世界首例鈮酸鋰薄膜偏振復(fù)用相干光調(diào)制器

  近日，中山大學(xué)蔡鑫倫教授課題組實(shí)現(xiàn)了世界首例鈮酸鋰薄膜偏振復(fù)用相干光調(diào)制器，該器件半波電壓低至1 V，而調(diào)制帶寬超過(guò)了110 GHz，這是目前世界上最高性能的超低電壓和超大帶寬的電光調(diào)制器芯片。利用這一芯片，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華為公司和浙江大學(xué)演示了目前單載波相干傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)傳輸凈速率—1.96Tb/s。

  在5G、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新一代信息技術(shù)推動(dòng)下，通信網(wǎng)絡(luò)信息容量繼續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，光通信技術(shù)面臨如何進(jìn)一步拓寬帶寬和降低能耗的巨大挑戰(zhàn)。電光調(diào)制器是把電子信號(hào)加載至光載波上的關(guān)鍵功能器件，也是電光調(diào)制器芯片是光通信系統(tǒng)中容量、能耗和集成度矛盾最突出的瓶頸性器件。對(duì)光通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的性能不僅決定了發(fā)射光信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率、質(zhì)量和距離，并且也是光模塊尺寸和功耗的決定性因素。

  支持偏振復(fù)用的同向正交(Dual-polarization In-phase Quadrature, DP-IQ)調(diào)制器的作用是將數(shù)字電信號(hào)以傳輸效率更高的高階幅度相位調(diào)制格式加載到兩個(gè)偏振態(tài)相互正交的光載波上，是相干光通信系統(tǒng)發(fā)射端的核心關(guān)鍵器件，也是復(fù)雜程度最高的電光調(diào)制器。長(zhǎng)久以來(lái)，世界各國(guó)都在致力于實(shí)現(xiàn)小型化、超大帶寬(>100 GHz)、超低驅(qū)動(dòng)電壓(~1V)和高線性度的DP-IQ調(diào)制器。

  與傳統(tǒng)的鈮酸鋰晶體材料相比較，鈮酸鋰薄膜在繼承其固有的線性電光效應(yīng)強(qiáng)和本征光損耗低等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以構(gòu)建具有較高折射率差的光波導(dǎo)，通過(guò)壓縮光波模式的橫截面積大幅度降低調(diào)制電壓和功耗，并且可以大大縮小光子器件尺寸，因此非常有利于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化集成的小尺寸、高性能光電子芯片。

  近年來(lái)，基于鈮酸鋰薄膜的光電子器件研究取得了激動(dòng)人心的進(jìn)展，研制出一大批性能優(yōu)越的光電子功能芯片，然而支持超高速率光傳輸?shù)拟壦徜嚤∧P-IQ調(diào)制器在此之前仍未被攻克。

  研究創(chuàng)新點(diǎn)

  本項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了世界首例基于鈮酸鋰薄膜的偏振復(fù)用相干光調(diào)制器芯片(圖1)。該單片集成了四個(gè)馬赫曾德?tīng)栃驼{(diào)制器(MZM)和低串?dāng)_、低插入損耗的偏振旋轉(zhuǎn)合束器(PRC)。該芯片展示了目前世界上最優(yōu)異的電壓-帶寬乘積這一關(guān)鍵性能指標(biāo)(>100 GHz/V2)。芯片采用了具有超大帶寬的電容加載行波電極 (capacitance-loaded traveling-wave electrodes，CL-TWE)，相比傳統(tǒng)電極，具有更低的微波損耗以及更完美的電光匹配，實(shí)測(cè)電光調(diào)制器帶寬超過(guò)110 GHz(圖2)，已達(dá)到實(shí)驗(yàn)室微波測(cè)試設(shè)備的測(cè)量極限，這也是世界首例帶寬超過(guò)100 GHz的DP-IQ電光調(diào)制器。

圖1 基于鈮酸鋰薄膜的雙偏振相干光調(diào)制器示意圖及片上偏振旋轉(zhuǎn)合束器的顯微鏡照片

圖2 半波電壓為1 V，電光帶寬達(dá)到110 GHz

  芯片中的四路MZM都具有低至1V的半波電壓，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓僅僅需要600 mV左右，可以由普通的低功耗CMOS芯片直接驅(qū)動(dòng)，這一特性將在未來(lái)低功耗、低成本的光通信鏈路中發(fā)揮重要作用。利用該器件，研究團(tuán)隊(duì)展示了130 Gbaud的概率星座圖整形400 QAM(圖3)。器件在CMOS兼容的驅(qū)動(dòng)電壓下，實(shí)現(xiàn)了單載波1.96 Tb/s的傳輸速率，這是目前單載波相干傳輸凈比特速率的世界紀(jì)錄，每比特的電功耗僅有1.04 fJ/bit。

圖3 130 Gbaud 400 QAM概率整形星座圖

  總結(jié)與展望

  近年來(lái)，我國(guó)鈮酸鋰薄膜材料及其光子集成技術(shù)研究走在世界前列，取得了一系列國(guó)際首創(chuàng)的研究成果。本項(xiàng)工作進(jìn)一步表明，在高端鈮酸鋰薄膜調(diào)制器芯片的研究上，中國(guó)本土團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了世界領(lǐng)先的地位。鈮酸鋰薄膜材料及其光子集成技術(shù)研究不但為實(shí)現(xiàn)我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)鏈自主可控提供了有力保障，并且打開(kāi)了率先掌握和應(yīng)用下一代先進(jìn)技術(shù)的機(jī)遇窗口。'

  論文信息：

  https://doi.org/10.1364/OPTICA.449691

  本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“愛(ài)光學(xué)” 編輯： 方紫璇