前面的笔记已经分别介绍了硅光调制器的几种电学结构，包括载流子耗尽型硅基调制器，载流子积累型硅基调制器和载流子注入型硅光调制器。这篇笔记整理下硅光调制器的常见光学结构。
1. Mach-Zehnder干涉器型
MZI型调制器的典型结构如下图所示，入射光首先通过50/50分光比的分束器分为两路进行传播，传播过程下上下两臂存在着一定的相位差，接着再通过合束器将两路光合并到一起进行干涉。相位差信息会体现输出光的强度上。相位差为0，发生相长干涉，光强输出为1。相位差为pi时，发生相消干涉，光强输出为0。
(图片来自http://cdsweb.cern.ch/record/2282332/files/SimoneCammarata_SummerStudentReport2017_FinalVersion.pdf)
两臂的相位差与所施加的驱动电压有关，满足
对应的输出光强为，
从上式可以看出，相移器长度的选取存在一个trade-off, 一方面相移器长度越长，所需要的驱动电压/电流越小，另一方面长度变大之后，调制器的插损也会增大。因此需要根据具体的应用场景，选取合适的相移器长度。
光路中的分束器与合束器通常选用MMI_1x2、MMI_2x2, 主要原因是其对加工不敏感、工作带宽较大。
另外由于加工的误差，即便上下两臂设计成完全一样，也会存在一定的随机相位差，需要通过一定的办法将这个相位差抵消掉。常见的做法是两臂中引入热相移器，补偿这部分随机相位差。
（图片来自https://tspace.library.utoronto.ca/bitstream/1807/44043/1/MacKay_Alex_W_201403_MASc_thesis.pdf）
为了达到更高的调制速率，可以在上下两臂中引入多段相移器，实现PAM4的信号调制，如下图所示，
（图片来自文献1）
对应的输出光强为，
通过两个相位的组合，可以实现四个level的光强输出。
2. Micro-ring型
典型的微环型调制器由环形波导与bus波导构成，如下图所示，
（图片来自文献2）
输出光强满足，
当外加电压时，相移器引入一定的相位，导致微环的共振波长发生移动，对应上图中的蓝色曲线与红色曲线。对于初始共振波长来说，其强度从0变化到1。
微环调制器的带宽满足下式，
其带宽一方面受限于光学频谱的3dB带宽，也受限于系统的RC带宽。对于光学3dB带宽，往往需要设计好耦合条件以及环形波导的损耗，使得微环的光学带宽满足要求。当微环的Q值越高，光子在微环中的寿命越长，其状态越不容易发生改变，对应的调制带宽越小。微环调制器的OMA与带宽存在trade-off, loss越大，光学带宽越大，但是OMA变小。
由于微环结构对工艺比较敏感，通常需要借助热调的方式进行波长的校准与锁定。下图是几种常见的热调控制方式。较为常见的方式是通过监控drop port的输出光强，当共振波长达到目标值时，drop port光强最大。
(图片来自文献3)
另外，也有一部分研究将MZI ring结合，用于优化MZI输出曲线的线性度，提高微环调制器的ER, 典型结构如下图所示。
(图片来自文献4)
以上是对硅光调制器光学结构的简单总结，目前在产品中使用较多的是MZI型调制器，对于微环调制器，Ayar Labs和Intel等正在推动这一方向的产品化。相比较而言，MZI型调制器的尺寸较大，但是其光学带宽大，对工艺不敏感。微环调制器的尺寸较小，功耗较低，但是对工艺敏感，且需要热调进行波长的控制，对控制电路提出了更高的要求。
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参考文献：
- A. Samani, et.al., "Experimental parametric study of 128 Gb/s PAM-4 transmission system using a multi-electrode silicon photonic Mach Zehnder modulator", Opt. Exp. 25, 13252(2017)
- G. Li, et.al., "Ring Resonator Modulators in Silicon for Interchip Photonic Links", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 19, 95(2013)
- Z. Wang, et.al., "Resonance control of a silicon micro-ring resonator modulator under high-speed operation using the intrinsic defect-mediated photocurrent", Opt. Exp. 25, 24827(2017)
- A. Campo, "Development of Integrated Silicon Photonics Modulation Devices for Digital and Analog Applications", PhD thesis
