硅基马赫曾德电光调制设计优化与实现

周林杰　周砚扬　陆梁军

摘要：对单端推挽驱动硅基调制器进行了优化设计和实验验证。为了获得较高的调制器性能，首先对PN结的结构参数和掺杂浓度进行了仿真优化，以提高调制效率并降低光传输损耗；其次，对行波电极的阻抗匹配、相位匹配和微波损耗予以了研究，重点分析了低掺杂平板区宽度、行波电极传输线宽度（TWE）和间距对调制性能的影响。在理论分析和仿真计算的基础上，对单端推挽驱动调制器进行了频谱测试、小信号响应测试和高速调制码型测试。调制器的片上插入损耗在7～9 dB，半波电压约为5 V。偏置电压为0 V时，优化后的调制器的带宽大于18 GHz，入射端反射系数低于-20 dB，行波电极具有较好的阻抗匹配。当反偏电压大于4 V时，调制器的带宽可增加到30 GHz以上，并且能实现56 Gbit/s的二进制强度（OOK）调制和40 Gbit/s的二进制相移键控（BPSK）调制。

关键词： 电光调制器；硅基光电子；高速收发模块；光电子器件

Abstract： In this paper， the design optimization and experimental demonstration of single-drive push-pull silicon electro-optic modulators are presented. In order to improve the modulation efficiency and lower the optical propagation loss， the PN junction profile and doping concentrations are firstly optimized. Next， the impedance match， phase match and microwave loss are studied， and in particular， the influence of low-doping slab width， travelling-wave electrode （TWE） width and spacing on the modulator performance are analyzed. Following the comprehensive theoretical analysis and numerical simulation， the modulator performance measurements， including the optical transmission spectrum upon single-drive push-pull tuning， small-signal microwave signal response， and high-speed digital signal modulation are consequently carried out. The on-chip insertion loss of the modulators is around 7-9 dB and the half-wave voltage is 5 V. At a bias voltage of 0 V， the optimized modulator has a modulation bandwidth of >18 GHz. The microwave reflectivity at the entrance of the TWE is less than -20 dB， suggesting good impedance match. When the reverse bias voltage is increased to 4 V， the modulation bandwidth can exceed 30 GHz， allowing for realization of 56 Gbit/s on-off keying （OOK） and 40 Gbit/s binary phase-shift keying （BPSK） modulations.

Key words： electro-optic modulator； silicon photonics； high-speed transceiver； optoelectronic devices

硅基电光调制器由于其综合性能出众，吸引了全球各高校、研究所和企业的持续关注。中科院半导体所、上海交通大学和北京大学[1-10]等是中国最早开展相关研究的科研机构，同时中兴通讯、武汉光迅等企业已经开展了硅基调制器的产品化工作，并取得了初步的成果。在其他国家，知名的研究机构和高校如美国的诺基亚贝尔实验室、康奈尔大学、加州大学圣芭芭拉分校、特拉华大学、加拿大的麦吉尔大学、多伦多大学、新加坡微电子研究所、英国萨里大学、南安普敦大学和比利时的根特大学等在硅基调制器方面也进行了多年研究，涵盖了调制器设计和集成，也在新材料的应用、工艺加工和新结构探索方面持续创新，推动硅基调制器的进步和实用化發展[11-23]。此外，美国的Intel、Cisco、Acacia和日本的Fujikura等公司均已推出了100 G的光模块，投放在光互连市场。随着今后光网络升级到400 G以及数据中心规模的进一步扩大，对硅基载流子耗尽型马赫曾德调制器（MZI）的进一步研究将主要集中在3个方面：（1）提高带宽同时减小功耗；（2）调制器、驱动电路和激光器的集成；（3）采用波分复用和高阶码型调制提高数据速率。

