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来源：上海微系统所，集成电路材料全国重点实验室，异质集成XOI课题组近日，瑞士洛桑联邦理工大学Tobias Kippenberg教授团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员团队及德国卡尔斯鲁厄理工学院Christian Koos合作，在钽酸锂薄膜平台上实现了调制带宽为110 GHz、单载波传输速率为405 Gbps的马赫曾德尔型调制器，该工作为下一代高速光通信网络和微波光子系统提供低成本、低功耗和超高速的解决方案。相关工作以“Ultrabroadband thin-film lithium tantalate modulator for high-speed communications”为题，发表在国际光学领域旗舰期刊《Optica》上。论文通讯作者为欧欣研究员、Christian Koos博士，Tobias Kippenberg教授。在5G和人工智能(AI)等新技术广泛应用的推动下，全球数据流量持续增长，这给各级光网络的收发器带来了巨大挑战。具体而言，下一代电光调制器技术需求在降低能耗和成本的同时，大幅提高数据传输速率至单通道200 Gbps。在过去几年中，硅光子技术已被广泛应用于光收发器市场，这主要是由于硅光子器件可以利用技术成熟的CMOS工艺大批量生产硅光器件。然而，依靠载流子色散效应的SOI电光调制器在带宽、功耗以及自由载波吸收和调制非线性等面临巨大挑战。行业内其他的技术路线有InP、薄膜铌酸锂LNOI、电光聚合物以及其他多平台异质集成的方案。LNOI是被认为是可以在超高速和低功耗调制方面取得最优异性能的方案，然而其目前其在量产工艺和成本方面存在一定挑战。近期，合作团队推出了兼具优异光电特性和大规模制造的薄膜钽酸锂(LTOI)集成光子平台[Nature629, 784–790 (2024)]，其在许多方面的应用性能有望达到甚至超过铌酸锂、硅光平台。然而，至今，光通信的核心器件——超高速电光调制器尚未在LTOI中得到验证。在这个研究中，研究人员首先设计了LTOI电光调制器，器件结构如图1所示。通过对绝缘体上钽酸锂各层结构和微波电极参数的设计，实现了电光调制器中的微波和光波传播速度匹配。在降低微波电极的损耗方面，研究人员在这个工作中首次提出使用电导率更好的银作为电极材料，银电极被证明微波损耗可以降低至相比广泛使用的金电极的82%。图1 LTOI电光调制器的结构图以及相位匹配设计、微波电极损耗测试LTOI电光调制器的驱动电压为4.8 V，同时具有110 GHz的3dB调制带宽(如图2c)。钽酸锂被认为具有比铌酸锂更低的光折变效应，由此制备的LTOI电光调制器在直流偏置漂移方面具有更加稳定的性能(如图2b)。研究人员评估了银微波电极性能的稳定性，在6个月的空气暴露中，器件展示了一致的电学传输损耗性能。图2 LTOI电光调制器的性能 (a)半波电压测试；(b)在正交偏压下，一小时内调制器输出光强度的动态变化；(c)测量和模拟的电光带宽(EO S21)；(d) LiTaO3调制器的电学传输(EE S21)和反射(EE S11)系数测试结果
图3展示了研究人员使用LTOI电光调制器用于光通信系统中强度调制直接探测(IMDD)的实验装置和结果，实验表明，LTOI电光调制器可以以176 GBd的符号速率传输PAM8信号，其测得的BER为3.8×10⁻²低于25% SD-FEC阈值。而对于200 GBd的PAM4和208 GBd的PAM2，其BER均显著低于15% SD-FEC和7% HD-FEC的阈值。图3的眼图和直方图测试结果直观地表明了LTOI电光调制器可以在高线性度和低误码率的高速通信系统中实现应用。图3 使用LTOI电光调制器用于光通信系统中强度调制直接探测(IMDD)的实验 (a)实验装置；(b) PAM8(红色)、PAM4(绿色)和PAM2(蓝色)信号的测量误码率(BER)与符号率的函数关系；(c)对于误码率值低于25% SD-FEC限值的测量，提取的可用信息速率(AIR，虚线)和相关净数据速率(NDR，实线)；(d)在PAM2、PAM4、PAM8调制下的眼图和统计直方图
本工作展示了首个高速LTOI调制器，其电光3 dB带宽达到了110 GHz。在强度调制直接检测IMDD传输实验中，该器件实现了单载波净数据速率405 Gbit/s，相关结果已经与现有LNOI、等离子体调制器等电光平台的最佳性能相当。未来采用更复杂的I/Q调制器设计或更先进的信号纠错技术，或采用更低微波损耗的衬底如石英衬底，钽酸锂器件有望实现2 Tbit/s或更高的通讯速率。结合LTOI具有特定优势，如更低的双折射和由于其在其他射频滤波器市场中的广泛应用带来的规模化效应，钽酸锂光子技术将下一代高速光通信网络和微波光子系统提供低成本、低功耗和超高速的解决方案。文章链接：Chengli Wang, Dengyang Fang, Junyin Zhang, Alexander Kotz, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Zihan Li, Adrian Schwarzenberger, Xin Ou, Christian Koos, and Tobias J. Kippenberg, "Ultrabroadband thin-film lithium tantalate modulator for high-speed communications," Optica 11, 1614-1620 (2024).https://doi.org/10.1364/OPTICA.537730
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