2025年6月3日,《Nature Photonics》杂志刊发了加拿大拉瓦尔大学(Université Laval)电气与计算机工程系Shi Wei团队的创新研究成果,论文题为《微环调制器的超快相干动力学》。该团队通过系统性实验与理论分析,在微环调制器技术上取得重大突破,为光通信领域带来了全新的发展方向。
在人工智能浪潮席卷全球、数据中心数据流量呈指数级增长的当下,光电子集成系统亟需更高效的电光转换器件。微环调制器(Microring Modulators, MRMs)凭借紧凑的尺寸和出色的能量效率,成为光通信领域的“潜力股”。然而,其显著的频率啁啾、动态非线性效应,以及相干动力学研究的不足,长期将其限制在光谱效率较低的强度调制直接检测(IM-DD)链路中。本工作通过深入剖析MRM的相干动力学,结合创新结构设计,成功实现无啁啾振幅调制与宽带宽操作,为Tbps级相干光通信打开全新局面。
一、MRM的基本原理与耦合机制
◆ 光学耦合状态与传输特性
MRM的核心结构是与总线波导耦合的微环谐振腔,其电场传递函数由往返相位偏移φ、振幅传输系数a和耦合系数σ决定。根据总线-谐振腔耦合强度与谐振腔固有损耗的相对关系,耦合状态分为三类:
- 欠耦合:当耦合强度弱于固有损耗,即κ² < 1-a²时,输出功率不为零;
- 临界耦合:耦合功率恰好等于谐振腔往返损耗,也就是κ² = 1-a²,此时输出功率理论值为零;
- 过耦合:耦合强度超过固有损耗,κ² > 1-a²,输出相位响应可实现2π全范围变化。
在过耦合状态下,MRM的电场传递函数在复平面上呈现围绕原点的圆形轨迹,支持振幅与相位的联合调制,使其成为相干调制的理想选择。不过,过耦合状态对工艺波动极为敏感,哪怕耦合系数出现微小变化,也会导致响应显著偏移,因此需要精密设计和稳定机制来补偿。
◆ 复振幅调制的相位-振幅耦合
MRM的相位响应和耦合状态紧密相关:欠耦合和临界耦合时,最大相位变化分别小于π和等于π,而过耦合时能实现完整的2π相移。当施加调制电压,PN结的载流子注入会改变谐振腔的有效折射率与损耗,使得复平面上轨迹的半径(振幅)和角度(相位)同时改变。这种强耦合效应产生频率啁啾,具体表现为电场传递函数的曲线轨迹。并且,啁啾方向与波长失谐符号有关,正失谐与负失谐侧会出现相反的频率偏移特性。
二、 MRA-MZM结构:啁啾抑制与性能提升
◆ 推挽式MZM设计
为解决MRM的啁啾问题,Shi, Wei团队将一对相同的MRM嵌入马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的两臂,构建出微环辅助马赫-曾德尔调制器(MRA-MZM)。通过差分驱动信号让两MRM的响应向相反方向偏移,利用干涉相消原理抑制相位波动:当MZI两臂相位差设为π(零工作点)时,输出电场是两MRM电场的差分组合,有效消除残余相位调制。理想情况下,MRA-MZM能实现振幅调制的线性轨迹,实验显示其消光比(ER)可达30 dB以上,远超单个MRM的17 dB水平。
◆ 动态响应与带宽特性
小信号模型分析表明,MRM的电光响应呈现三阶系统特性,包含一个实零点、一个实极点和一对共轭复极点。其3 dB带宽受电寄生参数(结电容、串联电阻)与光学参数(光子寿命)共同制约。相比之下,MRA-MZM的响应可简化为二阶系统,其带宽满足特定公式关系
,其中fE为电带宽,fO为光学带宽。实验测得MRA-MZM的6 dB带宽超过60 GHz,明显高于传统MRM的35 GHz峰值响应,而且没有明显谐振峰,频率依赖性更弱。
三、非线性效应与稳定机制
◆ 高功率下的光学非线性
当MRM内光功率升高,双光子吸收(TPA)与自由载流子吸收(FCA)成为主要非线性损耗机制。TPA产生的电子-空穴对会进一步引发自由载流子色散(FCD),导致相位响应偏移。同时,光吸收产生的热量通过热光效应改变折射率,形成慢变的热相移。这些效应会使MRM的传输谱随功率增加而展宽,相位过渡斜率增大。不过,由于这些效应的时间常数远长于调制周期,在高速调制下,非线性影响能得到部分缓解。
◆ 闭环稳定系统设计
为补偿环境温度波动与工艺偏差导致的谐振波长漂移,研究团队开发了基于扰动观察算法的闭环稳定系统。该系统通过集成锗硅光电探测器监测MRM的下话路功率,利用氮化钛(TiN)加热器动态调整谐振波长,确保激光与谐振波长保持对准。控制环路以4 kHz速率迭代,在数小时的实验中,能有效抑制热漂移,维持零失谐工作点。
四、 实验验证与高速传输性能
◆ 器件制备与表征
采用CMOS兼容的硅光子工艺制备MRA-MZM基I/Q调制器,器件关键参数如下:单个MRM半径10 μm,品质因子Q=3200,自由光谱范围(FSR)9.73 nm;PN结串联电阻40 Ω,结电容18 fF,RC限制带宽222 GHz;热调谐半波功率60 mW,谐振波长调谐效率-4 GHz/V。
实测MRA-MZM在零失谐下实现超过30 dB的ER,调制损耗随驱动摆幅变化,在100 GBaud时约12 dB(不含芯片固有损耗)。其电-光响应在35 GHz处3 dB截止,60 GHz处仍保持6 dB响应,充分验证了宽带宽特性。
◆ Tbps级相干传输实验
基于MRA-MZM的I/Q调制器在高速相干传输实验中取得优异表现:
- 单偏振背靠背(B2B):180 GBaud QPSK满足24%前向纠错(FEC)阈值,130 GBaud 32QAM净比特率达524.19 Gb/s;
- 双偏振(DP)80 km传输:125 GBaud 32QAM实现超过1 Tb/s净比特率,调制能耗低至10.4 fJ/bit;
- 带宽密度:芯片有效宽度100 μm,实现超过5 Tb·s⁻¹·mm⁻¹的边缘带宽密度,创下现有硅基调制器的最高水平。
传输实验采用线性数字信号处理(DSP),包括根升余弦滤波、色散均衡与多输入多输出(MIMO)均衡,充分验证了器件在高阶调制格式下的线性性能。
五、 结论与未来展望
本工作通过对MRM相干动力学的深入研究,揭示了相位调制在高阶通信中的巨大潜力。通过MRA-MZM结构,成功克服频率啁啾与非线性限制,实现Tbps级相干传输和创纪录的带宽密度。未来,结合波分复用(WDM)技术,可在单个芯片上集成7 - 20个波长信道,进一步将总容量提升至7 - 20 Tbps/光纤。这种超紧凑、低能耗的硅基相干调制方案,将为下一代数据中心光互连与大规模AI计算网络提供关键技术支撑。