鈮奧光電研制的鈮酸鋰薄膜相干調制器芯片支持世界首例260G波特DP-QPSK信號100公里光纖傳輸

  研發背景

  信息社會發展的大趨勢下，人類與機器產生的信息總量在未來15年內仍將以每年50-60% 的速度指數增長，未來光纖網絡能否提供快速增長的海量信息傳輸所需的通信容量，是事關信息技術發展是否具有可持續性的根本性問題。其面臨的關鍵挑戰是如何在不斷擴展光信道帶寬和信噪比以提高信息傳輸容量的同時，不但實現單位容量能耗的降低，并且進一步實現信道總能耗的降低，從而逆轉能耗隨信息量上升的總體趨勢。以光電子芯片與器件為代表的物理硬件技術，是解決上述關鍵技術挑戰和卡脖子問題的主要突破口。

  提升光纖傳輸的符號速率(波特率)，可以大幅減少光纖通信發射端的芯片和器件的數量，是光纖通信網絡提速率、降能耗、控成本的重要手段。目前商用的相干光傳輸系統采用7nm工藝節點的數字信號處理(DSP)芯片，配合符號速率96G波特和64QAM的調制碼型，可支持800Gbit/s數據傳輸速率。下一代的傳輸系統采用5nm DSP、配合符號速率130G波特、QPSK調制碼型，可支持400Gbit/s數據速率1500公里的長距離傳輸。下一步能否實現符號速率超過200G波特的相干光通信系統，成為業界關注的焦點。其關鍵在于光電子芯片和微電子芯片能否突破當前的性能瓶頸，而具有100GHz以上的超大電光帶寬和<1V的超低驅動電壓的電光調制器是實現這一目標的核心關鍵光電子芯片。

  主要創新

  2022年1月，中山大學與華為合作，在國際著名刊物《Optica》上發表了世界首例基于鈮酸鋰薄膜的偏振復用相干光調制器芯片(M. Xu, et al. Optica 2022, 9(1): 61-62)，首次實現了高達1.96Tb/s的單載波傳輸速率，然而該芯片演示的符號速率僅為130Gbaud的波特率。將波特率提升至200Gbaud以上仍面臨許多挑戰，需要系統中所有光電元件都具有足夠的帶寬，且高波特率下的電驅動信號幅度僅為百毫伏量級，對電光調制器芯片和測試儀器都提出了嚴苛的要求。

  在上述工作基礎上，鈮奧光電、中山大學、貝爾實驗室(法國)、III-V實驗室(法國)和是德科技組成了聯合研發團隊，進一步優化設計了鈮酸鋰薄膜電光調制器的光學設計和微波設計，利用石英襯底實現了超低的微波損耗，并利用容性行波電極實現了微波速率與光波速率的片上同步傳輸，成功研制了3dB電光帶寬達110 GHz、半波電壓低至1 V的高性能雙偏振相干光調制器，如圖1所示。為了開展穩定傳輸實驗，鈮奧光電還完成了低損耗的光纖陣列與調制器芯片的耦合，并實現了可靈活排布射頻接口的封裝模塊。

  圖1 鈮奧光電和中山大學研制的鈮酸鋰薄膜IQ調制器

      聯合團隊進一步利用采樣率高達260Gsa/s、帶寬超過75GHz的是德科技M8199B樣機這一目前最高性能的任意波形發生器(AWG)，實現了破紀錄的260G超高波特率DP-QPSK調制(如圖2所示)，并演示了100km單模光纖傳輸。還進一步利用185G波特PCS-64QAM高階調制格式，實現了1.84 Tb/s可達信息比率(AIR)(如圖3所示)。鈮酸鋰薄膜調制器的大帶寬、低驅動電壓等優異性能，使得傳輸實驗中無需采用非線性DSP算法和復雜算法的MLSE均衡器，從而以更低的DSP復雜度和功耗再一次創造了相干光傳輸的記錄。

  圖2 該工作演示了目前最高的光纖通信波特率

  圖 3 (a)180 Gbaud以上的高階調制光信號;(b)高達260 Gbaud QPSK調制。

  總結與展望

       鈮奧光電和中山大學研制的超低驅動電壓、超大電光帶寬的鈮酸鋰薄膜雙偏振相干調制器與低復雜度DSP相結合，實現了260 Gbuad的超高波特率和1.94Tb/s信息率的100千米傳輸，將對單載波2 Tbit/s以上超高數據傳輸速率在短—中距互聯中的應用起到有力推動作用。