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电光调制器是将高速宽带电信号从电域转换到光域的核心器件,在大容量光通信系统和微波光子系统中具有广泛应用,是国际学术界和产业界的研究重点。最近几年,光纤骨干网快速增长的传输容量使得调制器必须拥有更大的EO（电光）带宽,更低的功耗和更高的调制线性度,以实现更高速率的光信号传输与处理。相比于铌酸锂调制器和III–V族调制器,硅基调制器的制作工艺可以和微电子CMOS工艺技术相兼容,因此生产成本低并且易于和微电子器件集成在同一个芯片中。在各种类型的硅基调制器中,载流子耗尽型马赫曾德尔调制器（MZM）表现出较好的性能优势,已经成为当下学术界和产业界的研究热点。为了解决差分驱动硅基电光调制器的微波驱动信号传输损耗大和调制非线性高的缺陷,本论文提出了一种单端推挽驱动的硅基载流子耗尽型马赫曾德尔调制器,并聚焦于建立该类型调制器的等效电路模型,为调制器的设计和优化提供一种快捷有效的方式,以达到提高调制器调制速率和线性度以及降低功耗的目标。本文首先从差分驱动的硅基载流子耗尽型调制器的等效电路模型入手,介绍了硅基调制器行波电极的三条设计原则:阻抗匹配、相位匹配和减小微波损耗。本文分析该电路中各元素对微波损耗和特性阻抗的影响以便于指导硅基调制器的设计,接着以该分析为基础,提出了一种单端推挽驱动载流子耗尽型硅基马赫曾德尔调制器结构,该调制器具有损耗低、啁啾小和线性度高的特点。接着依据部分电容技术和保角变换法,推导出了调制器每层结构的等效电容、等效电感和等效阻抗的计算公式,并建立了该调制器的等效电路模型。该等效电路模型对调制器的优化设计可以给予直观和明细的指导。为了证明该模型的正确性并且确保能够有效指导调制器的设计与优化,我们将调制器关键参数的仿真结果和基于该模型的计算结果做比较。由该类型调制器的等效电路可知,由于采用了两个PN二极管串联,从而可以降低微波驱动信号的传输损耗。以等效电路模型为基础,论文开展了调制器设计与性能优化方面的研究。首先介绍了衡量调制性能各项指标参数的概念。为了实现较高的调制器性能,要对PN结的结构参数和掺杂浓度进行优化来提高调制效率和降低光传输损耗。之后,提出了采用分段PN结的行波电极结构来降低微波驱动信号的损耗。同时对行波电极的阻抗匹配、相位匹配和损耗也予以了详细研究,重点分析了电极的宽度和间距,并且根据等效电路模型进行了相应的优化,以达到提高调制器EO带宽的效果。论文对单端推挽驱动载流子耗尽型调制器的输出光传输谱进行了测试,得到调制器的插入损耗在7 dB到9 dB之间,半波电压V?大约在5 V。小信号动态测试表明在偏置电压Vb=0 V的情况下,该类型调制器的电学6.4dB带宽(EE S21)为18.3 GHz,入射端反射系数(S11)低于-20 dB,说明行波电极的特性阻抗大约为50?。在Vb=4V的情况下,调制器的3dB-EO带宽大于29GHz。论文接着分别对双端差分调制器和单端差分调制器进行测试,测试结果表明相比于双端差分驱动调制器,单端差分调制器可以在更小的驱动电压和偏置电压下实现更高消光比和信噪比的二进制通断键控（OOK）调制。当微波驱动电压峰峰值为7.8V时,该调制器可以实现56 Gb/s的OOK调制和40 Gb/s的二进制相移键控（BPSK）调制,其中BPSK的误码率远低于前向纠错的门限要求。随后论文采用传递函数的方法对硅基载流子耗尽型调制器线性度进行了理论研究。在高阶码型调制的通信系统中,调制器的线性度是一个关键指标,它可以用无杂散动态范围（SFDR）来表征。通过对传输函数进行Taylor展开和Jacobi–Anger展开,可以得出调制器的非线性主要来源于三个方面:调制器有源区光损耗的非线性、调制相移的非线性以及MZM正弦型传输函数的非线性,可以通过推挽驱动、差分光电检测和选择合适的调制器工作点来削减三种非线性以提高调制线性度。相比与双端差分驱动,单端差分驱动因为可以通过一个端口的输入产生自动匹配的差分推挽信号从而可有效降低调制的二次谐波失真（SHD）。当单端差分调制器工作点选择在正交点时,二次谐波失真无杂散动态范围(SFDRSHD)测试结果为85.9 dB·Hz1/2,比之前报道的双端差分驱动硅基调制器的SFDRSHD最优结果提高了3.9 dB。三阶交调失真无杂散动态范围(SFDRIMD)测试结果为97.7 dB·Hz2/3。另外,使用该高线性调制器可以实现多电平脉冲幅度调制（PAM）,其中PAM-2,3,4,5调制的符号速率可以达到40 Gbaud/s,PAM-8调制的符号速率可以达到25 Gbaud/s。为了克服单个载流子耗尽型调制器本身固有的非线性对SFDR的限制,本文提出了双平行马赫曾德尔调制器。该类型调制器可以通过对其中两个子调制器施加不同幅值的RF驱动电压,输入不同大小的光功率使两个子调制器产生的失真相消,从而提高调制器的调制线性度。通过建立双平行MZM的理论模型并进行相应的研究可以得出,调制器的线性度可以通过调整主MZM和次MZM的RF驱动电压、直流偏置电压和调制工作点来提高。为了能够测试该调制器的线性度,我们对调制器芯片进行了电学封装。测试结果表明,相比一个单端差分驱动调制器,双平行调制器可以有效削减二次谐波失真和三阶交调失真（IMD）。SFDRIMD测试结果在1GHz频段为101.4dB·Hz2/3,在10GHz频段为96.5 dB·Hz2/3。最后,本论文对所做的研究工作进行了总结,针对硅基调制器未来的研究方向和技术发展要点进行了展望。