InP基矩形马赫—曾德尔高速电光调制器行波电极设计与测试.doc

马赫-曾德光纤干涉实验光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器,它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物。

光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)是一种功能型光纤传感器,它在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。

一、实验目的1．学习光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉原理2．掌握利用马赫-泽德光纤干涉仪对压力和温度的测量。

二、实验器材OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪，He-Ne 激光器三、实验原理1．光纤传感器基本工作原理光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉仪结构与原理如图 1所示。

光源发出的光经过耦合器（DC1），将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。

经过耦合器 DC2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为)(cos 1t B A I Φ+= （1） )(cos 2t B A I Φ-= （2）在通过对干涉信号相位的获得来推知作用在信号臂上的外界物理量的变化。

2．马赫-曾德光纤温度传感器工作原理激光束从激光器发出后经分束器分别送入长度基本相同的两条光纤, 而后将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉光, 从而出现了干涉条纹。

当一条光纤臂温度相对另一条光纤臂的温度发生变化时, 两条光纤中传输光的相位差发生变化, 从而引起干涉条纹的移动。

干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。

光探测器接收到干涉条纹的变化信息, 并输入到适当的数据处理系统, 最后得到测量结果。

长度为 L 的光纤中传播光波的相位ΦnL k 00+Φ=Φ （3）其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位， 0k （00/2λπ=k ，0λ为真空中波长）为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。

图1 光纤Mach-Zenhder 干涉仪原理图λπ=λπδ=∆ΦSP 22λπ+=SP K I I I 2cos 00设光纤1L 温度不变，光纤2L 温度该变T ∆,则折射率n 的改变量为n ∆ ，光纤2L 长度改变量为2L ∆。

万方数据第３期湖南工业职业技术学院学报２０１０年ｎ，＝ｎ：＝ｎ。

＋△ｎ．＝ｎ。

＋÷焉‰Ｅ（３）却ｅ／出≠０，则输出光信号的频率发生漂移；若孑％／ｄｔ２≠０·说明ｚ方向的外加电场作用在材料上，引起了ｘ和Ｙ方向折射率的变化。

折射率的变化与外加电压的比值和材料的非线性系数有关，构成电光调制器时尽可能选取一些具有较高二阶非线性系数的材料，像ＬｉＮｂ０３，ＬｉＴａ０３，ＳＢＮ，目前常用的电光调制器通常选用ＬｉＮｂＯ，。

ＭＺ电光调制器的结构如图１所示，输入光波经过一个Ｙ分支后变为两路，由于两臂所加电压不同，导致两臂由Ｐｏｃｋｅｔ效应引入的折射率变化不同，再经过一个Ｙ分支将信号和为一路输出。

这是典型的ＭＺ干涉结构。

输出的光功率可以由两臂的电压共同控制。

图１ＭＺ电光调制器的结构图ＭＺ干涉结构在ＬｉＮｂＯ，称底上制成，两臂为波导结构，所以可以制成较小的尺寸。

在光波的传输方向上无电场，假设光波沿Ｙ方向传播，则光电场振动方向可以沿ｘ方向或者ｚ方向。

依据ＴＭ模式光波电场的振动方向可以将ＬｉＮｂＯ，波导的结构分为两种，如图２所示：（ａ）为ｘ切结构，（ｂ）为ｚ切结构。

ｓｉｎｇｎａｌｇｒｏｕｎｄｇｒｏｕｎｄｓｉｇｎａｌｇｒｏｕｎｄ产鼍，甓罗一ｔｏｐｔｉｃａｌＬ—＇Ｘｗａｖｅｇｕｄｅ（ａ）ｘ切结构（ｂ）Ｚ切结构图２ＭＺ电光调制器的丽种结构ｐｌ和Ｐ２分别为第一、第二个Ｙ分支的耦合比例，Ａ；为入射光波的复振幅，Ａ。

为输出光波的复振幅，妒。

和妒：为经过上下两臂引入的相位。

则输出光波的复振幅可以表示为：＾。

＝Ａｔ（∥可习；ｘｐ（ｔｐ。

）＋石可ｊ》ｘｐ（仡））（４）一般情况下Ｐ。

＝Ｐ２＝１／２Ａ。

＝ｊＡｉｅｘｐ（．『半）咖（字）吐唧ｃｊ＃Ｌ）ｊｅｘｐ（，’鼍≯）ｃｏｓ（仃（Ｕ一屹）２ｖ．（５）式中ｅｘｐ（ｊｐＬ）ｊｅｘｐ（Ｊ掣）为相位部分，其中，ｅｘｐ（ｊｆｌＬ）ｊ为固定的相位，可以通过选择恰当的调制器臂长，使得肚＋仃／２＝２ｋ＇ｎ－，即此相位对调制器的输出光没有影响；ｅｘｐ（加（Ｖｉ＋ｎ）／（２ｖ．））为所加电压对相位的影响，可以看出此相位只与两臂电压之和有关。

硅基马赫曾德电光调制设计优化与实现作者：周林杰周砚扬陆梁军来源：《中兴通讯技术》2017年第05期摘要：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。