對基于兩種PN結(jié)的非對稱MZ調(diào)制器進(jìn)行測試；頻率為4 GHz的射頻信號通過集總電極加載到非對稱MZ調(diào)制器上，對光波進(jìn)行調(diào)制，兩種非對稱MZ調(diào)制器的PN結(jié)長度均為1 mm。MZ調(diào)制器輸出光的1%通過光功率計(jì)進(jìn)行功率檢測，不同波長的光將產(chǎn)生不同的相位差，進(jìn)而可以檢測到不同的功率。通過監(jiān)測該功率可設(shè)置調(diào)制器偏置點(diǎn)。99%的光通過帶有光電探測器的頻譜分析儀，對基頻信號功率和二階諧波功率進(jìn)行測量。

圖3　測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。TL：可調(diào)激光器。PC：偏振控制器。PM：光功率計(jì)。PD：光電探測器。ESA：頻譜分析儀。Fig.3 Schematic diagram of measurement system.TL：Tunable laser.PC：Polarization controller.PM：Power meter.PD：Photodetector.ESA：Electrical spectrum analyzer.

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4為側(cè)向PN結(jié)非對稱MZ調(diào)制器二階諧波失真特性的測試結(jié)果。圖4（a）為基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨光波長，即調(diào)制器偏置點(diǎn)的變化關(guān)系。由前面分析可得，若調(diào)制器的調(diào)制機(jī)理為線性電光效應(yīng)，那么當(dāng)偏置點(diǎn)在0或π

相位時(shí)，即光功率最高或最低時(shí)，基頻信號功率最低而二階諧波功率最高。圖4（a）中基頻信號功率最低值和二階諧波功率最高值所在的位置與光功率最高或最低位置點(diǎn)存在偏差，這是由于側(cè)向PN結(jié)的非線性造成的。同樣，當(dāng)偏置點(diǎn)為π/2時(shí)（對應(yīng)于光功率下降3 dB的波長位置處），若為線性電光效應(yīng)，此處基頻信號功率最高而二階諧波功率最低。實(shí)測結(jié)果依然與此存在偏差，整體右移。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明側(cè)向PN結(jié)的非線性對調(diào)制器的線性度有顯著的影響。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算調(diào)制器的SFDR2同樣可說明側(cè)向PN非線性的影響。圖4（b）給出了SFDR2和光功率隨偏置點(diǎn)的變化關(guān)系。根據(jù)線性電光效應(yīng)的理論可知，當(dāng)光功率為最高或最低時(shí)（偏置點(diǎn)為0或π），SFDR2最??；當(dāng)功率從最大值下降3 dB時(shí)（偏置點(diǎn)π/2），SFDR2最大。然而在圖4（b）反映出，由于PN結(jié)非線性的影響，SFDR2的最小值所處波長相較于光功率的最小和最大值所處波長存在右向偏移，SFDR2的最大值所處波長也相較于光功率衰減3 dB所處的波長存在右向偏移，但基本與線性電光效應(yīng)的分析結(jié)果有相同的趨勢，最大的二階SFDR2為85.11 dB·Hz1/2。

圖4?。╝）側(cè)向PN結(jié)的基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨波長的變化關(guān)系；（b）調(diào)制器輸出光功率和SFDR2隨波長的變化關(guān)系。Fig.4 （a）Power of fundamental，SHD，MZ modulator's output as a function of wavelength for lateral PN junction.（b）Power of MZ modulator's output and SFDR2versus wavelength.

圖5 （a）交趾型PN結(jié)的基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨波長的變化關(guān)系；（b）調(diào)制器輸出光功率和SFDR2隨波長的變化關(guān)系。Fig.5 （a）Power of fundamental，SHD，MZ modulator's output as a function of wavelength for interdigitated PN junction.（b）Power of MZ modulator's output and SFDR2versus wavelength.

