宽带电光调制器的研究现状与新型硅基混合集成调制器的发展趋势

摘要：雷达、电子对抗、无线通信正向着宽带化、集成化、阵列化的方向快速发展，对电光调制器的带宽、半波电压、尺度等提出了更加苛刻的要求。分别对铌酸锂、磷化铟、硅基以及聚合物电光调制器进行了剖析，证明单一材料体系已难以满足系统应用需求。指出硅基混合集成电光调制器融合了多种材料体系的优点，将会对未来微波光子模拟光传输链路和信息处理的发展提供强有力的支撑。

关键词： 电光调制器；硅基混合集成；低半波电压；小尺度

Abstract： Radar， electronic countermeasure and wireless communication have developed rapidly in the direction of broadband， integration and array， which brings more challenges on bandwidth， half-wave voltage and footprint of the electro-optical modulator. In this paper， modulators based on different material system， including the lithium niobate， indium phosphide， silicon and electro-optical polymer are analyzed， which shows that the single material system is difficult to meet the system application requirements. In this case， a silicon-based hybrid integrated electro-optical modulator combining the advantages of various material systems is proposed， which is expected to provide a strong support for the development of microwave photon analog optical transmission links and information processing.

Key words： electro-optic modulator； silicon-based hybrid integration； low half-wave voltage； small scale

近年来，雷达与电子对抗、无线通信等信息系统正朝着宽带化、集成化和小型化的方向快速发展。这些信息系统对模拟光链路都具有严格的要求，调制器是模拟光链路中的核心器件，需要具有高带宽、低半波电压、低插入损耗、小体积以及高线性度等特性。

众多机构对研制高性能调制器进行了深入探索，取得了卓有成效的进展和成果。按材料体系分类，电光调制器主要分为铌酸锂（LiNbO3）调制器、磷化铟（InP）调制器、硅调制器和聚合物电光调制器，几种调制器各具特色。例如：LiNbO3调制器是最成熟的电光调制器，带宽大、可靠性好，但尺寸大，难以实现与激光器和探测器集成；InP调制器易集成，但损耗高、成熟度低；硅调制器尺寸小，损耗低，但线性度差；聚合物电光调制器带宽大，但损耗高、可靠性差。因此，单靠一种材料体系，难以满足微波光子系统对宽带调制器的需求。硅基混合集成调制器融合了硅基材料体系易于集成和其他材料体系电光系数高的优势，获得了高度关注并极有可能在未来宽带信息系统中发挥重要的作用。

1 调制器发展现状分析

宽带光调制器按照材料分类主要分为了LiNbO3调制器、InP基调制器、硅基调制器，以及聚合物电光调制器。

1.1 LiNbO3电光调制器

LiNbO3具有电光系数大、本征调制带宽大、波导传输损耗小、稳定性好等优点。LiNbO3调制器是目前发展最成熟的调制器，其利用线性电光效应实现电信号对光信号的调制，通过外加电场改变光在晶体中传播的折射率，进而改变光的相位和偏振态，利用Mach-Zehnder结构可实现相位调制到强度调制的转换。所以LiNbO3调制器在模拟光链路中可作为相位调制器、偏振调制器和强度调制器。

早期LiNbO3调制器采用集总电极结构，但受到光波通过晶体的渡越时间以及外電路的电阻电容（RC）时间常数限制，器件调制带宽严重受限。为了克服这种限制，人们采用了行波电极结构，调制带宽不再受RC时间常数的限制。早在1999年，行波电极LiNbO3调制器的报道带宽就已达到40 GHz[1]。而此时光波与微波的速度匹配、源和传输线的阻抗匹配以及微波传输损耗则是影响带宽的主要因素。常采用的速度匹配方法有应用厚金属电极，引入开槽结构，在电极下镀一层低介电常数的缓冲层以及采用倒相电极结构和分段电极结构[2]。这些方法有时会减小光场和电场的重叠[3]，从而降低调制效率。为了提高调制效率，又有减薄LiNbO3厚度，设计脊型钛扩散LiNbO3波导结构，减小地电极宽度等方法，调制带宽可达105 GHz[4]。在商业应用上，Photline公司和EO space公司已有很成熟的40 GHz/60 GHz LiNbO3调制器产品，EO space公司现已研发出110 GHz的调制器，小体积、小功耗的LiNbO3调制器也有很多突破，目前主要应用于军事及航天产业中[5]。

上述传统的体材料LiNbO3调制器可以实现宽带调制，但一般Vπ高，体积大，对偏振敏感，插入损耗大。所以近几年基于单晶LiNbO3薄膜的调制器备受关注，包括单晶LiNbO3薄膜与易刻蚀的材料形成的混合集成调制器，以及刻蚀单晶LiNbO3薄膜形成的微纳LiNbO3调制器。2017年哈佛大学报道了纳米光子LiNbO3调制器，利用高精度刻蚀工艺在二氧化硅（SiO2）上的单晶LiNbO3薄膜上制备跑道型和Mach-Zehnder型电光调制器，最终带宽分别达到30 GHz和15 GHz[6]。