隨著人們對通信系統(tǒng)要求的日益提高，5G與6G技術蓬勃發(fā)展，光通信越來越占據不可取代的地位。為了進一步提高信號的傳輸效率，人們將光子與電子相互融合，實現優(yōu)勢互補，微波光子學便運應而生。微波光子系統(tǒng)中電到光的轉換就需要用到電光調制器，這一關鍵步驟通常決定著整個系統(tǒng)的性能。

　　由于射頻信號向光學域的轉換是模擬信號過程，而普通的電光調制器存在固有的非線性，所以轉換過程中存在較為嚴重的信號失真，為了實現近似線性調制,通常將調制器的工作點固定在正交偏置點處，但仍不能滿足微波光子鏈路對調制器線性度的要求，人們迫切需要高線性度的電光調制器。

　　隨著集成光子學與半導體加工工藝的發(fā)展，各式各樣的電光調制器線性化成果被相繼報道，本文重點關注光學域線性化方法，對電光調制器的線性化研究進展進行了綜述，揭示了該領域所面臨的挑戰(zhàn)，并展望了利用薄膜鈮酸鋰電光調制器實現高線性化調制的發(fā)展趨勢與前景。

　　關鍵技術進展

　　1、MZM調制產生非線性失真原理

　　馬赫-曾德爾電光調制器(MZM)的調制曲線呈余弦函數形式分布，信號在正交偏置點之外失真明顯。以雙音信號調制為例，雙音信號的頻率為ω1和ω2.輸出光信號除了所需的基頻信號ω1與ω2之外，還包含各種諧波信號與交調信號，將MZM的工作點設在正交偏置點處可以消除所有偶次項諧波，但其中三階交調分量2ω1-ω2與2ω2-ω1距離基頻較近，難以通過濾波的方式去除，是調制產生非線性失真的主要原因，提高MZM線性度主要關注于消除三階交調分量。

　　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，使其相互抵消。具體操作為通過偏振片調整光的TE模和TM模功率的相對分量，使其對偶相互抵消，即可消除IMD3.為了進一步加強對TE與TM的控制，空軍工程大學Zhu等人在雙偏振器法的基礎上使用馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)并聯(lián)的方法，通過偏振分束器分開不同偏振態(tài)的光，分別單獨對TE與TM光進行調控，根據TE與TM光的電光調制比，設置兩個偏振器的角度來消除三階項，如圖1(a)~(c)所示。

　　2016年南京航空航天大學Zhu等人通過將偏置點控制和射頻功率分配方法結合，設計了偏振分復用雙并行MZI調制器，調整偏置點相位與射頻分配，同時很好地抑制了二階與三階交調項，如圖1(c)~(d)所示。

　　圖1 雙偏振法。(a)~(b)雙偏振并聯(lián)MZM調制器與SFDR測試結果;(c)~(d) 基于偏振復用的雙并聯(lián) MZI調制器與SFDR測試結果

　　（2)MZI串/并聯(lián)法

　　MZI串/并聯(lián)法的基本思想是用一個MZI來補償另一個MZI帶來的三階失真，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動兩個MZM的射頻信號幅度，使上下MZM 產生的IMD3符號相反，大小相等，從而使兩個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，也是通過調整兩個MZM的射頻功率分配比、直流偏置點等來消除三階交調。串聯(lián)調制器需要對輸入端口處的偏置電壓以及射頻信號的振幅和相位進行精確調整，調制器對溫度比較敏感，因此需要額外的電路來控制偏置電壓和穩(wěn)定溫度。

　　MZI串/并聯(lián)方法在時間上早于微環(huán)輔助法，其缺點是：1)需要嚴格控制制造公差;2)光損耗較高;3)由于使用多個調制器單元導致成本較高，并且補償方法比較復雜。

　　（3)微環(huán)輔助MZM法(RAMZM)

　　微環(huán)調制器的調制曲線呈洛倫茲線型分布，在整個調制區(qū)間中沒有較寬的線性區(qū)域，MZM調制器調制曲線呈余弦型分布，遠離正交偏置點處線性度下降。微環(huán)的相位響應與MZM的余弦調制響應呈現一個相反的趨勢，微環(huán)的相位響應的三階非線性與MZM的三階非線性相互抵消，可以達到一種超線性響應，從而展寬MZM的線性調制區(qū)域，提高系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。