提高带宽和减小功耗主要通过优化行波电极和PN二极管结构来实现。加拿大麦吉尔大学所设计的硅基调制器[24]，行波电极不同于传统共面波导（CPW）和共面带状线（CPS）结构，它在两条传输线内侧面向波导方向引入“金属桥”，然后连接一块金属电极，构成T型结构，用于驱动PN二极管。此结构通过优化T型结构参数，可以提高调制性能。在PN二极管中影响调制效率的主要是耗尽层与光模式的交叠部分，波导两侧壁附近的掺杂区域除了带来光传输的损耗之外，并没有对调制效率的提高有太多有益的影响。通过对波导边缘区域进行补偿掺杂降低该区域的载流子浓度，可以有效减小光传输损耗[25]。提高调制效率也可以采用一种改进后的PN二极管结构[25]，此结构同时存在横向PN结和纵向PN结，形成L形耗尽区域。当施加反向电压后，整个波导的中心部分均为耗尽区域，因此实现了更高的调制效率。endprint

硅为间接带隙材料，不能直接用于制作激光器，目前主流的激光器与硅调制器集成方案为异质混合集成或在硅上外延生长III-V族材料。法国里昂大学的研究团队将布拉格光栅反射镜、激光器、波导模式转换器、移相器、MZI调制器和波导光纤耦合器集成在同一个芯片上[26]。法国Ⅲ-Ⅴ族实验室联合CEA-Leti、MINATEC、IMEC和Bell共同研发了调制器与激光器集成芯片，其中分布式布拉格光栅激光器的输出波长范围可以覆盖整个C波段，调制器的调制带宽在13 GHz以上，从而可以实现25 Gbit/s的调制速率[27]。另一种目前主流的集成方式是将电驱动芯片和硅光芯片混合集成在同一基板上。武汉邮电科学院实现了集成化硅光调制器[28]，将硅光调制器芯片与驱动芯片通过金线键合实现一体化封装，可以实现25 Gbit/s的调制速率。IBM的集成芯片也是将硅光调制器芯片和驱动芯片集成在同一个基板上[29]，该芯片的特点为调制器采用分段行波电极，每段电极均配有驱动电路，可以实现25 Gbit/s的二进制启闭键控（OOK）调制和46 Gbit/s的脉幅调制（PAM-4）调制。

采用波分复用和高阶码型调制可以获得更高速率调制。Luxtera公司研发的硅光集成波分复用光收发芯片[30]，集成了4路MZI调制器、4路波分复用与解复用模块、4路光探测模块和其他附属功能模块，每路可以产生10 Gbit/s的调制信号。诺基亚贝尔实验室研发了偏振复用QPSK光发射芯片[31]，正交相移键控（QPSK）信号由IQ调制器产生（一个MZI调制器产生I路信号，另一个平行MZI调制器产生Q路信号）。输入光分两路分别进入两组IQ调制器进行QPSK调制，其中一组由偏振旋转器将调制后的信号由准横电波模式（TE）旋转成准横磁波模式（TM），再和另一组TE合成构成PDM-QPSK调制器。每一路的IQ调制器可实现56 Gbit/s的QPSK调制，经过偏振复用就能达到112 Gbit/s的PDM-QPSK调制。之后，贝尔实验室在该工作的基础之上，通过两级QPSK的级联并与锗探测器集成研发出了224 Gbit/s的PDM-16-QAM光收发模块[32]。

1 高速电光调制器设计

硅基载流子色散型电光调制器的基本设计思路可以概括为如下几个步骤：首先是光学结构的设计，可以是简单直波导实现相位调制，或者是基于干涉或谐振结构实现强度调制；其次是载流子色散效应的电学结构实现，可以采用PN二极管或者金属氧化物半导体（MOS）电容；最后是高速电极设计，电极好坏直接关系到调制器的响应速度，需要精确设计电路结构。光学结构目前采用较多是微环谐振腔和马赫曾德干涉仪，在光学设计中波导的几何尺寸对器件的性能有着很大的影响：提高波导宽度可以有效减少波导侧壁粗糙度引起的光损耗，但波导太宽会导致高阶光波导模式出现，降低器件的性能；增加平板层厚度可以减小波导侧壁粗糙度对光传输的影响，同时提高单模波导宽度的上限，但由于一部分光泄露到波导两侧，会降低光调制效率。载流子色散效应根据电学实现方式可以归总为载流子注入、载流子耗尽和载流子积累[33]。在电学结构设计中，要着重考虑电学结构所能实现的调制效率以及对光传输损耗的影响，其中载流子浓度分布形状影响较大。电极设计可以采用集总电极或行波电极。集总电极较小，可以灵活布局于芯片上任意位置，设计时所需要考虑的因素是减小电容和电阻以提高带宽；而行波电极长度通常在毫米量级，在设计时需要考虑3方面因素：（1）减小微波传输损耗；（2）行波电极的特性阻抗需要匹配到50 Ω，满足与微波系统中标准的50 Ω端口兼容，减少反射损耗，确保行波电极上的有效驱动电压；（3）行波电极的有效折射率与光波群折射率相匹配，使微波信号和与光信号达到最强相互作用。将上述不同光学结构、电学结构和电极结构进行组合，就可以构成不同类型调制器。

