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一种高速电光三微环谐振器调制器
Jianxun Hong1,2 ,Feng Qiu1,Xiaoyang Cheng1,Andrew M.Spring1amp;Shiyoshi Yokoyama1
提出了一种基于三重微环结构的耦合强度调制器，并对其进行了高速低误码率（BER)）的数值模拟。该调制器由双微环光学腔和门微环能量反馈通道组成。光腔具有较高的能量存储效率，且反馈路径能够使调制时的腔内能量衰减很小。通过对正弦信号调制性能的分析，从理论上验证了103 GHz的带宽和2.0Vpp下6.2 dB的调制深度。脉冲调制的数据速率为160Gbps，消光比为16.84 dB，误码率为1times;10-8。该调制器适用于紧凑、高速、低能的光子集成。
微环调制器具有制作简单、占地面积小、成本低、灵敏度高、驱动电压低1-6等优点，是光子集成电路的理想选择。经典微环调制器的工作原理是根据腔内折射率的微小变化引起的谐振的波长位移来实现的。通常，超高Q因子微环对腔内折射率很敏感，因此该设备采用低功率和高灵敏度的调谐操作8-10。然而，超高Q因子微环处理一种很长的光腔光子寿命，因此调制速度本质上受光腔光子寿命的限制。因此，在超高速模拟通信和数据处理中，开关能量和调制带宽之间存在着一个重要的平衡问题11。
为了突破光子的寿命限制，耦合强度调制已经在之前提出12-15。已经从理论上预测在腔中微环保持恒定的光功率,而腔通过调整谐振器间的耦合系数和波导管释放光13。由于调制器是调谐腔内的耦合系数,而不是指数,调制频率能够提高到超出腔的光子寿命限制。已经提出了多种耦合强度调制器。基于Mach-Zehnder干扰的微环谐振器(MZIMR)理论上展示了无限带宽调制l4, 16-18。相位环增强MZIMR是通过使用额外的阶段环相邻MZI的手臂提高调制频率的另一种方法1,19。这些设备表现出较高的消光和超高速响应的驱动信号。该方法已经得到了进一步的优化研究20。潜在地，调制速度和信号消光都可以采用通过更大的存储有效能量和恒定的光功率来进行优化的能量反馈机制进一步提升。
在本研究中，我们设计了一种耦合强度调制的三环谐振器，并实现了具有大消光比的高速传输。该结构由一个储能效率高的光腔和一个可控的能量反馈路径组成。光腔保证了大的输出强度。反馈路径通过保持光腔功率的稳定来保证高速调制。通过数值计算，该调制器的传输速率高达160Gbps，调制深度为6.2 dB，消光比为16.84dB，误码率为10-8 。
结果与讨论
原理与光谱 微环调制器的示意图如图1(a)所示。它由三个环1、2和3组成。环1和环2具有相同的几何形状，可作为光学能量存储的双微环腔12。环3是能量反馈路径的一个组成部分，用于从A端口发出光。当环3调谐成共振时，B端口的行光被反馈回腔内。在这种情况下，环3的共振与环l和环2的共振相同。当环3调谐到关闭共振通过改
图1. 三环谐振器调制器原理图。(a)调制器的结构。(b)波导的横截面。(c)基本TE模式分布。波导的长度是L0= L1 = L12 = L13=40um, L1 = L2 = L3= L4 = 240um, L5= L6 = 120um, L7 = L8= 240um, L9= 80um,L 10= 400。选择L1 ，L2，L3和L4使共振接近1550nm的波长。模态重叠积分因子I为0.525
图2. 微环形谐振器的光学光谱。通过增加Delta;n=4x 10-4的折射率调谐来(a)开启3环中的共振，(b)关闭共振。
变折射率，光腔使光从反馈路径释放到a口。即使在这种断开状态下，环1和环2在光腔中保留了足够的光子能量，这是光腔耦合强度调制的关键。
