電光調制
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
電光調制的實例教程
電光調制器，一種通過外部手段改變材料折射率的光電子器件，常用于電信號與光信號轉換過程。現實當中電光調制器種類繁多，諸如鈮酸鋰基的電光調制器、硅基的電光調制器、基于等離子共振色散的電光調制器等等。然而，這些調制器原理不一樣，這造就了分析調制器的原理和方法不能放之四海而皆準，必然是針對具體問題要采用特定的方法和技巧。考慮到硅基電光調制器的成熟工藝，下文將展現仿真硅基電光調制的整個流程。后面若有機會再分享鈮酸鋰基電光調制器和基于等離子共振色散的電光調制器。
在這里，硅基調制器的幾何結構以發表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。具體參數如下圖所示：
其中，不同區域的載流子濃度如下表格所示：
P
81e17/cm3
P+
21e18/cm3
P++
1e19/cm3
N
41e17/cm3
N+
21e18/cm3
N++
1e19/cm3
接下來，我們使用Charge模塊分析電壓驅動下硅材料的復數折射率的變化。
展開 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。
展開 摘要
具有高調制效率和寬帶寬的電光（EO）馬赫-曾德爾調制器（MZM）對大容量光通信系統至關重要。迄今為止，薄膜鈮酸鋰（TFLN）MZM因其卓越的電光帶寬和緊湊性而成為極具前景的解決方案。然而，受限于電場與光場的限制效率不足而導致的低調制效率，集成TFLN MZM的長度仍然長達數毫米至數厘米。這一缺陷既阻礙了其在并行或復用領域的大規模集成，也妨礙了其與緊湊電子元件進行經濟且高效地集成。
本研究通過將亞波長等離子體槽波導與TFLN平臺融合，突破光學衍射極限形成強場限制，從而增強電光重疊和光—物質相互作用，成功攻克了該難題。在僅15微米的超短長度下，實現了0.070 V cm的創紀錄調制效率。該等離子體TFLN MZM展現出超過110 GHz的3dB電光帶寬，可傳輸110 Gbaud二進制相移鍵控信號，其比特誤碼率低至2.5×10??。本文展示的等離子體TFLN MZM提供了一種極具前景的解決方案，可應用于未來光互連、光計算及光傳感功能所需的超高速、大規模光子集成系統。
1.引言
電光調制器是光電信息系統中的關鍵組件之一，用于將電信號編碼到光載波上。在眾多結構中，馬赫-曾德爾調制器（MZM）憑借其在推挽結構中實現線性振幅調制與無頻移數據編碼的卓越能力，已成為光通信、模擬光子學及光子計算領域廣泛應用的核心器件。
過去數十年間，隨著制造技術與應用場景的快速發展，MZM已在多種材料平臺上實現。體鈮酸鋰（LN）MZM作為商用長途光纖通信系統中電光調制器的主流選擇，其優勢源于Pockels效應賦予的固有線性電光特性、高光學透過率及長期可靠性。然而體材料的固有特性限制了器件尺寸微型化，進而阻礙電光帶寬提升。
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在這個示例中，我們基于Mercante等人的工作[1]模擬了一種薄膜鈮酸鋰（LNOI）相位調制器。通過利用引入的各向異性介電常數特性，我們在CHARGE中計算了由射頻引發的電容電場（E場）。然后，這些電場用于通過Pockels效應在電信波長下計算鈮酸鋰中的電光折射率擾動。接著，我們在FEEM中計算了擾動的LN波導的光學模式，以及TE基模的電壓相關相位調制性能，包括損耗和VπL。
概述
背景
光收發器將電信號轉換為光信號。所有的計算都始于電子領域，然后通過將信號從電信號轉換為光信號，我們可以提升更多的通道，擁有更大的帶寬，這可以在長距離傳輸中顯著減小信號衰減。這些器件在互聯網的長距離傳輸中起著至關重要的作用，以滿足流量和延遲需求的日益增長。我們可以將光收發器及光電探測器視作連接到互聯網超級高速公路的出口和入口。
這些器件通常采用Mach-Zehnder干涉結構，其中載波被分到兩個傳輸通道，并在輸出處重新耦合。通過施加有數據信息的電信號來改變兩個臂中的光的相位，將導致在輸出處出現相干性。Mach-Zehnder干涉結構通常用作非常敏感的光學儀器，但在這種情況下，光的相位被有意地調制，因此此類器件通常被稱為Mach-Zehnder調制器（MZM）。當前，已經使用了多種材料平臺和物理效應來實現這種功能。在這個示例中，我們關注鈮酸鋰中的Pockel效應。
大多數用于相位調制的物理機制都比較弱，導致器件整體需要非常大的尺寸。另一方面，一些特殊材料可能會導致傳輸損耗較大，或者難以與其它光學和電子集成。鈮酸鋰具有較大的吸收帶寬和明顯的各向異性，因此可以實現低損耗和高調制效率。傳統的晶體鈮酸鋰已經得到廣泛的應用，但是晶體鈮酸鋰的制備方法無法制備高折射率差的光波導。