1.1 单端推挽驱动调制器整体结构

如图1所示为单端推挽驱动硅基马赫曾德调制器结构示意图[34]。该调制器基于绝缘衬底上的硅（SOI）晶圆设计，光学部分采用的是非对称MZI结构，可以通过调节波长来选择调制器的偏置点。调制器的3 dB分路器和合路器采用多模干涉结构（MMI），MMI结构的特点是分光均匀损耗小。由截面图所示，MZI两臂的波导中均嵌入PN二极管，波导的外侧为P型掺杂，内侧为N型掺杂。MZI两臂外侧的平板层为高浓度的P型重掺杂区，用于连接行波电极保证良好欧姆接触。MZI两臂内侧平板区为高浓度的N型重掺杂区，一方面将两个PN二极管连接，另一方面连接直流偏置电极。行波电极使用的是共面微带线结构，两条传输线位于MZI外侧，分别为信号线（S）和接地线（G）。相比雙端差分驱动调制器，该调制器具有如下两个特点：

（1）行波电极的信号线通过P型电阻、PN结电容、N型电阻、PN结电容和P型电阻连接到行波电极的接地线。其中两个PN结电容串联，其电容值减小一半，可以有效降低行波电极的微波损耗。需要注意的是输入微波信号的幅度也相应需要增加一倍，因为微波信号被均分负载在两个PN结上。

（2）采用单端口微波输入，即可实现推挽驱动，减小了驱动电路复杂度，利于实现多个调制器的集成。假设微波信号驱动电压为Vpp*sin（wt），直流偏置电压为Vb，通过MZI中间N型重掺杂区加载到调制器上。当直流和微波信号同时施加在调制器时，一个调制臂PN结上的电压为 -Vb +Vpp/2*sin（wt），另外一个调制臂PN结上的电压为-Vb -Vpp/2*sin（wt）。由此可见，在一个驱动信号周期内，调制器形成以-Vb为偏置电压，在[-Vpp/2， -Vpp/2]范围内交替变化的完美推挽驱动。相比双端差分驱动调制器，该调制器仅用一个端口就可以实现推挽驱动，推挽信号由调制器电极自身结构产生，可以确保相位严格相差p，幅值相同。采用推挽驱动的调制器可以有效减小信号啁啾，提高长距离传输时的信号质量。endprint

1.2 驱动臂上PN结设计

MZI调制器驱动臂上PN结设计分成2个部分：第1部分为波导和PN结几何结构，第2部分为PN结掺杂浓度。重要的几何参数包括：波导宽度Wrib、波导高度Hrib、平板层高度Hslab、低浓度平板层宽度Sdop、N型重掺杂平板层宽度Wn和P型重掺杂平板区宽度Wp。我们采用硅光器件常规的脊型波导结构，即Hrib为220 nm，Wrib为500 nm。Hslab的增大将导致PN结串联电阻减小，有利于提高调制器带宽；但同时Hslab的增大会导致更多的光能量扩散到slab层中，减小了光场与PN结耗尽区的交叠积分，会使调制效率降低。综合考虑两者因素，我们选择Hslab为90 nm。

PN结的掺杂浓度NA（P型掺杂）和ND（N型掺杂）是影响调制器性能的两个关键参数。根据等离子色散效应，硅中的自由载流子浓度会对折射率的实部和虚部同时产生影响，即影响调制器的调制效率和光传输损耗。我们使用多物理场仿真软件（Comsol）来仿真调制器的调制效率和光损耗。NA和ND的变化区间为1017/cm3～1018/cm3，由于耗尽区的宽度与PN结所加的偏置电压Vb有关，所以调制效率可通过波导的有效折射率对电压求导近似得到，其中在偏置电压为Vb的情况下半波电压的计算公式为：