为了操作折射率可调的微环谐振器，我们使用了一种硅和光电(EO)聚合物的混合微环谐振器21。我们之前已经证明，波导调制器提供了在设备中的大型光电效应。在1550nm波长下测量的EO系数(rss)大于100pm /V。由于混合波导的折射率较高，在EO环形谐振器调制器的应用中实现了高q的100直径环形谐振器22。图1(b)显示了混合波导的横截面。我们使用厚48nm和宽1.5mu;m的超薄硅为核心。然后，用1.2micro;m厚的EO聚合物层覆盖。图1(c)显示了波导在计算出的TE模式中的分布。在这种几何结构中，波导使光能够在硅和EO聚合物层的边界处传播，因此，波导对EO调制表现出适当的模态重叠。电场在垂直方向上的分布是连续的，而由于硅与EO聚合物的折射率相差较大，在硅边界处存在水平不连续。基于这些实验和理论特性，我们采用阶梯段动态法计算耦合强度调制23，24。
对于无损耗耦合，第m个微环耦合点处的自耦合系数(tm)和交叉耦合系数(қm)用表示。对于透射光谱的计算，我们选择қ1=қ2=қ3=-0.4i, alpha;的透射损耗=4dB/cm。有效折射率neff波导的s是1.643。环3由于混合波导的EO特性而调谐。如图2所示,根据3号环折射率(Delta;n=4x 10-4)的期望变化，得到A、B、C三个端口的输出光的光谱变化。在A端口中心波长1550.02 nm处可以看到清晰的“开”和“关”状态。在耦合光强调制器中，采用双微环腔存储光能。因此，B端口的光谱显示出相对较高的q属性，在“开”和“关”状态下分别为8,333和4.403。此外，该调制器克服了腔光子寿命限制。
图3. 谐振腔的调制输出信号。调制频率分别为20GHz和80GHz。这里，驱动电压的峰间电压为2.0 V。调制器偏置，使输出信号中心沿纵坐标为0.5。
图4. 谐振器调制器的频率响应。
正弦调制和频率响应 采用步进动态分析方法对高频调制进行了分析。在EO微环调制器中，折射率变化与外加电场的关系用表示，其中r33为器件内EO系数，Gamma;为模态重叠积分因子，E为外加电场25。为简单起见，我们选择r33= 150 pm/V来设置r33Gamma;=80 pm/V。我们假设电极在共平面带几何形状有一个4um的差距。光波与驱动微波的速度失配可以用差分来表示。考虑到EO聚合物的低介电常数，我们将指数差设置为0.2。
采用峰值电压2.0 V的正弦电信号进行调制。频率分别为20GHz和80GHz的调制输出信号如图3所示。偏置电压同样适用于设置调制器在半输出点的线性电气和光学操作。清晰的输出波形可以在两个频率上观察到，没有任何失真。频率为80GHz时的光强振幅略小于频率为20GHz时的光强振幅。在图4中，为了确定调制器的带宽特性，使用0.1到500 GHz的连续频率信号。最大调制深度为0.23或6.4 dB。这种调制深度大于MZIMR的报道，可与相位环增强的MZIMR20相媲美20。在图4中，在10GHz到80GHz之间存在一个高原区域，为高速调制器应用提供了一个大的带宽窗口。调制深度在更高的频率下减小，并且调制器的带宽为103 GHz，为3 dB。虽然MZIMR理论上预测了无限带宽特性l4-18，但我们调制器的频率限制可能是由环3中的指数调制造成的。这导致了滚小康在调制深度在非常高的调制频率，因为边带随着调制频率的增加而减小15,20。当频率增加到接近自由光谱范围的整数倍(FSR)时，调制使腔内的循环场显著减小。在图4中，可以观察到160GHz以上的振荡和谐振点。这种限制类似于存在于相位环增强的MZIMR1,20。注意，考虑到上面提到的滚转效应，谐振点的频率并不是FSR的整数倍。
图5. NRZ脉冲串调制输出，脉冲间隔为100 ps和500 ps。NRZ脉冲串由lsquo;0rsquo;和lsquo;1rsquo;交替编码组成，电压为2.0 Vpp。
脉冲调制特性 对于模拟正弦调制，调制器在上面提到的半输出点有适当的偏置。因此，门环在调制时始终处于“打开”状态。在这样的开放状态下，由于腔内存储能量和Q因子的降低，调制速度受到限制。另一方面，脉冲调制是关键技术，通过简单的lsquo;0和lsquo;1rsquo;信号实现高速数字传输。由于偏压控制对这种调制是不必要的，更多的能量可以储存在腔内。为了表征数字信号的响应特性，我们首先对微环调制器应用了lsquo;0rsquo;和lsquo;1rsquo;交替的非归零脉冲串(NRZ)，并计算了输出波形。然后，我们使用伪随机NRZ序列来研究眼图和BER。
