硅光调制器的带宽极限

前段时间，有位读者在后台留言询问，硅光调制器的带宽极限是多少。小豆芽这里整理下相关的文献，供大家参考。

高速硅光调制器主要采用载流子耗尽型(载流子耗尽型硅基调制器)的相移器，其工作时为反偏的PN结，由于其调制效率较低，对于Mach-Zehnder型调制器，相移器的典型长度2-3mm, 因此需要采用行波电极(traveling-wave electrode)来优化EO带宽，行波电极的设计主要优化三个方面: 1)RF信号的插损，2)RF信号与光信号的群速度匹配，3) RF信号的阻抗匹配。小豆芽检索到的两篇相关文献，分别实现了47GHz和60GHz的EO带宽。文献1和文献2都采用T型慢波TW电极，如下图所示，

(图片来自文献1)

两者采用的PN结结构也非常类似，MZM上下两臂的PN结串联在一起，采用push-pull的驱动方式。中间区域的p++/n++施加直流的bias偏压。

（图片来自文献1和文献2）

两个研究组后续都实现了单通道200Gbps的PAM4信号传输。

为了解决较长的TW电极带来的带宽限制，加拿大Laval研究组提出了分段TW电极的方式，将行波电极调制器的EO带宽提高到67GHz。其调制器设计如下图所示，包含三小段相移器，每一段相移器都有相应的行波电极。

（图片来自文献3）

北京大学研究组借助于Bragg光栅的慢光效应，提高了调制效率，相移器长度只有124um，其EO带宽达到110GHz以上，调制器结构如下图所示，

（图片来自文献4）

对于微环调制器，可以通过借助peaking效应提升EO带宽，Intel在OFC 2022报道了其最新的微环调制器设计，其3dB EO带宽为62GHz，如下图所示，并首次实现了基于微环调制器的240Gbps PAM4信号传输。

(图片来自文献5)

以上是对高速硅光调制器的简单整理，简单来说，目前硅基电光调制器的EO带宽可以达到60GHz以上，实现200Gbps以上的PAM4信号传输。但是进一步提高其EO带宽，会存在一些困难。可以借助于一些特殊的光学结构，例如Bragg光栅型的慢光调制器，也可以借助于薄膜铌酸锂材料(LNOI)和BTO材料(BaTiO3)。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. D. Patel, et.al., "Design, analysis, and transmission system performance of a 41 GHz silicon photonic modulator", Opt. Exp. 23,014263(2015)
2. H. Zhang, et.al., "800 Gbit/s transmission over 1 km single-mode fiber using a four-channel silicon photonic transmitter", Photonics Research 8,1776(2020)
3. A. Mohammadi, et.al., "Segmented Silicon Photonic Modulator with a 67GHz Bandwidth for High Speed Signaling", OFC 2022
4. C. Han, et.al., "Ultra-compact silicon modulator with 110 GHz bandwidth", OFC 2022
5. M. Sakib, et.al, "A 240 Gb/s PAM4 Silicon Micro-Ring Optical Modulator", OFC 2022