前面兩期我們分別介紹了電光調制中常用的物理效應和常見的幾種調制結構，其中包括了載流子注入型、載流子耗盡型以及載流子積累型在內的三中常見的調制結構，并簡單總結了三種結構的調制機制、調制過程、所需的電極結構、以及優缺點和適用范圍。

對于載流子注入型調制結構而言，它的調制效率高，使用結構簡單的集總電極，工藝簡單利于制造，適用于對調制速度要求不高的片上傳感等領域。載流子耗盡型調制結構依賴多數載流子的注入，它的調制速度快，多采用馬赫-曾德爾型波導結構，并使用行波電極作為驅動電極，多應用于需要高速調制的領域。與前兩種結構相比，載流子積累型也有較高的調制速度，但需要氧化物來充當電容，增加了工藝難度，現階段應用范圍較窄。

本期我們針對硅光調制器的幾種常見的光學結構，如微環諧振腔、馬赫-曾德爾干涉儀、慢光諧振腔以及邁克爾遜干涉儀等，簡單闡述這些結構的基本原理、調制機制、優缺點、性能參數和應用范圍。

等硅基光電調制器的常見光學結構

1. 微環諧振腔：

1) 結構概述：

微環諧振器（Micro-Ring Resonator, MRR）作為典型的光學諧振器件，具有良好的波長選擇性、腔內增強特性以及高品質因數，因此廣泛應用于光學傳感、光學濾波、激光器、調制器等領域。隨著微納加工工藝的發展，已經實現了半徑為1.5μm的微環。對于激光器、調制器等有源器件而言，小的微環尺寸可實現小的驅動電流、高的調制頻率。

2)基本原理：

如圖1所示，典型的MRR結構由直波導和閉合環形波導兩部組成，光從輸入波導的輸入端進入，傳播至微環處一部分光以倏逝波的方式耦合到環形波導中，另一部分光從直通段輸出。耦合進入環形波導的光在傳播一周改變的相位正好等于2π的整數倍，與新耦合進入微環的光滿足相干條件，兩者相互干涉產生諧振增強效應。滿足公式：

該公式稱為微環的諧振條件公式，其中，R為微環半徑；neff為微環中光的有效折射率；λ為諧振波長；m表示諧振級次（取整數）。滿足諧振條件的光留在環形波導中，而不滿足的光會從輸出波導耦合輸出。

圖1：微環諧振器腔的基本結構

將微環諧振條件公式變形可得：

從公式可以看出，諧振波長λ與波導的有效折射率 成正比，利用電光效應改變微環有效折射率  ，相應的諧振波長就會發生偏移，實現電光調制。因此只需要微小的折射率改變就可以導致顯著的諧振峰偏移，適合高速光調制領域。

圖2：微環調制器結構示意圖

圖3：在Lumerical CHARGE中進行電學仿真

如圖2、3為一個一個基于p-i-n結的硅基微環電光調制器，微環部分由p-i-n脊形波導構成，中間部分由本征硅作為波導，兩邊分別為p型和n型重摻雜區域，通過載流子注入機制實現電壓對載流子濃度的調制。

圖4：不同偏置電壓下，諧振峰發生偏移

從圖4可以看到，施加不同偏置電壓后，諧振峰發生了偏移，因此給器件加不同電壓時，某一固定波長處的透射率發生改變，從而實現電信號到光信號的轉換。

3)優缺點：

微環結構的引入給硅基電光調制器的性能帶來顯著改善。①由于微環調制器的尺寸很小，可以集成在高密度的光子芯片上。②由于微環諧振腔的高Q值，微環調制器可以在較低功率下工作，有助于降低整體功耗。③能夠實現高速調制，適用于高速光通信系統。

微環結構的不足之處在于：①受限于諧振條件，微環調制器的調制帶寬相對較小，對波長漂移非常敏感，不適用于寬帶應用。②微環調制器對溫度變化非常敏感，溫度的波動可能導致共振波長的漂移，從而影響調制性能。需要額外設計補償機制。目前提高器件性能的工作主要集中在電學性能方面，這限制了光電子器件各方面性能的提高主要問題。需要新型光學結構（如多環級聯）與新的調制機制的來為微環調制器的發展注入新的血液。

4)應用案例：

Ansys Lumerical中的應用案例為Ring Modulator.