展開 光學調制的原理與分類
從技術實現的角度來看，集成光調制器按照調制方式的不同可分為，直接（內部）調制器件和外部調制器件。
直接調制器件是將射頻信號（或稱調制信號）與驅動電流耦合，直接驅動光源進行電光調制（示意圖如下），典型的例子為具有泵浦電流調制功能的常用半導體激光二極管，可以在高達30 GHz以及更高的頻率下工作。優點為結構簡單、易于實現，技術較為成熟，缺點為調制頻率易受到限制，且輸出光信號的頻率也會隨注入電流變化出現啁啾現象，因此不適用于高速率以及長距離的通信場景。
圖1：直接調制器件原理圖
外部調制器件也稱為間接調制一方面可以通過改變材料對光的吸收，改變光信號的強度，進而達到調制光信號的目的，另一方面可以利用外加各種形式的能量使材料折射率發生變化，引起光信號強度發生變化。因此外部調制器件也可分為電吸收型和折射率改變型，根據能量形式的不同，折射率改變型又可分為：電光調制、熱光調制、聲光調制以及磁光調制。
圖2：外部調制器件原理圖
電光調制中常用的物理效應
(一)泡克耳斯效應：折射率實部變化引起相位調制
1.泡克耳斯效應（Pockels effect）是電光效應的一種，由于其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度， 因此又稱作線性電光效應。此外，還有二階非線性電光效應—克爾效應，其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度的平方。
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引言
采用集總電極結構的一般電光調制器面臨著這樣的局限：器件的帶寬受RC常數限制，而更高的運行速度需要更短的器件長度，這同樣受到RC-lump的限制。采用行波電極結構具有顯著優勢，可消除集總電極設計帶來的限制。本節介紹了采用行波電極結構的調制器并對其進行了表征。為了仿真載流子的分布，使用CHARGE模塊對電荷和靜電勢進行自洽仿真。
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。
上一期我們介紹了光學調制的基本概念并總結了電光調制中常用的物理效應，對于硅材料而言，主要的電光效應包括克爾效應、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應、量子限制斯塔克（QCSE）效應和等離子體色散（PD）效應等，但體硅材料中克爾效應和F-K效應都非常微弱，因此硅基高速電光調制一般都利用硅材料的等離子體色散效應來實現調制。
因此外部調制器件也可分為電吸收型和折射率改變型，根據能量形式的不同，折射率改變型又可分為：電光調制、熱光調制、聲光調制以及磁光調制。
在 PIC 中，電光調制器和光電探測器是實現這些轉換的基本光電元件。
隨著對帶寬、功效和靈敏度的需求不斷增長，需要尖端的仿真技術將器件模型與制造工藝及其完整的多物理場行為聯系起來。
體鈮酸鋰（LN）MZM作為商用長途光纖通信系統中電光調制器的主流選擇，其優勢源于Pockels效應賦予的固有線性電光特性、高光學透過率及長期可靠性。然而體材料的固有特性限制了器件尺寸微型化，進而阻礙電光帶寬提升。
芯片級電光（EO）調制器將信號從電域轉換至光域，是現代PIC的關鍵構建模塊。迄今已提出多種集成平臺與解決方案以實現高性能芯片級電光調制器，涵蓋硅基、聚合物、磷化銦、等離子體及其他EO材料（氮化鋁、鈦酸鋇、碳化硅、鋯鈦酸鉛）。
光調制器，負責電域到光域的高速、高保真信號轉換，是此類光通信系統中的關鍵組件。因此，調制器性能向更緊湊結構、更高速度及更優能耗方向的發展，成為推動光子技術進步的重要驅動力。過去十年間，薄膜鈮酸鋰（TFLN）憑借其強烈的線性電光效應、寬透明窗口以及優異的熱穩定性、化學穩定性和物理穩定性，已成為高性能電光調制器的理想材料平臺。
作為核心光子器件，電光調制器的性能直接決定了整個系統的傳輸能力。而在各類調制器中，行波電極的設計尤為關鍵，其本質是一個精密的高頻傳輸線結構。工程師們追求的目標是實現微波與光波相速的匹配，并盡可能降低傳輸損耗，以最大化調制器的3dB帶寬。
然而，行波電極的電磁特性分析充滿挑戰。
電光調制器，一種通過外部手段改變材料折射率的光電子器件，常用于電信號與光信號轉換過程。現實當中電光調制器種類繁多，諸如鈮酸鋰基的電光調制器、硅基的電光調制器、基于等離子共振色散的電光調制器等等。然而，這些調制器原理不一樣，這造就了分析調制器的原理和方法不能放之四海而皆準，必然是針對具體問題要采用特定的方法和技巧。考慮到硅基電光調制器的成熟工藝，下文將展現仿真硅基電光調制的整個流程。
