基于均衡反馈电极的高速硅基调制器设计

针对传统硅基调制器带宽较小,而带宽拓展预加重电路复杂,不利于片上集成的问题,本文提出了一种带有均衡反馈电路电极的高速载流子耗尽型硅基调制器设计。在设计传统脊波导的基础上,利用传输线等效模型实现了电极阻抗和折射率的匹配。同时,利用电极固有的时延和局部反馈电路对带宽进行拓展。仿真结果表明,均衡反馈电路电极带宽2V时达到30GHz,与传统电极相比,带宽拓展30%。

新型绝热微环谐腔型低功耗硅基调制器的设计

为了改进绝热微环谐腔型的结构、降低谐振腔腔体损耗,采用了基于绝热过渡曲线的设计方法,提出了新型载流子注入/抽取结构,进行了理论分析和实验验证,取得了绝热微环谐振腔的谐振峰线宽、消光比及频率响应参量数据,比较了其与传统微环谐振腔的损耗。结果表明,使用所设计的外半径为2μm的谐振腔的谐振峰线宽仅为普通微环谐振腔的29.5%,消光比为13.5d B,电阻电容限制带宽提高了4倍,10Gbit/s调制速率下能耗仅为5.1f J/bit。这一结果大幅改善了绝热微环谐振腔的频率响应特性,降低了功耗。对腔形和载流子注入/抽取结构的研究可以进一步改善绝热微环谐振腔的性能,推动低能耗器件研究的发展。

硅基调制器的最新研究进展(特邀)

随着新一代信息技术的大规模应用,全球数据总量呈现指数式增长趋势,光通信凭借其大带宽、大容量、低损耗、低串扰等优势成为信息通信网络的重要组成部分。硅基光电子技术作为光电子集成技术的重要分支,是实现光通信小型化、多功能化的重要方法。在硅基光电子系统中,硅基调制器是完成信息传输与处理的核心功能单元。本文从硅基调制器的理论基础出发,综述硅基调制器的最新研究进展,按照材料体系的不同,分别对纯硅调制器与硅基异质材料调制器进行系统介绍,最后对该领域的未来发展进行详细讨论。

基于增强型最大比例混合接收机的硅基调制器线性度补偿方法

硅基调制器具有体积小、功耗低、易集成等优势,但相较于铌酸锂调制器,线性度通常较差,从而限制了其在光载无线等通信系统中的性能。提出一种增强型最大比例混合接收机(EMRC-Rx),用以补偿硅基调制器对无源光接入网络带来的性能下降缺点。EMRC-Rx综合利用直接检测机(DD-Rx)和轻相干检测机(Lite CO-Rx)的优势,借助两种接收方式的最大信噪比占比,可以显著提升接收机的灵敏度,进而解决硅基调制器低线性度导致的系统性能下降问题。实验结果表明,当误码率高于KP4-FEC阈值1.0×10^(-4)时,相较于DD-Rx和Lite CO-Rx,EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升5.5 dB和8.8 dB,误差矢量幅度(EVM)分别提升32.5%和41.1%,系统性能明显得到改善。通过进一步与铌酸锂调制器进行对比发现,相比采用铌酸锂调制器的Lite CO-Rx和DD-Rx,基于硅基调制器的EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升3.5 dB和7.9 dB,且可取得与铌酸锂调制器中MRC-Rx接近的系统性能,验证了EMRC-Rx对硅基调制器低线性度带入的性能劣化的补偿效果。本工作对在5G时代利用硅基调制器构建高可靠、低成本的光子集成接入网具有指导意义。

基于侧向PN结和交趾型PN结的硅基Mach-Zehnder调制器的二阶谐波失真特性

高线性度的电光调制器是构建微波光子链路的核心器件。硅光子调制器利用PN结的载流子色散效应实现微波信号对光波的调制,基于不同结构PN结的调制器有不同的非线性特性。本文采用二阶无杂散动态范围表征二阶谐波失真度,实验研究了采用侧向PN结和交趾型PN结所构成的Mach-Zehnder(MZ)调制器的二阶谐波失真特性。基于侧向PN结和交趾型PN结的MZ调制器的二阶无杂散动态范围为分别为85.11dB·Hz^(1/2)、78.44 dB·Hz^(1/2),表明基于侧向PN结的MZ调制器具有更好的线性度。

传输线电极型硅基电光调制器研究进展

首先对不同类型光调制器性能做了简单比较,并结合近几年的研究进展情况,对各种电光调制器优缺点进行介绍,尤其对其中具有广泛应用前景的硅基电光调制器作了详尽的介绍,最后讨论了传输线电极设计对各类电光调制器性能的影响,并介绍了近几年在改善电光调制器的调制带宽方面的研究进展。

