硅基光子芯片因其在光互连、光通信、光计算等领域的应用前景在近十年得到了广泛的关注。硅光调制器是硅光芯片中的关键器件。基于微谐振腔的小型化、低功耗的硅光调制器对提升集成规模、降低成本有较大助益，是一个重要研究方向。此类调制器的设计通常将谐振腔设置为临界耦合状态，以提高器件的关键性能（如消光比）。然而由于临界耦合状态稳定性较差，实际使用中器件的性能通常会受到较大的影响。最近，我院的江伟课题组报道了并联双跑道型谐振腔调制器，在强耦合情况下也能实现高消光比的高速调制，且器件工作电压、功耗都很低，有望推动基于微谐振腔的硅光调制器走向实用。
基于微谐振腔的硅光调制器通常将输入波导与谐振腔设计为临界耦合以提高器件的关键性能（如消光比）。理论上，在临界耦合状态下，器件的消光状态的输出光强严格为零（消光比无穷大）。然而由于临界耦合状态稳定性较差，器件的参数（尺寸、掺杂等）稍有波动就会明显偏离临界耦合。实际使用中器件的性能通常会受到较大的影响。尤其在高速调制(>30Gb/s)的情形下，很难达到较高的消光比。

图1. 并联双跑道型谐振腔调制器。
该课题组提出了并联双跑道型谐振腔调制器（图1），将两个的跑道型谐振腔在一个波导的两侧并联，通过两个谐振腔的光场与中央波导的光场的干涉，实现消光。这种器件结构无需临界耦合，在较宽泛的强耦合条件下，均可以通过电压调控折射率，实现较高的消光比，如图2(a)-(b)所示。理论研究表明，即使器件的参数出现了较大偏差，仍然能实现较高的消光比，如图2(c)-(d)所示。

图2、器件理论结果：(a) 输出光强与两谐振腔中折射率调制的关系I(n1, n2)；其中图中a、b点为器件的两种工作状态，a点为消光状态。(b) 两种工作状态的光谱。(c) 器件的谐振腔2的品质因子增加50%时的I(n1, n2)。(d) 器件的耦合常数减少20%时的I(n1, n2)。
基于此器件的实验表明，静态消光比可达20dB以上。尤其是50Gb/s高速调制下，消光比可达9.4 dB，信号/噪声的比值(SNR)可达7.0，如图3(c),(e)所示。相比于同样参数的单跑道型谐振腔调制器[图3(d),(f)]有大幅度提升，且器件的射频驱动电压较低仅有2.3V。此外，此器件还可以进行四阶脉冲振幅调制(PAM-4，指调制光强有4个状态)。相对于常规的只有两个输出光强状态的调制(OOK)，PAM-4调制对消光比要求较高，双跑道型谐振腔调制器原则上有较大优势。PAM-4调制通常需要两个比特信号合成为一个四阶信号，这一步通常通过外加数-模转换器(DAC)实现（但会增加器件尺寸与功耗），也可以在无DAC情形下在调制器内部实现（较为理想，但难度较大）。此前他人的工作利用两个常规谐振腔调制器实现了30Gbaud, 60Gb/s的无外加数-模转换器(DAC-less)的PAM-4调制。此工作中，双跑道型谐振腔调制器的多变量非线性传输函数给寻找适当的PAM-4调制状态带来了较大困难，研究中通过理论分析，对非线性传输函数发展了适当的非线性变换，克服了难点，找到了适当的PAM-4调制状态。最终实现了50Gbaud, 100Gb/s的无外加数-模转换器的PAM-4调制(图4)，且调制电压与功耗比此前工作明显降低，性能大幅提升。



图3、器件实验结果。双谐振腔调制器（第一行）与单谐振腔调制器（第二行）比较。(a)-(b) 光谱; (c)-(d) 50 Gb/s调制眼图；(e)-(f) 56 Gb/s调制眼图。

图4. 100Gb/s PAM-4调制实验。
上述结果证实了双跑道型谐振腔调制器可在低电压、低调制功耗下，实现高消光比、高信噪比，并可实现无需外加数-模转换器(DAC-less)的PAM-4光调制。其中发展的理论方法也可能对其他相关研究带来助益。这里发展的小型化调制器，在光互连、光通信、片上光子集成等领域有应用前景, 由于其尺寸小，电压低，对芯片上的应用尤为重要。
相关工作以"High Extinction Ratio Low-Voltage Dual-Racetrack Modulator for Low-Power DAC-less PAM4 Modulation"为题近日发表于国际期刊Optics Letters 47, 850 (2022)。此研究工作受到了国家自然科学基金、江苏省双创团队、国家重点研发计划等项目的支持。现代工学院博士生曾昭邦为文章一作，博士生冷乐蒙为共同一作，赵沛炎、章臣斌、丁鼎等研究生作出了贡献。美国特拉华大学的顾庭怡教授课题组也对此项研究作出了贡献。