　　紐約城市大學Dingel等人提出了一種具有高SFDR(130 dB)的高線性電光調制器的理論分析模型，該調制器(IMPACC)基于MZM結構，由相位調制器(PM)和微環(huán)諧振器(RR)特殊組合而成，如圖2(a)所示。它提供了一個完整的微環(huán)輔助MZM理論模型，而且可以通過調整功率分配比等外部參數，對制作誤差導致微環(huán)耦合系數失配的問題進行補償，以實現自適應SFDR效果。但此研究主要關注于理論，實驗部分討論較少。

　　2013年，康奈爾大學的Cardenas等人實驗演示了雙微環(huán)輔助MZI調制器，通過優(yōu)化兩個臂與微環(huán)之間的耦合系數，實現了當時硅基電光調制器創(chuàng)紀錄的SFDR值(1 GHz時106 dB·Hz2/3.10 GHz時99 dB·Hz2/3)，如圖2(b)~(c)所示。

　　為減小工藝誤差對微環(huán)耦合的影響，2016年上海交通大學的周林杰課題組設計了一種可調諧的微環(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嵌套子MZM來代替，通過電極、相移器和光衰減器來調節(jié)MZI與微環(huán)的耦合系數、透射率，有利于消除工藝容差帶來的影響。

　　圖2 微環(huán)+MZM法。(a)IMPACC配置結構(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顯微圖與測試SFDR結果;(d)~(e)硅基可重構RAMZM示意圖與測試SFDR結果

　　（4)薄膜鈮酸鋰高線性度電光調制器

　　硅材料的高速折射率調制通常是通過自由載流子等離子體色散(FCD)效應實現的。FCD效應和PN結調制都是非線性的，從而使得硅調制器的線性度較鈮酸鋰調制器低。鈮酸鋰材料具有普克爾效應，因此能夠表現出優(yōu)異的電光調制特性。同時鈮酸鋰材料具有帶寬大、調制特性好、損耗低、易于集成化以及與半導體工藝兼容等優(yōu)點，利用薄膜鈮酸鋰制作高性能電光調制器，相比于硅基幾乎沒有“短板"，而且還能實現高線性度，絕緣體上薄膜鈮酸鋰(LNOI)電光調制器已成為十分具有應用潛力的發(fā)展方向。

　　2019年，中山大學的蔡鑫倫課題組基于硅和鈮酸鋰混合集成平臺，實現了一種硅/鈮酸鋰混合集成MZM，如圖3所示，該調制器具有低損耗、低驅動電壓、大帶寬、高線性度、結構緊湊、制造成本低的特點，其帶寬大于70 GHz，在未經線性化處理下，射頻信號為1 GHz時SFDR為99.6 dB·Hz2/3.

　　圖3 硅/鈮酸鋰混合MZM。(a)結構示意圖;(b)波導橫截面示意圖;(c)~(d)LN波導橫截面金屬電極SEM圖像;(e)~(f)垂直耦合器示意圖與橫截面SEM圖像

　　總結與展望

　　隨著集成光學與片上集成光電器件的不斷發(fā)展，光學域線性化方法逐漸成為熱點，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，相關報道層出不窮。

　　然而在電光調制器線性化處理中經常需要使調制器的射頻功率分配比、光偏振功率分配比或者工作點保持穩(wěn)定，但調制器在工作過程中產生的溫度漂移與靜電漂移會對其線性度的穩(wěn)定性產生影響。目前，有關漂移對調制器線性度穩(wěn)定性的研究相對較少。

　　硅基電光調制器現階段依舊在市場中占主導地位，以薄膜鈮酸鋰為基礎的電光調制器理論上有著超越硅的帶寬，調制速率與線性度，但其加工工藝尚未成熟，生產周期長，優(yōu)化加工工藝是薄膜鈮酸鋰器件走向實用的前提。華中科技大學武漢光電國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，研制出封裝后帶寬>70 GHz的電光調制器芯片，以及單片集成的雙偏振相干調制器，實現了單載波凈速率1.6 Tbps的相干傳輸。隨著LNOI技術的日益成熟，采用線性效應更好的材料以及更高效的工藝，很有希望實現高線性度片上集成電光調制器。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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