一种用于硅基高速调制器测试的有源Bias-T电路

为了解决传统T型偏置器(Bias-T)在硅基高速调制器测试过程中,因直流(DC)源导通/截止或者链路产生热插拔时容易导致高速信号源出现不可逆的损坏问题,首先分析了问题产生的原因和常规解决方法的优缺点,然后设计了一种用于硅基高速调制器测试的有源Bias-T电路。该电路在传统Bias-T基础上利用微波放大器芯片中晶体管的特性来隔离直流源在馈电导通/截止或者热插拔时产生的冲击电压。最后,对有源Bias-T电路进行了仿真设计和测试。测试结果表明:该电路带宽大于25 GHz,脉冲电压为±0.055 V左右,消除了信号源设备损坏的风险。

SiGe/Si异质结PIN顶注入电光调制器的数值分析

针对电光调制器的调制效率低造成调制器的驱动电压较高的问题。文中基于等离子色散效应理论,利用计算机辅助设计模拟方法,设计了一种SiGe/Si异质结PIN顶注入硅基电光调制器,分析了不同结构尺寸、掺杂浓度下折射率变化、吸收系数变化和衰减等影响。研究结果表明:该器件有效增大了折射率变化和吸收系数变化,增强了电光调制器的等离子体色散效应,提高了硅基调制器的调制效率。SiGe/Si异质结PIN顶注入电光调制器的20dB衰减所需的驱动电压从1.24V降到0.99V,其调制效率约为硅基调制器的1.25倍,SiGe/Si异质结可以有效增强等离子体色散效应,提高电光调制器的调制效率,改善电光调制器的性能。

硅基PN结型光波导有效折射率的定量分析

为解决脊型波导相位调制的有效折射率测量问题,提出一种3端口MZI(Mach-Zehnder Interferometer)结构,能定量测量并分析PN结(Positive-Negative junction)脊型硅光波导中,有效折射率的实部和虚部受偏置电压调制的相对变化,并给出多项式拟合方程。实验所得结果与拟合结果非常符合,最终可以得到脊型波导在相位调制过程中的特性。该测量方法简单易行,可应用于硅基光电子集成芯片当中,作为载流子调制特性定量检测器件。

硅基微环调制器耦合状态对高速PAM4通信系统的性能影响分析

基于VPI Transmission Maker和Matlab搭建硅基微环调制器(Si-MRM)系统级模型,全面定量分析了Si-MRM在不同耦合状态以及耦合量下产生高速四电平脉冲幅度调制(PAM4)信号时的性能差异。仿真结果表明,当器件带宽足够支撑调制速率时,相较于其他耦合状态,临界耦合状态可以获得更优的系统性能,此时在光场在腔内环绕一周的透过率a与自耦合系数t取值为0.71~0.83时可以获得最佳系统性能,并且当a(t)值从0.59逐渐变化到0.91时产生的信号的最大功率代价为4.2 dB。对于过耦合状态以及弱耦合状态,t值变化或者a值变化时均会导致系统性能劣化至接近临界耦合状态,只有t值相较于临界耦合取值有微小的变化(0.71~0.79)或者a值相较于临界耦合取值有微小的变化(0.71~0.79)时,才可以取得与临界耦合[a(t)值均为0.75]接近的系统性能;当器件带宽不足以支撑调制速率时,对于临界耦合状态,a(t)值增加到0.91时,器件带宽有效增大,系统性能得到显著提升。此时,对于过耦合状态,只有增大a值到0.83~0.91才可获得软判决门限阈值以下的误码率性能,并且此时系统性能优于临界耦合。但对于弱耦合状态,均不存在性能优于临界耦合的情况。本文工作对于定量评估Si-MRM因为加工、测试、网络部署等导致的耦合状态抖动进而产生的高速调制信号性能变化,以及基于MRM实现下一代800 Gbit/s和1.6 Tbit/s片级高速光互联具有指导意义。

400G FR4硅光收发模块的研究

随着5G、人工智能的大规模应用,数据中心使用的光模块也相应朝着高速率和低成本方向发展.根据上述需求,介绍了一种400G FR4硅光收发模块设计方案,研发了相应的核心光子器件,该模块使用硅基电光调制器来实现高速率的光信号调制,搭配波分复用解复用器进一步提高模块的整体传输速率,并通过测试验证了器件的性能满足设计要求.采用板上芯片封装(Chip-On-Board,COB)技术,通过对模块光路部分开发设计,激光器到调制器的耦合效率可以达到−2.1 dB,实现了各光电器件之间的低损耗耦合,为400G光模块的设计和实现提供参考.

