基于鈮酸鋰的微型集成電光調(diào)制器

國(guó)香港城市大學(xué)Cheng Wang副教授、美國(guó)哈佛大學(xué)Marko Lon?ar教授和諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，利用納米微加工技術(shù)開發(fā)出一種微型、高效的新型鈮酸鋰電光調(diào)制器，與傳統(tǒng)電光調(diào)制器相比，其數(shù)據(jù)傳輸速度更快、能耗和成本更低，有望促進(jìn)5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。相關(guān)工作以“Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages”為題，發(fā)表在《Nature》上。

背景介紹

電光調(diào)制器是現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)的核心部件，用來將計(jì)算機(jī)設(shè)備中的高速電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，從而能夠在光纖中實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離高速傳輸；同時(shí)，它們還有望成為量子光子學(xué)和非互易光學(xué)等新興應(yīng)用的基礎(chǔ)模塊。所有這些應(yīng)用都要求使用芯片級(jí)的集成電光調(diào)制器，其工作電壓需要與CMOS半導(dǎo)體技術(shù)兼容，且具有超高的信號(hào)帶寬和非常低的光學(xué)損耗。盡管硅、磷化銦或聚合物等材料具有優(yōu)異的可擴(kuò)展性和獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，但是目前為止基于這些材料的集成調(diào)制器還不能同時(shí)滿足所有期望性能的要求。

近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈮酸鋰（LiNbO 3 ）材料具有極其優(yōu)異的電光特性，非常適合作為電光調(diào)制器的基礎(chǔ)材料，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的超快速調(diào)制、低電壓操作和較低的光損耗要求。但是，鈮酸鋰微結(jié)構(gòu)的加工制備技術(shù)一直沒有較大的突破，限制其關(guān)鍵性能指標(biāo)的優(yōu)化，如降低了鈮酸鋰電光效率、增大了尺寸、減少了電場(chǎng)和光場(chǎng)之間的重疊、不利于微波信號(hào)的傳遞，使鈮酸鋰電光調(diào)制器一直難以集成在芯片上。此外，目前使用鈮酸鋰晶體制造的電光調(diào)制器需要3-5 V的驅(qū)動(dòng)電壓，遠(yuǎn)高于互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路的1V電壓，從而使得整套設(shè)備需要加裝電流放大器，設(shè)備笨重、昂貴且耗能高。因此，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鈮酸鋰調(diào)制器較低的開/關(guān)電壓、超高的帶寬和低光損耗仍是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題。

創(chuàng) 新 研 究

在這個(gè)研究中，研究人員首先設(shè)計(jì)了單片集成的鈮酸鋰電光調(diào)制器，如圖1所示。納米光子鈮酸鋰調(diào)制器（圖1 a）具有極高的帶寬（>100GHz），能夠直接用CMOS電壓驅(qū)動(dòng)，而傳統(tǒng)調(diào)制器（圖1 b）需要較大、耗電的電驅(qū)動(dòng)放大器，且只有有限的帶寬（大約35GHz）。圖 c是20 mm器件的歸一化光傳輸與施加電壓的函數(shù)關(guān)系，單片集成的鈮酸鋰電光調(diào)制器表現(xiàn)出1.4V的低開關(guān)電壓，消光比為30dB。單片集成的鈮酸鋰電光調(diào)制器由三個(gè)具有多種微波信號(hào)線寬和器件長(zhǎng)度的Mach-Zehnder調(diào)制器組成（芯片顯微鏡圖1 d），薄膜型器件配置允許微波和光學(xué)器件之間的最大電磁場(chǎng)重疊和速度匹配。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用CMOS電路直接驅(qū)動(dòng)納米光子鈮酸鋰調(diào)制器。在有源調(diào)制長(zhǎng)度為20 mm的器件中，小信號(hào)電光響應(yīng)（圖2a）顯示出大于 45 GHz的帶寬。他們使用集成電光調(diào)制器進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制（圖2b），CMOS DAC電路產(chǎn)生的高速電信號(hào)能夠直接驅(qū)動(dòng)調(diào)制器而無需電子放大器，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了70 Gbit/s。圖2c，d分別是來自相干接收器的測(cè)量星座圖（constellation diagrams）和眼圖（eye diagrams），在每個(gè)數(shù)據(jù)采樣時(shí)恢復(fù)輸出光場(chǎng)的幅度和相位。在驅(qū)動(dòng)電壓Vpp =200 mV（圖2c），測(cè)得的誤碼率（BER）為1×10^-6^，調(diào)制器的能量損耗為0.37 fJ bit ^-1^ ；進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電壓Vpp = 60 mV（圖2d），測(cè)得的誤碼率（BER）為3.4×10^-3^，調(diào)制器的能量損耗進(jìn)一步減小到37aJ bit ^-1^ 。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的總能耗主要由片外組件決定，包括CMOS DAC、激光器、接收器設(shè)置和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗時(shí)，需要考慮整個(gè)系統(tǒng)。