[VπLdneffdVV=Vb=λ2] （1）

调制效率Vp·L可以通过Vp与高速移相器的长度L的乘积得到。图2a）中所示为调制器效率仿真的结果。PN结在波导内的偏移量Δjun为100 nm，波长为1 550 nm，偏置电压Vb =0 V，长度L为3 mm。可以看出提高掺杂浓度可以有效提高调制效率，但当NA和ND的浓度大于9×1017/cm3以后调制效率的增长趋于恒定。另一方面，由图2b）可知，当掺杂浓度提高后，由于载流子吸收效应增强，会使调制器的光损耗增大。因此，在选择PN结掺杂浓度时要综合考虑调制效率和光损耗。

PN结的偏移量Δjun也是决定调制器性能的关键参数，当PN结向N区偏移0.05 mm时，波导的有效折射率变化（0 V和-4 V下波导有效折射率差别）最大，即调制器的调制效率最高。对于光损耗，当PN结向正轴偏移量越大，波导的光损耗越小，这是因为空穴对光的吸收效应要小于电子。如果追求最高的调制效率，Δjun选择50 nm为最优值，如果综合考虑调制效率和光损耗，Δjun选择100 nm为最佳。

图3所示为PN结的掺杂浓度对行波电极特性的影响。提高掺杂浓度可以有效减小行波电极的特性阻抗，增大行波电极的有效折射率以及增大微波的傳输损耗。为了能够实现较高的调制效率和带宽，同时兼顾较低的光损耗和微波损耗。我们选择P型掺杂为4×1017/cm3，N型掺杂为1×1018/cm3，在该浓度下，当Vb = 0 V，掺杂引起的光损耗为1.85 dB/mm，调制器效率为1.05 V·cm。

1.3 高速行波电极设计

影响行波电极性能的参数有：电极宽度Wmt、电极传输线间距Gmt、电极厚度Tmt、通孔间距Gvia、通孔宽度Wvia、SiO2上包层厚度Hclad和PN结结构的尺寸，其中需要重点优化的是Sdop， Wmt和Gmt。

低掺杂平板区宽度Sdop对微波传输损耗的影响较大，而对特性阻抗和微波有效折射率的影响较小。减小Sdop时因为PN结的串联电阻会减小，微波损耗会减小，从而可以提高调制器带宽。减小Sdop的代价是会增大光的传输损耗，因此需要在光损耗和微波损耗间做个折中选择。采用分段PN结可以有效阻止电流在平板层的传输，有利于减小微波损耗。随着频率的升高，采用分段PN结的行波电极比常规非分段PN结的行波电极微波损耗减小更加明显。

行波电极金属传输线宽度Wmt和间距Gmt这两个参数共同影响电磁场的分布，它们对行波电极特性的影响是相互关联的。图4所示为仿真得到的不同Wmt和Gmt组合下调制器的电光（EO）带宽。减小Wmt会提高调制器带宽；减小Gmt会先增大EO带宽，当达到一个临界值后会使带宽下降。重掺杂平板区宽度（Wp， Wn）对微波有效折射率、传输损耗和特性阻抗会有一定影响。增大Wp和Wn会使微波传输损耗和微波有效折射率同时增大，两者对特性阻抗影响并不大。我们选取多种组合Wp和Wn，分别侧重降低微波传输损耗或实现更好的光与微波的相位匹配。

综合上述仿真分析，我们在调制器设计中选取多种参数组合（见表1），之后通过实验来检测不同设计对调制器性能的影响。

2 端推挽驱动硅基调制器

实验测试

2.1 直流测试

图5为MZM-5与MZM-7传输频谱和调制效率的测试结果图。这两个调制器PN结的差别在于结的位置偏移量Δjun不同，分别为0.1 mm和0.05 mm。改变偏置电压会使频谱移动，说明了载流子色散效应起到了改变相位的效果。它们的静态消光比都在15 dB以上，说明了MMI具有较均匀的分光比。频谱最高点代表了整个测试链路的损耗，包括光纤的传输损耗、偏振控制器插损、光纤与波导的耦合损耗和调制器片上损耗，其中片上损耗包括载流子吸收损耗和波导固有损耗。我们通过测试参考直波导得到了光纤与波导的耦合损耗约为4.5 dB，两个端面的损耗合计为9 dB，MMI分路器和合路器的损耗为0.9 dB，光纤链路和偏振控制器损耗约为1 dB。因此MZM-5的片上损耗为7 dB，MZM-7的片上损耗约合计为9 dB。