基于电流选择器预加重的CML驱动电路设计

为提升基于PIN电学结构载流子注入式硅基电光调制器性能,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计一种新型预加重驱动电路.该电路采用电流模逻辑(CML)结构,并引入低压差分信号(LVDS)型电流选择器,在实现提升响应速度和工作带宽的同时,降低整体平均功耗.仿真结果表明:基于PIN电学结构载流子注入式硅基电光调制器的电压响应时间同时受预加重驱动信号过冲幅度和持续时间影响.当预加重驱动信号过冲幅度和持续时间分别取值为2 V和0.2 ns时,基于PIN电学结构载流子注入式硅基电光调制器的电压响应时间缩减了16.7%,工作带宽扩展至4.34倍,且根据不同的开关活动性需求,平均功耗最高降低了60%.

同相正交硅基光调制器的自动偏置电压控制技术

描述了基于同相正交硅基光调制器的自动偏置电压控制算法理论及实现方案。首先比较了硅基光调制器与传统铌酸锂调制器的调制特性,结合同相正交硅基光调制器模型推导出了调制器输出光信号与电场信号的函数关系式,根据此关系式提出了一种基于正弦dither信号注入调制器偏置工作点并解析调制器内置低带宽监控光电二极管反馈信号频域参数的控制方案,并通过数值仿真验证方案的可行性;然后搭建自动偏置电压控制算法的测试平台,通过测试平台得出不同偏置电压条件下I(in-phase)路、Q(quadrature-phase)路与Phase(outer-phase)路调制器内置监控光电二极管的反馈信号波形,并将测试结果与仿真数据进行对比,对比结果验证了本研究假定的同相正交硅基光调制器光电传递函数模型的准确性;最后测试了128 Gb/s双偏振正交相移键控调制格式下偏置电压控制算法的精度,并通过矢量幅度误差指标得到算法所引入的光信噪比代价。

硅基光电子学的最新进展

随着人们对信息容量、速度以及成本的迫切要求,低成本、高度集成的硅基光电子学蓬勃发展,成为光通信、高速计算机等领域的研究热点和非常有前景的关键技术.硅基光电子学是一种可以用硅基集成电路上的投资、设施、经验以及技术来设计、制造、封装光器件和光电集成电路,在集成度、可制造性和扩展性方面达到集成电路的水平,从而在成本、功耗、尺寸上取得突破的一种技术.最近几年,硅基光电子集成技术已经发展到了一个崭新的阶段,各个关键的硅基光电子器件都已经达到商用化的标准,部分性能甚至超过目前的商用器件,引起了产业界的广泛关注.本文从硅基光电子学的几个关键器件入手,包括波导、光栅、偏振分束器、混频器、滤波器、调制器、探测器和激光器,详细介绍了该方向的研究进展,特别是最近5年的重大突破;随后介绍了硅基光电子学在光互连、光通信、光传感、太阳能电池等几方面的重大应用;最后提出硅基光电子学未来发展方向和目前面临的主要挑战.

片间光电融合技术分析

本文概述了片间光电融合技术发展现状及趋势。在5G、人工智能等应用场景驱动下,片间光互联成为实现芯片之间信息交互的重要方式之一。其中,硅基光电子技术和光电共封装技术发挥了重要作用。本文回顾了光电共封装技术以及激光器、硅基光电探测器和硅基电光调制器发展现状和面临挑战,并结合硅基光电子产业情况提出相关建议,以期为推动我国集成电路产业向高质量发展提供参考和借鉴。

基于LCoS的1×32端口灵活栅格的波长选择开关

可重构光分插复用器(ROADM)和多维光交叉连接(OXC)作为实现下一代动态全光网络的关键设备受到了光通信领域研究机构和产业界的高度重视。1×N端口波长选择开关(WSS)是目前及下一代ROADM的核心器件。针对现有WSS存在的光学系统复杂、系统插损与端口串扰大,以及端口数和通道数有限等不足,提出一种具有通带调谐灵活性的基于硅基液晶处理芯片(LCo S)的1×32高端口数WSS。通过软件远程控制LCo S上加载的全息相位图像,使光通信C波段密集波分复用(DWDM)信号中任意一个或一组波长灵活切换至任意输出端口输出,各波长通道切换独立可控。研究结果表明:系统插入损耗为5 d B^25 d B;栅格为100 GHz时波长信道的3 d B带宽均为40 GHz;带宽从50 GHz起连续可调,调谐步长1 GHz。这一研究为M×N高端口数WSS的研制奠定了坚实的理论实验基础。

飞秒激光空间光束整形加工技术研究进展

飞秒激光凭借其超短脉宽和极高峰值功率,在微纳加工中发挥了重要的优势,而飞秒激光的加工效率制约其在工业领域的应用。近年来,研究者成功将空间光调制器应用于飞秒激光加工,实现飞秒激光加工效率和灵活性的进一步提高。本文综述了近年来硅基液晶空间光调制器在飞秒激光加工领域的研究进展,主要包括多焦点并行加工、结构光场并行加工和矢量光场加工,分析了三种方法的优势和不足。并从光场均匀性和衍射效率两个方面,讨论了近年来对光场质量的研究。最后探讨了该领域目前存在的问题,并对未来提出了展望。