[论文解读] Breaking the cavity linewidth limit of resonant optical modulators

Wesley D. Sacher, William M. J. Green+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2012

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文展示了在硅微环谐振器中通过非绝热耦合调制实现带宽调控，打破了传统高速与低功耗之间的权衡，通过将调制带宽与腔体线宽解耦，突破了带宽限制。通过使用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）耦合器以超过腔体线宽的速率调制耦合系数，作者实现了40 Gb/s传输，驱动电压低于1.5 V，从而在以往受限于带宽的高Q值谐振器中实现了高速、低功耗光调制。

ABSTRACT

Microring optical modulators are being explored extensively for energy-efficient photonic communication networks in future high-performance computing systems and microprocessors, because they can significantly reduce the power consumption of optical transmitters via the resonant circulation of light. However, resonant modulators have traditionally suffered from a trade-off between their power consumption and maximum operation bit rate, which were thought to depend oppositely upon the cavity linewidth. Here, we break this linewidth limitation using a silicon microring. By controlling the rate at which light enters and exits the microring, we demonstrate modulation free of the parasitic cavity linewidth limitations at up to 40 GHz, more than 6x the cavity linewidth. The device operated at 28 Gb/s using single-ended drive signals less than 1.5 V. The results show that high-Q resonant modulators can be designed to be simultaneously low-power and high-speed, features which are mutually incompatible in typical resonant modulators studied to date.

研究动机与目标

• 解决谐振型光调制器中高速运行与低功耗之间存在的根本性权衡问题。
• 证明通过将调制机制与腔内场动力学解耦，调制带宽可超过腔体线宽。
• 验证非绝热耦合调制是实现高Q值硅微环谐振器高速低功耗运行的可行方法。
• 在不同Q值和比特率下，对比耦合调制与传统腔内调制的能量效率。

提出的方法

• 采用硅-on-insulator（SOI）微环调制器，集成2×2马赫-曾德尔干涉仪（MZI）耦合器，实现对耦合系数与谐振波长的独立调控。
• 在MZI臂中使用差分相移器，通过电信号调制直通与交叉耦合系数（σ(t)与κ(t)），实现非绝热耦合调制。
• 向MZI相移器施加周期性方波驱动信号，对平均腔内场进行解析建模，并推导出耦合调制效率（ηc）。
• 利用扫频波长激光源、67 GHz矢量网络分析仪及40 GHz射频探针，表征S21响应与40 Gb/s下的眼图。
• 使用相同器件（集成PN结相移器）直接对比腔内调制与耦合调制，包括参考MZI测量以隔离耦合器特性。
• 基于Sacher和Poon（2008, 2009）的理论模型，计算能量效率（ηc）并与其与腔内调制（ηi）进行比较，结果表明在高Q值与高比特率下性能更优。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过将调制与腔内场动力学解耦，是否可使谐振型光调制器的带宽超过腔体线宽？
• RQ2 在高Q值微环谐振器中，非绝热耦合调制是否比腔内调制具有更高的能量效率？
• RQ3 在硅微环中，是否可使用耦合调制实现40 Gb/s传输且驱动电压低于1.5 V？
• RQ4 与腔内调制相比，耦合调制的能量效率如何随Q值与比特率变化？

主要发现

• 该调制器通过非绝热耦合调制实现40 Gb/s传输，单端驱动电压低于1.5 V，调制带宽超过腔体线宽6倍以上。
• 在高Q值下，耦合调制的能量效率（ηc）优于腔内调制（ηi），在40 Gb/s下，当 round-trip 长度为50 μm至500 μm时，ηc > ηi 可实现。
• 对于0–90%输出摆幅，当腔体线宽小于约1.2 GHz时，ηc 超过 ηi，对应半径为5 μm的环形谐振器Q值高于约10,000。
• 器件通过热调谐器实现了对耦合系数与谐振波长的独立调谐，实现了对两个参数的精确控制。
• 在28 Gb/s下，眼图显示清晰、开放的眼图，配合单抽头预加重，证实了无误码传输性能。
• 理论建模表明，非绝热耦合调制仅瞬时提取腔内存储能量的一小部分，因此可在不完全清空腔体的情况下实现高带宽运行。