基于薄膜铌酸锂平台的高性能相干光调制器

几十年来，在光网络的各个层次上，全球互联网流量以惊人的速度持续增长。为了满足这一不断增长的需求，数字相干传输技术已被引入到长距离通信链路中，采用数字信号处理和高级调制格式的相干传输技术，使网络更接近光纤的理论容量极限，即香农极限。这项技术现在有望渗透到快速增长、容量巨大的短距离链路中，如地铁和数据中心互连，同相/正交（IQ）调制器必须在小空间内工作，同时具有低损耗、低驱动电压和大带宽的特点。近十年来，基于低折射率差异的铌酸锂（LiNbO3，LN）波导的IQ调制器一直是产生高级调制格式的主流器件，但是它们的性能已经达到了极限。到目前为止，现成的基于LN的IQ调制器仍然体积大、功耗大，至少需要5 cm才能到达到3.5 V的半波电压（Vπ），而且进一步提高电光（EO）带宽（通常在35 GHz左右）的希望不大，这限制了它们的实际短程应用。

图1 LNOI平台上的IQ调制器。a 基于LNOI的IQ调制器的示意图。b 制造芯片的显微镜图像。c 热光学移相器的扫描电子显微镜（SEM）图像。d LN波导横截面的三维扫描电镜图像。e 金电极和LN波导的扫描电镜照片。

在各种材料平台上，包括硅（Si）、磷化铟（InP）、聚合物和等离子体等，人们已经做出了巨大的努力来实现小尺寸和高性能的IQ调制器。尽管这些平台通常具有紧凑的封装空间和大带宽的优点，但每种类型的调制器都有其局限性，包括大的Vπ（Si）、高的光损耗（等离子体）、非线性响应（InP）或对长期稳定运行的担忧（聚合物）。同时具有所有期望特性的理想IQ调制器的开发仍然是一个挑战，这主要是由于底层材料的限制。基于绝缘体的铌酸锂（LNOI）是一种结构紧凑、高性能调制器的理想材料平台，只需对LNOI晶片的器件层进行蚀刻就可在其上形成具有强光约束的高对比度波导。基于LNOI的Mach–Zehnder调制器（MZMs）已被证明具有低驱动电压和超高EO带宽，其性能显著优于传统的同类产品。近日中山大学的研究人员演示了能够同时满足低损耗、低驱动电压、大带宽、低啁啾和紧凑的尺寸这些要求的集成薄膜铌酸锂同相/正交调制器。它能够以高级调制格式对信号进行编码，例如正交相移键控（QPSK）和正交幅度调制（QAM）信号。与传统的铌酸锂相比，该器件的整体性能(半波电压、带宽和光损耗)得到了极大改善，成功演示了高达220 Gbit/s（110 Gbaud）的QPSK调制和高达320 Gbit/s（80 Gbaud）的16 QAM调制。这种光电调制器件为未来高速、节能、低成本的通信网络铺平了新道路。

图1显示了基于LNOI的IQ调制器由嵌套的两个平行行波MZM分别作为I和Q分量构成。光功率分配器/合路器由1×2多模干涉（MMI）耦合器实现，I和Q MZMs都是具有地-信号-地（GSG）微电极的平衡行波调制器，其中两个LN臂位于地和信号电极的间隙中。图1b显示该器件在单驱动推挽结构中工作，因此施加的微波场在两臂上产生大小相等但符号相反的相移，从而导致几乎无啁啾调制。图1c显示了对于QPSK和QAM调制的零点偏置设置。对LN波导的横截面和行波电极进行了优化，使其同时满足低Vπ和大电光带宽。相位调制部分的LN波导的顶宽w为4μm，板厚s为300 nm，脊高h为300 nm。波导的侧壁倾斜64°（图1d）。图1e设计的共面行波电极可以同时实现宽带阻抗匹配以及微波和光信号的速度匹配。

图2 静态EO特性。a、 b将13mm和7.5mm器件的两个分支的光传输归一化为外加电压的函数，Vπ分别为1.9 V和3.1 V。插图a显示了对数标度下测量的标准化透射比，显示消光比大于25 dB。c测量了不同波长的光传输。

图2测量了两个器件在100 kHz三角电压扫描下的Vπ。7.5和13 mm器件的测量Vπ分别为3.1和1.9V，分别对应于2.3和2.4伏厘米的VπL。图2a的插图显示了一个子MZM在对数标度上的透射，暗示测量的消光比大于25 dB。在同一个芯片上制作了十多个器件，测量的消光比在24～28 dB之间。图2c显示了不同波长的光传输，显示了整个C波段的宽带操作。

图3 数据调制测试。a 相干数据传输的实验装置。AWG：任意波形发生器，LO：本振，OMA：光调制分析仪，PC：偏振控制器。b–g是符号速率为60、80、100和110 Gbaud的QPSK信号和符号速率为60和80 Gbaud的16 QAM信号的星座图。h测量了60 Gbaud 16 QAM信号的误码率与接收光功率的关系曲线。

使用制作的低Vπ、大带宽和低损耗13毫米LNOI IQ调制器来生成高达320 Gb/s的高级调制格式。实验装置如图3a所示。首先展示了QPSK的生成，QPSK是相干传输系统中应用最广泛的格式之一，用于性能基准测试。图3b–e总结了在60、80、100和110 Gbaud下测得的星座图，分别对应于120、160、200和220 Gb/s的数据传输速率。所有调制的QPSK信号产生非常好的误码率（BER）性能，远远低于KP4前向纠错（FEC）极限。此外，在80Gbaud和100Gbaud下，使用BER < 10−9实现了无差错操作。然后在高波特率下使用16 QAM调制格式来进一步提高数据速率，并研究了信噪比（SNR），这是衡量调制信号保真度的常用指标。图3f，g所示为具有QAM的60Gbaud和80Gbaud的星座图。对于60Gbaud 16QAM（数据速率为240Gbit/s）,可以实现8.6 × 10−5的低误码率。在80Gbaud 16QAM（数据速率为320Gbit/s）的情况下，8.4×10−3的误码率仍然在软判决前向纠错（SD-FEC）限值范围内。在60Gbaud16QAM下的背对背（B2B）误码曲线，如图3h所示。误码率也远低于SD-FEC限值，在测量过程中未观察到误差下限。这里所展示的高信噪比得益于线性电光响应、低插入损耗和纯相位调制，所有这些都来自于LN材料中的Pockels效应。相关工作以《High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform》为题，发表在《Nature Communications》上。