鈮酸鋰調(diào)制器具有較高的電光帶寬和優(yōu)異的信號(hào)保真度，可實(shí)現(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)帶寬達(dá)100 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速度提升到每秒210千兆比特。 為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將來自CMOS DAC的電信號(hào)放大到約2.5 V（圖3a），驅(qū)動(dòng)集成調(diào)制器。首先，以100 G baud的超高符號(hào)率生成二進(jìn)制信號(hào)，以測(cè)試調(diào)制器（圖3b）。在BER為7.8×10^-5 ^的情況下，受到電源高頻失真的限制：在100 G baud沒有任何光電互轉(zhuǎn)換下，BER是 3.6 × 10 ^?5^ 。然后，在70 Gbaud下，使用多級(jí)調(diào)制碼型來進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率并查詢信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。在4 -ASK下，調(diào)制器數(shù)據(jù)傳輸速度為140 千兆比特，且誤比特率只有2.1 × 10^?5^。在8- ASK（每個(gè)符號(hào)3比特）下，調(diào)制器數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)210 千兆比特，且BER只有1.5 × 10^?2^。高消光比、低光損耗、線性光電響應(yīng)使得這些特性使調(diào)制器具有較高的信噪比。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，鈮酸鋰調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了良好的信號(hào)保真度。

此外，集成的鈮酸鋰調(diào)制器平臺(tái)比傳統(tǒng)的鈮酸鋰調(diào)制器和其他材料平臺(tái)表現(xiàn)出整體性能（電壓、帶寬和光學(xué)損耗）極大地提高。通過將器件長(zhǎng)度減小到10 mm和5 mm，進(jìn)一步將3 dB電光帶寬分別擴(kuò)展到80 GHz和100 GHz（圖4a，b）。這些器件的測(cè)量半波電壓V π （half-wave voltage）分別為2.3 V和4.4 V。進(jìn)一步優(yōu)化傳輸線的微波損耗，可以在保持CMOS電平電壓的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)大于100GHz的電光帶寬。納米級(jí)調(diào)制器比商用鈮酸鋰調(diào)制器和之前報(bào)道的薄膜鈮酸鋰器件表現(xiàn)出更好的電壓帶寬性能（約30 GHz V^-1^），如圖4c所示。這些調(diào)制器的超高帶寬可以使數(shù)據(jù)在超過200 Gbaud下操作。此外，此外，與其他高速調(diào)制器平臺(tái)相比，集成鈮酸鋰平臺(tái)打破了調(diào)制電壓和傳播損耗之間的傳統(tǒng)折衷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低光學(xué)損耗和低V π （圖4d）。鑒于集成鈮酸鋰平臺(tái)的電壓損耗性能，應(yīng)該可以使用更長(zhǎng)的器件進(jìn)一步將Vπ降至遠(yuǎn)低于1 V，同時(shí)保持片內(nèi)插入損耗低于1 dB。

結(jié)論

研究人員設(shè)計(jì)了具有CMOS兼容驅(qū)動(dòng)電壓的單片集成鋰鈮酸電光調(diào)制器，其大小是傳統(tǒng)電光調(diào)制器的~1/100，可在1伏特電壓下工作，其數(shù)據(jù)帶寬達(dá)100千兆赫，數(shù)據(jù)傳輸速度提升到每秒210千兆比特，而光損耗只有現(xiàn)有器件的約十分之一。通過設(shè)計(jì)微波和光子電路，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制器的高電光效率、超低光損耗和群速度匹配?？蓴U(kuò)展的調(diào)制器器件可以為下一代光通信網(wǎng)絡(luò)和微波光子系統(tǒng)提供低成本、低功耗和超高速的解決方案。香港城市大學(xué)太赫茲及毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃將該技術(shù)用于5G通信應(yīng)用中，該技術(shù)在量子光子學(xué)領(lǐng)域也有著良好的應(yīng)用前景。

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https://www.nature.com/articles/s41586-018-0551-y