根据MZI的传输函数，频谱移动一个自由光谱范围（FSR）相当于相位改变了2p，因此可以通过频谱移动的距离来确定相位的变化。根据实验结果可知MZM-5的Vp约为5.25 V，MZM-7的Vp约为5 V。图5c）和d）为提取的MZM-5和MZM-7的调制效率随反偏电压变化曲线。偏置电压升高会使调制效率降低，因此在较低的偏置电压下，可以用较小的驱动电压实现调制，但调制带宽也会相应变小。当Δjun从0.05 mm变化到0.1 mm时，损耗的降低较为明显而调制效率的变化不是很明显。endprint

2.2 微波小信号测试

调制器小信号动态测试主要测试行波电极的S参数、特性阻抗和调制器的EO带宽。在S参数测试中，矢量网络分析仪（VNA）的两个端口分别通过探针加载到行波电极的输入和输出端，测试前先进行校准来去掉线缆、转接头和探针的影响。这里我们使用标准的校准基片，对微波链路短路、开路、阻抗匹配和通路4种状态进行校准，简称SOLT （short-open-load-thru）法。图6所示为表1给出的7种调制器结构在偏置电压Vb=0 V的情况下，行波电极（EE） S参数的测试结果。在这7种调制器中，MZM-1为参考调制器，其他调制器均是以它为基础进行改进优化。由图6a）所示，该行波电极S21电学6.4 dB带宽为14.9 GHz。采用6.4 dB EE带宽作为衡量标准是因为在阻抗和相位匹配条件下，6.4 dB EE带宽对应于3 dB EO带宽。调制器MZM-2、3 S11参数明显大于调制器MZM-4、5、6，说明其阻抗匹配较差。MZM-5具有较高的电学带宽（18.3 GHz），同时MZM-5微波反射系数S11基本上可以低于-20 dB。MZM-7在MZM-1的结构上改用了分段PN二极管结构，实验结果表明该结构可以提高行波电极电学带宽。

图7a）为MZM-2和MZM-3在偏置电压4 V的情况下S21的测试结果。MZM-2的S21曲线和MZM-3的S21曲线较为接近，带宽差别不大，说明Sdop变化0.1 mm（从0.6 mm变化到0.5 mm）对行波电极影响不大。图7b）为在4 V偏置电压下，MZM-1、5、7的S21测试结果。MZM-1为参考调制器，其S21参数最差。MZM-5在MZM-1基础上对电极结构进行了优化，因此其表现出更好的S21参数。MZM-7与MZM-1的行波电极结构一样，但采用了分段PN二极管结构。根据等效电路模型的理论，该结构减少了slab层对微波损耗的影响，因此减小了微波损耗。

我们接着进一步对调制器MZM-1、5、7进行了EO带宽测试，结果如图8a）所示。MZM-1的EO-3 dB带宽为29 GHz，经过优化的MZM-5的EO-3 dB带宽可以达到33 GHz，MZM-7由于采用了分段PN二极管结构，因此其EO响应的表现也好于MZM-1，带宽在30 GHz以上。图8b）所示为MZM-5在不同偏置电压下的EO S21响应，可以明显的看出提高偏置电压可以有效地增加调制器的EO带宽。当偏置电压增大后，PN结的耗尽层增大导致结电容减小，因而提高了调制器的带宽。

2.3 调制信号眼图测试

我们对设计的调制器进行高速调制测试，信号源采用40～56 Gbit/s的脉冲模式发生器（PPG）（keysight N4975A），它能产生码型为215-1的伪随机码（PRBS），示波器选用keysight的数字信号分析仪 （DSA-X 93204A）。由于单端驱动调制器中有专用的直流偏置信号线，因此偏置电压可经直流探针直接加载到调制器上。在OOK调制时，调制器的工作点选择在MZI传输谱的-3 dB处，即两臂相位差为p /2。在BPSK调制时，调制器的工作点选择在MZI传输谱的最低点处，即两臂相位差为p，BPSK的星座图可以通过光调制分析仪测得（OMA N4392A）。由于待测的调制器采用非等臂的MZI，故可以通过调节波长来改变调制器的工作点。

