解析光子積體電路環形調變器頻率響應：短距相干傳輸的基礎量測

環形調變器在相干光傳輸中的角色

光子積體電路（PIC）環形調變器（Ring modulators, RM）廣泛用於強度調變與直接檢測應用，但隨著相干傳輸架構需求增加，其作為相位調變元件的特性受到關注。為幫助設計與整合，必須精確掌握其電光頻率響應，包括增益與相位行為。

裝置概述：操作點設於過耦合條件

研究使用來自 IHP 製程的矽環形調變器，結構包括 16 μm 半徑與 rib 波導（500 nm 寬、220 nm 高）。裝置設計於過耦合狀態，能在特定波長實現 2π 相位轉換，進而達到 π 相位調變效果，同時保持光強穩定。此裝置的插入損耗為 10 dB，Vπ 為 5.7 V peak-to-peak。

頻率響應量測與建模

研究團隊透過異頻相干接收架構量測該 RM 的複數電光頻率響應。包括雷射光源、摻鉺光纖放大器（Erbium-doped fiber amplifier, EDFA）、相干接收器（Commercial coherent receiver, CoRx）與實時示波器，訊號處理則於離線進行。模擬方面則運用純量耦模理論（Coupled mode theory, CMT）模型，根據光傳輸譜與反射參數進行時域建模，再轉換至頻域。

實驗與模擬顯示

在 18.5 GHz 處，增益下降 3 dB，且相位增加約 0.25π；

實測與模擬結果整體趨勢一致，部分差異來自儀器元件未完全消除的影響。

結論

本研究完成了矽環形調變器於 π 相位調變條件下的複數電光頻率響應量測與模擬，涵蓋增益與相位兩個面向。量測結果與耦合模態理論模擬相符，顯示該環形調變器行為可對應為一階系統，提供調變器特性描述所需的關鍵資料依據。

參考資料

[1]    Y. Jo, Y. Ji, H.-K. Kim, S. Lischke, C. Mai, L. Zimmermann, and W.-Y. Choi, "Complex Electro-Optic Frequency-Response Characterization of a Si Ring Modulator," Yonsei University and IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, Seoul, South Korea, and Frankfurt, Germany, 2024.