世界首例鈮酸鋰薄膜偏振復用相干光調制器

  近日，中山大學蔡鑫倫教授課題組實現了世界首例鈮酸鋰薄膜偏振復用相干光調制器，該器件半波電壓低至1 V，而調制帶寬超過了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制器芯片。利用這一芯片，研究團隊聯合華為公司和浙江大學演示了目前單載波相干傳輸的最高數據傳輸凈速率—1.96Tb/s。

  在5G、物聯網、虛擬現實、人工智能等新一代信息技術推動下，通信網絡信息容量繼續呈指數增長，光通信技術面臨如何進一步拓寬帶寬和降低能耗的巨大挑戰。電光調制器是把電子信號加載至光載波上的關鍵功能器件，也是電光調制器芯片是光通信系統中容量、能耗和集成度矛盾最突出的瓶頸性器件。對光通信系統來說，它的性能不僅決定了發射光信號的數據傳輸速率、質量和距離，并且也是光模塊尺寸和功耗的決定性因素。

  支持偏振復用的同向正交(Dual-polarization In-phase Quadrature, DP-IQ)調制器的作用是將數字電信號以傳輸效率更高的高階幅度相位調制格式加載到兩個偏振態相互正交的光載波上，是相干光通信系統發射端的核心關鍵器件，也是復雜程度最高的電光調制器。長久以來，世界各國都在致力于實現小型化、超大帶寬(>100 GHz)、超低驅動電壓(~1V)和高線性度的DP-IQ調制器。

  與傳統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強和本征光損耗低等優點的同時，可以構建具有較高折射率差的光波導，通過壓縮光波模式的橫截面積大幅度降低調制電壓和功耗，并且可以大大縮小光子器件尺寸，因此非常有利于實現規?；傻男〕叽?、高性能光電子芯片。

  近年來，基于鈮酸鋰薄膜的光電子器件研究取得了激動人心的進展，研制出一大批性能優越的光電子功能芯片，然而支持超高速率光傳輸的鈮酸鋰薄膜DP-IQ調制器在此之前仍未被攻克。

  研究創新點

  本項研究實現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(圖1)。該單片集成了四個馬赫曾德爾型調制器(MZM)和低串擾、低插入損耗的偏振旋轉合束器(PRC)。該芯片展示了目前世界上最優異的電壓-帶寬乘積這一關鍵性能指標(>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)，相比傳統電極，具有更低的微波損耗以及更完美的電光匹配，實測電光調制器帶寬超過110 GHz(圖2)，已達到實驗室微波測試設備的測量極限，這也是世界首例帶寬超過100 GHz的DP-IQ電光調制器。

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

圖2 半波電壓為1 V，電光帶寬達到110 GHz

  芯片中的四路MZM都具有低至1V的半波電壓，調制驅動電壓僅僅需要600 mV左右，可以由普通的低功耗CMOS芯片直接驅動，這一特性將在未來低功耗、低成本的光通信鏈路中發揮重要作用。利用該器件，研究團隊展示了130 Gbaud的概率星座圖整形400 QAM(圖3)。器件在CMOS兼容的驅動電壓下，實現了單載波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

  總結與展望

  近年來，我國鈮酸鋰薄膜材料及其光子集成技術研究走在世界前列，取得了一系列國際首創的研究成果。本項工作進一步表明，在高端鈮酸鋰薄膜調制器芯片的研究上，中國本土團隊已經取得了世界領先的地位。鈮酸鋰薄膜材料及其光子集成技術研究不但為實現我國光通信產業鏈自主可控提供了有力保障，并且打開了率先掌握和應用下一代先進技術的機遇窗口。'

  論文信息：

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

  本文轉自微信公眾號“愛光學” 編輯： 方紫璇