基于铌酸锂的微型集成电光调制器

国香港城市大学Cheng Wang副教授、美国哈佛大学Marko Lončar教授和诺基亚贝尔实验室的研究人员合作，利用纳米微加工技术开发出一种微型、高效的新型铌酸锂电光调制器，与传统电光调制器相比，其数据传输速度更快、能耗和成本更低，有望促进5G产业的发展。相关工作以“Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages”为题，发表在《Nature》上。

背景介绍

电光调制器是现代通信产业的核心部件，用来将计算机设备中的高速电子信号转化为光信号，从而能够在光纤中实现信息的远距离高速传输；同时，它们还有望成为量子光子学和非互易光学等新兴应用的基础模块。所有这些应用都要求使用芯片级的集成电光调制器，其工作电压需要与CMOS半导体技术兼容，且具有超高的信号带宽和非常低的光学损耗。尽管硅、磷化铟或聚合物等材料具有优异的可扩展性和独特的性能优势，但是目前为止基于这些材料的集成调制器还不能同时满足所有期望性能的要求。

近年来，科学家发现铌酸锂（LiNbO 3 ）材料具有极其优异的电光特性，非常适合作为电光调制器的基础材料，可同时实现调制器的超快速调制、低电压操作和较低的光损耗要求。但是，铌酸锂微结构的加工制备技术一直没有较大的突破，限制其关键性能指标的优化，如降低了铌酸锂电光效率、增大了尺寸、减少了电场和光场之间的重叠、不利于微波信号的传递，使铌酸锂电光调制器一直难以集成在芯片上。此外，目前使用铌酸锂晶体制造的电光调制器需要3-5 V的驱动电压，远高于互补式金属氧化物半导体集成电路的1V电压，从而使得整套设备需要加装电流放大器，设备笨重、昂贵且耗能高。因此，同时实现铌酸锂调制器较低的开/关电压、超高的带宽和低光损耗仍是一个极具挑战性的问题。

创 新 研 究

在这个研究中，研究人员首先设计了单片集成的铌酸锂电光调制器，如图1所示。纳米光子铌酸锂调制器（图1 a）具有极高的带宽（>100GHz），能够直接用CMOS电压驱动，而传统调制器（图1 b）需要较大、耗电的电驱动放大器，且只有有限的带宽（大约35GHz）。图 c是20 mm器件的归一化光传输与施加电压的函数关系，单片集成的铌酸锂电光调制器表现出1.4V的低开关电压，消光比为30dB。单片集成的铌酸锂电光调制器由三个具有多种微波信号线宽和器件长度的Mach-Zehnder调制器组成（芯片显微镜图1 d），薄膜型器件配置允许微波和光学器件之间的最大电磁场重叠和速度匹配。

实验中，研究人员使用CMOS电路直接驱动纳米光子铌酸锂调制器。在有源调制长度为20 mm的器件中，小信号电光响应（图2a）显示出大于 45 GHz的带宽。他们使用集成电光调制器进行数据调制（图2b），CMOS DAC电路产生的高速电信号能够直接驱动调制器而无需电子放大器，数据传输速率达到了70 Gbit/s。图2c，d分别是来自相干接收器的测量星座图（constellation diagrams）和眼图（eye diagrams），在每个数据采样时恢复输出光场的幅度和相位。在驱动电压Vpp =200 mV（图2c），测得的误码率（BER）为1×10^-6^，调制器的能量损耗为0.37 fJ bit ^-1^ ；进一步降低驱动电压Vpp = 60 mV（图2d），测得的误码率（BER）为3.4×10^-3^，调制器的能量损耗进一步减小到37aJ bit ^-1^ 。整个数据传输系统的总能耗主要由片外组件决定，包括CMOS DAC、激光器、接收器设置和模数转换器。在评估整个系统的能量消耗时，需要考虑整个系统。

铌酸锂调制器具有较高的电光带宽和优异的信号保真度，可实现更高速率的数据传输，其数据带宽达100 GHz，数据传输速度提升到每秒210千兆比特。 为实现这一目标，将来自CMOS DAC的电信号放大到约2.5 V（图3a），驱动集成调制器。首先，以100 G baud的超高符号率生成二进制信号，以测试调制器（图3b）。在BER为7.8×10^-5 ^的情况下，受到电源高频失真的限制：在100 G baud没有任何光电互转换下，BER是 3.6 × 10 ^−5^ 。然后，在70 Gbaud下，使用多级调制码型来进一步提高数据速率并查询信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。在4 -ASK下，调制器数据传输速度为140 千兆比特，且误比特率只有2.1 × 10^−5^。在8- ASK（每个符号3比特）下，调制器数据传输速度达210 千兆比特，且BER只有1.5 × 10^−2^。高消光比、低光损耗、线性光电响应使得这些特性使调制器具有较高的信噪比。实验进一步表明，铌酸锂调制器实现了良好的信号保真度。

此外，集成的铌酸锂调制器平台比传统的铌酸锂调制器和其他材料平台表现出整体性能（电压、带宽和光学损耗）极大地提高。通过将器件长度减小到10 mm和5 mm，进一步将3 dB电光带宽分别扩展到80 GHz和100 GHz（图4a，b）。这些器件的测量半波电压V π （half-wave voltage）分别为2.3 V和4.4 V。进一步优化传输线的微波损耗，可以在保持CMOS电平电压的同时，实现大于100GHz的电光带宽。纳米级调制器比商用铌酸锂调制器和之前报道的薄膜铌酸锂器件表现出更好的电压带宽性能（约30 GHz V^-1^），如图4c所示。这些调制器的超高带宽可以使数据在超过200 Gbaud下操作。此外，此外，与其他高速调制器平台相比，集成铌酸锂平台打破了调制电压和传播损耗之间的传统折衷，同时实现了低光学损耗和低V π （图4d）。鉴于集成铌酸锂平台的电压损耗性能，应该可以使用更长的器件进一步将Vπ降至远低于1 V，同时保持片内插入损耗低于1 dB。

结论

研究人员设计了具有CMOS兼容驱动电压的单片集成锂铌酸电光调制器，其大小是传统电光调制器的~1/100，可在1伏特电压下工作，其数据带宽达100千兆赫，数据传输速度提升到每秒210千兆比特，而光损耗只有现有器件的约十分之一。通过设计微波和光子电路，实现了调制器的高电光效率、超低光损耗和群速度匹配。可扩展的调制器器件可以为下一代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。香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室计划将该技术用于5G通信应用中，该技术在量子光子学领域也有着良好的应用前景。

文章链接

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