(相關鏈接為：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042322794-Ring-Modulator)

圖5：硅基環形調制器的設計流程

2. 馬赫-曾德爾型干涉儀

1)結構概述：

馬赫-曾德爾型調制器(Mach-Zehnder modulator, MZM)是利用相位調制實現強度調制的器件，廣泛應用于鈮酸鋰電光調制器、硅基電光調制器等各類調制器件與光開關器件。典型的MZM結構如下圖所示，分別由輸入波導、輸出波導、一個3 dB分束器、兩個調制臂和一個3 dB合束器組成，兩條調制臂通常為對稱結構、也有非對稱的情況。圖中的兩條調制臂為采用了載流子注入型、載流子耗盡型或者載流子積累型的硅波導。

圖6：馬赫-曾德爾型調制器的基本結構

2)基本原理：

當入射光從輸入端輸入，經過一個Y分支結構的3 dB分束器后，被分成功率相等的兩束光，并分別進入兩個調制臂中。由于兩條調制臂是對稱的，在無外加電壓的情況下，兩束光的相位相同，在合束器匯合時無相位差。根據干涉理論，兩束光的相位差為零時，干涉相長，此時從輸出端輸出的光強最大，光信號可看作是“1”信號，當對其中的一臂施加外加電壓進行調制時，該臂的有效折射率發生變化，兩束光的相位發生改變，我們將兩束光的相位分別記為φ1（經過調制的）和φ2：

其中，β1、β1以及  、  分別表示光在兩臂中的相位傳播常數以及波導的有效折射率，λ為入射光的波長，當兩束光在合束器匯合時，存在相位差，進行干涉后，光強不是最大值，若相位差為π，則干涉相消，在輸出端無光信號，此時可視為“0”信號。

3)驅動電極：

MZM的長度通常為幾個mm，根據微波傳輸線理論，當器件的長度大于工作波長的十分之一時，集總電極不再適用，而需要采用行波電極。MZM的行波電極通常采用共面波導結構，即把信號電極，其中的一個地電極與PN結相連。影響行波MZM的帶寬主要因素由：①微波傳輸損耗；②微波-光速匹配條件；③阻抗匹配條件。

4)優缺點：

MZM具有較寬的調制帶寬，適用于寬帶光通信系統，可以調制不同波長的信號，且其調制速率較快，適用于需要高速光調制的應用常見。但MZM往往需要較高的驅動電壓，導致功耗較高；此外MZM的結構復雜，尺寸較大，不利于高密度集成的光子電路。

5)應用案例：

馬赫-曾德爾調制器在Ansys Lumerical中的應用案例為Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator。

(相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator)

圖7：行波馬赫-曾德爾調制的設計流程

總結

以上是對硅基電光調制器的兩種典型光學結構，微環結構合馬赫-曾德爾結構調制器的簡單總結，并給出了Ansys lumerical 中的相關案例，感興趣的讀者可以點擊上方對應鏈接，觀看案例介紹并下載案例進行學習和研究。

文中如果有任何錯誤和不嚴謹之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言討論。下期將繼續介紹硅基光電調制器的其他幾種光學結構，歡迎大家持續關注摩爾芯創的更新。

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[1] Rahim A, Hermans A, Wohlfeil B, et al. Taking silicon photonics modulators to a higher performance level: state-of-the-art and a review of new technologies[J]. Advanced Photonics, 2021, 3(2): 024003-024003.

[2] Kim Y, Han J H, Ahn D, et al. Heterogeneously-integrated optical phase shifters for next-generation modulators and switches on a silicon photonics platform: A review[J]. Micromachines, 2021, 12(6): 625.

[3] 周治平.硅基光電子學[M].科學出版社,2021.

[4] 牛超群, 龐雅青, 劉智, 等. 中紅外硅基調制器研究進展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.

[5] 夏鵬輝. 高速硅光調制器及其集成芯片研究[D]. 浙江大學, 2023.