图5为间隔为100ps和500ps的脉冲信号作用下调制器的光输出，分别对应10Gbps和2Gbps的重复率。NRZ脉冲串的峰间电压为2.0 V。可以看出，两种信号速率下输出光的振幅几乎相同。消光比为20dB，优于以往MZIMR耦合强度模型的报道值11,20。在这两种脉冲响应中，在信号的上升边缘都可以看到小的振荡16,20。这种誊写可以用微环记忆效应来解释。在本设计中，环3的指标值被调整，而不是қ3。环3中的循环场具有连续的指数调制和时间延迟。因此，该环不能对上升沿处的脉冲信号的快速变化做出响应，在稳定之前会产生短暂的振荡。这种意想不到的畸变在较高频率的脉冲波形中很明显。虽然过服务的噪声水平小到足以被信号处理技术过滤掉，但使用更小的环是消除这种振荡的另一种解决方案。
图6为脉冲调制120Gbps、140Gbps和160Gbps时输出信号的眼图。脉冲序列由223-1伪随机位序列(PRBS)信号组成，峰值电压为2.0 V。
眼图以每一种调制速率清晰地打开。该调制器具有非常低的误码率响应，清晰的上升和下降的边缘，良好的代码对齐和微小的抖动。这些速率下的BER被计算为小于1 x 10-8。另一方面，当调制速率增加到200 Gbps以上时，eve模式随着BER的增加变得不清晰。
在眼图分析中，信噪比(SNR)可以从参考文献26中得到
式中micro;1和micro;2分别为眼图底部和顶部边缘的振幅。sigma;1和sigma;2分别是micro;1和micro;2的噪声。在图6(a)中，120Gbps下的信噪比估计为33.33，从BER= 10log(micro;2/micro;1)开始消光比为16.84，根据经典的Shannon公式，C= Wlog (1-SNR)定义，在103ghz的带宽(W)下，本微环调制器的调制能力(C)为525gbps。虽然理论计算是在理想条件下进行的，但所得结果支持三微环谐振腔具有超高速响应的潜力。
结论
我们研究了一种基于耦合强度调制的三微米环形谐振腔调制器。设备策略是利用双微环光学腔来维持腔内能量，同时采用门微环能量反馈路径来调节调制。调制是通过开关反馈门微环之间的共振和小康共振状态。提出的三微米环形谐振器在2.0 Vpp时具有103 GHz的宽3 dB带宽和6.4dB的高调制深度。对于数字调制，该设备的调制速率为160Gbps，误码率为l x 10-8，消光比为16.84 dB。所提出的装置可能适用于超高速、低能量和小足迹的调制器。
图6. 223-1个PRBS调制输出的眼图。调制速率分别为(a) 120gbps、(b) 140gbps和(c) 160gbps。
方法
我们使用了步进动态方法来分析调制特性。波导的分支被分成许多小段。利用波传播原理计算支路上的场，利用耦合模理论逐级计算耦合节点上的场23,24。 数值计算采用c语言编程。
参考文献
1. Li, Y., Stewart, L. S. amp; Dapkus, P. D. High Speed Silicon Microring Modulator Employing Dynamic Intracavity Energy Balance. Opt.
Express. 20, 7404–7414 (2012).
2. Chen, L., Wood, M. G. amp; Reano, R. M. 12.5 pm/V Hybrid Silicon and Lithium Niobate Optical Microring Resonator with Integrated
Electrodes. Opt. Express. 21, 27003–27010 (2013).
3. Bortnik, B. et al. Electrooptic Polymer Ring Resonator Modulation Up to 165 GHz. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, 104–110
(2007).
4. Malacarne, A., Gambini, F., Faralli, S., Klamkin, J.
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