图9所示为MZM-7在调制速率为32 Gbit/s情况下输出信号的眼图，眼图上方显示的为示波器测得的实时波形，其中蓝色线为时钟信号，黄色线为数据信号。图9a）給出调制器在偏置电压Vb为0.7 V微波信号幅度Vpp为1.4 V条件下的眼图。调制信号消光比为4.2 dB，Q值为3.9。图9b）为Vb增大到1.5 V，Vpp提高到3 V时的调制信号眼图。此时，消光比提高到了6.6 dB，而Q值也提高到了5.24。实验结果表明：该调制器具有较高的调制效率和带宽，采用低驱动电压就可以获得清晰的调制眼图。

图10所示为MZM-5在50 Gbit/s速率下输出调制信号的眼图。为了获得较高的消光比，PPG的输出信号经电放大器放大到Vpp为7.8 V。在Vb为2 V情况下，调制信号的下降沿出现两条重影，说明此时调制器的带宽已经不能很好支持该调制速率。从眼图上方测得的实时码型图中可以看出，过长的上升沿时间或下降沿时间使得信号还没完成“0”和“1”电平之间的完全翻转就又产生变化。为了解决该问题，我们通过增大偏置电压来提高器件的EO带宽。当Vb增加到6 V时，眼图质量得到了较为明显的改善，获得的消光比为 6 dB，Q值为5.05。

图11所示为MZM-5和MZM-7在56 Gbit/s速率下测得的眼图。驱动电压为Vb=6 V和Vpp=7.8 V。MZM-5的消光比为4 dB，Q值为3.73，由于MZM-7的EO带宽小于MZM-5， 所以其眼图质量较差。对比50 Gbit/s的眼图，56 Gbit/s时的调制信号质量有了明显的恶化，这是一方面是由于调制器的带宽限制，另一方面是由于PPG输出信号已经达到最大速率，其输出电信号质量本身已经下降。

在对调制器进行BPSK测试时，工作点选择在MZI的最小传输点。BPSK输出信号的特点是信号幅值恒定而相位在0和p间变换，实现p相移对调制效率有着较高的要求，因此在测试是我们将偏置电压Vb降低为4 V。图12所示为通过调制分析仪测试得到的BPSK信号误码率与接收光功率之间的关系。当MZM-5调制信号的信噪比（OSNR）为15.56 dB时，信号的Q值为6.578，信号幅度误差和相位误差分别为18.9%和6.9%，误差向量幅度（EVM）为21.99%。输出信号的（二进制）误码率（BER）在10-13量级以下，低于前向纠错技术对误码率的要求，提高接收信号的光功率可以进一步减小误码率。MZM-7的误码测试结果与MZM-5接近。endprint

3 結束语

大规模数据中心的广泛建立以及骨干网和城域网的升级换代，市场对100 G和400 G光模块的需求日益增长，并且对器件成本和集成度的要求也显著提高。硅基光电子技术是近十年来发展速度最快、最具有前景的光电子技术之一，由于它的制作工艺与现有微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，造就了其成本低、功耗小、便于和电芯片集成的独特优势。另外由于硅波导对光波具有很强的限制能力，因此可以减小器件尺寸，提高单位面积上光器件的集成度。调制器是光收发模块中的核心器件，近年来发展十分迅速，其中载流子耗尽型调制器是目前研究最为广泛的硅基调制器类型。文章中，我们研究了单端推挽驱动调制器的设计与优化，并对加工后的器件进行了系统测试和对比。芯片测试结果表明调制器的EO带宽在偏置电压-4 V时可以达到30 GHz以上，能实现56 Gbit/s OOK调制和40 Gbit/s BPSK调制。硅基调制器性能的提高还需要进一步优化电学和光学结构，一方面可以设计新型行波电极结构（比如分段电极），以同时满足阻抗匹配和相位匹配两方面要求，另一方面设计新型的PN结结构，以增强载流子和光波的作用，提高调制器效率。

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