圖5為交趾型PN結(jié)非對稱MZ調(diào)制器二階諧波失真特性的測試結(jié)果。圖5（a）為基頻、二階諧波及調(diào)制器輸出光功率隨光波長的變化關(guān)系。當(dāng)偏置為0相位即光功率最大值時(shí)，基頻信號功率達(dá)到最低值，與線性電光效應(yīng)的理論結(jié)果基本相符。但是功率為最大值時(shí)，二階諧波功率本應(yīng)為最高，然而圖5（a）所示的二階諧波功率接近最低值，這表明交趾型PN結(jié)要比側(cè)向PN結(jié)有更強(qiáng)的非線性，導(dǎo)致二階諧波功率完全與線性電光效應(yīng)的理論分析結(jié)果相反。這也可以從圖5（b）交趾型PN結(jié)調(diào)制器的SFDR2的測試結(jié)果看出，最大的SFDR2僅為78.44 dB·Hz1/2，遠(yuǎn)小于側(cè)向PN結(jié)調(diào)制器的85.11 dB·Hz1/2，表明交趾型PN結(jié)要比側(cè)向PN結(jié)擁有更強(qiáng)的非線性。

文獻(xiàn)［20］已對兩種PN結(jié)在性能上做了比較全面的總結(jié)，盡管其針對數(shù)字調(diào)制應(yīng)用，但是依然可以從側(cè)面解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。文獻(xiàn)［21］的交趾型PN結(jié)擁有更高的調(diào)制效率，達(dá)到0.62 V· cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于側(cè)向PN結(jié)的調(diào)制效率，這是由于交趾型PN結(jié)有更高的電容，而電容恰恰決定了PN結(jié)的非線性程度，這也驗(yàn)證了本文的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交趾型PN結(jié)比側(cè)向PN結(jié)有更強(qiáng)的非線性，應(yīng)用于微波光子鏈路，需要鏈路有更好的線性度，可以選擇基于側(cè)向PN結(jié)的MZ調(diào)制器實(shí)現(xiàn)無線射頻信號對光波的調(diào)制。

5 結(jié) 論

構(gòu)建了基于兩種PN結(jié)——側(cè)向PN結(jié)和交趾型PN結(jié)的非對稱MZ調(diào)制器，并通過實(shí)驗(yàn)對兩種調(diào)制器進(jìn)行了二階諧波失真測試。實(shí)驗(yàn)中基于交趾型PN結(jié)MZ調(diào)制器的SFDR2為78.44 dB· Hz1/2，而基于側(cè)向PN結(jié)MZ調(diào)制器的SFDR2為85.11 dB·Hz1/2，表明交趾型PN結(jié)有更強(qiáng)的非線性。對于光載無線通信系統(tǒng)應(yīng)用，需要整個(gè)微波光子鏈路有較高的線性度，采用基于側(cè)向PN結(jié)的調(diào)制器可以得到更好的效果。

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戚偉（1984-），男，河南新蔡人，博士，副教授，2009年于浙江大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事集成光電子器件方面的研究。

E-mail：qiw@zucc.edu.cn

Second Harmonic Distortion Comparison of Mach-Zehnder Silicon Modulators Based on Lateral and Interdigitated PN Junctions

QI Wei1，2*，SHAO Hai-feng2，YU Hui2，JIANG Xiao-qing2
（1.School of Information and Electrical Engineering，Zhejiang University City College，Hangzhou 310015，China；2.College of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）
*Corresponding Author，E-mail：qiw@zucc.edu.cn

Electro-optic modulators with high linearity are core devices of microwave photonic link. The modulation mechanism of the silicon optical modulator is based on the carrier dispersion effect which is nonlinear and its nonlinearity is highly related to the structure of PN junction.In this paper，the second-order spurious-free dynamic range（SFDR2）is introduced to characterize the second harmonic distortion（SHD）of modulators.The SHD of silicon optical Mach-Zehnder modulator（MZM）based on two most widely used doping patterns，i.e.，the lateral and the interdigitated PN junctions are compared with each other.The experimental results show that the lateral PN junction and interdigitated PN junction based MZMs have SFDR2of 85.11 dB·Hz1/2and 78.44 dB·Hz1/2，respectively.The lateral PN junction based MZM has a better linearity.

microwave photonic link；silicon-based high-speed optical modulator；second harmonic distortion；second-order spurious-free dynamic range

1000-7032（2016）06-0758-06

2016-01-25；

2016-03-10

國家自然科學(xué)基金（61307074）；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃（2014C33026）資助項(xiàng)目