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100 Gbit/s以上的高性能混合硅和鈮酸鋰Mach–Zehnder調制器

發布:laserline    |    2019-03-14 16:29    閱讀:208
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由于現代社會的巨大需求,全球數據流量在過去三十年終不斷增長。這種快速的擴展對各級光網絡中的收發器提出了嚴峻的挑戰,即如何在降低能耗和成本的同時顯著提高數據速率。為了應對這一挑戰,基于絕緣體上硅(SOI)平臺的硅光子學已經成為領先的技術,因為它有可能在CMOS工廠低成本、大批量的生產光子集成電路(PICs)。光調制器是光通信鏈路的核心。理想情況下,它們應該具有低損耗、低驅動電壓、大帶寬、高線性、緊湊和低制造成本。不幸的是,這些標準只有在不同的場合才能實現。硅中的光調制主要依賴于自由載流子色散效應。然而自由載流子色散本質上是吸收和非線性的,這會降低光調制振幅(OMA),并且在使用高級調制格式時可能導致信號失真。人們已經嘗試在各種材料平臺上實現高性能光調制器,其中鈮酸鋰(LN)由于其優良的電光(EO)調制特性(源自Pockels效應),仍然是首選材料。在產生高波特率的多電平信號方面,LN調制器表現出無與倫比的效果,仍然是超長距離鏈路信息加載的最佳選擇。傳統的LN調制器是由具有弱光約束的低折射率對比度波導構成的,而微波電極必須放置在遠離光波導的位置,以減小吸收損耗,從而導致驅動電壓增加。因此,傳統的LN調制器體積大,調制效率低(VπL>10 Vcm)。近年來,絕緣體上的LN膜(LNOI)是制造具有良好限制波導器件的一個有前途的平臺,而具有低驅動電壓和超高EO帶寬的LNOI調制器也已得到證實。另一種將LN膜與SOI-PICs混合集成的方法也引起了相當大的興趣。混合硅/LN材料系統結合了硅光子學的可擴展性和LN的優良調制性能。已有文獻報道了幾種硅/LN混合光調制器的演示,所有這些都依賴于在硅波導頂部上由未圖案化的LN膜組成的超模波導結構。這種結構的設計是為了支持同時位于LN及其下硅波導中的分布式光學模式(這只是模態功率與LN區域重疊的一部分),這會降低調制效率。事實上,到目前為止所演示的混合Si/LN光調制器要么顯示出較低的光電帶寬,要么顯示出較高的工作電壓。


圖1 混合Si / LN MZM的結構。a,整個電路結構示意圖。b,混合波導的橫截面示意圖。c,LN波導的橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。d,金屬電極和光波導的SEM圖像。e,VAC示意圖。f,VAC在不同位置(A,B,C)的橫截面的SEM圖像和與橫截面相關的計算的模式分布。彩虹樣式的彩色圖用于表示模場強度,其中紅色表示最強的強度。

基于硅和鈮酸鋰混合集成平臺,中山大學光電材料與技術國家重點實驗室的研究人員展示了采用兩層混合集成波導和垂直絕熱耦合器(VACs)的混合Si/ LN Mach-Zehnder(MZMS),如圖1所示。它以苯并環丁烯(BCB)為基料,采用干浸蝕技術制備。它由兩個波導層和VACs組成,頂部的波導由一個X切LN膜的干法蝕刻形成,在發生EO相互作用(Pockels效應)時充當相位調制器, 底部SOI電路支持所有其他無源功能,包括兩個3 dB多模干擾(MMI)耦合器(拆分并組合光功率),以及兩個用于片外耦合的光柵耦合器。VACs由反錐形硅和疊加的LN波導構成,用作兩層之間上下耦合光的界面。VAC在硅波導和LN膜波導之間完全而非部分地傳輸光功率。這種混合集成體系結構提供了兩個明顯的優勢。首先,由于將光穿過芯片的部分放在底層硅波導上,因此僅需在LN膜中制作簡單的直波導。與基于純LNOI平臺的設備相比,這使得LN波導設計具有更緊湊的尺寸和更大的靈活性。第二,VACs和干刻蝕的LN波導設計,有助于光學模式和有源材料之間的高重疊,以及在LN波導中的良好光學限制。與其他具有非圖案LN膜的Si/LN混合器件相比,LN活性區的利用效率更高克服了以往方法的不足。


圖2 靜態EO性能。

如圖2和圖3所示,該器件具有較大的光電帶寬、較高的調制效率、較低的片內插入損耗和較高的線性度。插入損耗為2.5 dB,詳細測量了臂長為3mm和5mm的制造的MZM裝置,單驅動推挽操作的電壓長度乘積為2.2 V cm,對于所提出的硅/ LN調制器的混合,Vπ約1V。這將實現直接CMOS輸出的無驅動調制,而不會影響消光比。此外,具有這種長度的器件也可以安裝在一些常見的收發器封裝中,如QSFP(四通道小型可插拔),并可用于未來的400 G應用。線性度高,兩個設備測得的3 dB EO帶寬均大于70 GHz(圖3b),超出了矢量網絡分析儀(VNA)的測量范圍。測量的EO帶寬遠高于純硅基調制器,通過進一步優化行波電極可以將這種裝置的EO帶寬擴展到100GHz以上(電光帶寬至少為70 GHz)。整個測量系統已經受到射頻(RF)探頭和電纜帶寬的限制,作者評估了用于高速數字數據傳輸的3 mm設備的性能,成功演示了高達100 Gbit/s的開關鍵控(OOK)調制和高達112 Gbit/s的四電平脈沖幅度調制(PAM-4)。


圖3 EO帶寬和線性度。a,用于測量EO帶寬的實驗裝置。VNA,矢量網絡分析儀;EDFA,摻鉺光纖放大器;BPF,帶通濾波器;PD,光電探測器;PC,偏振控制器。b,長度為3 mm和5 mm的MZM的EO帶寬。c,用于測量IMD3 SFDR的實驗裝置。d, RF基頻輸出功率和IMD3成分在1 GHz和10 GHz下和RF輸入功率的函數,以及在于1 GHz下的商用LN MZM輸出性能。噪聲基底的帶寬為1 Hz,受RF頻譜分析儀的限制。

高性能調制器是通過無縫集成基于一種稱為鈮酸鋰的流行調制材料的高對比度波導來實現的,具有緊湊、低損耗的硅電路。文章中演示的混合平臺允許“同類最佳”有源和無源組件的組合,為未來的高速、節能和經濟高效的光通信網絡開辟了新的途徑。相關內容以《High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbit/s and beyond》為題,發表在《Nature Photonics》雜志上。


圖4 數據傳輸測試。a,用于測量眼圖的實驗裝置。AWG,任意波形發生器。b-e,OOK信號的光學眼圖,數據速率為56 Gb/s(b),72 Gb/s(c),84 Gb/s(d)和100 Gb/s(e)。動態消光比分別為11.8 dB,6.0 dB,5.5 dB和5.0 dB。f,g,在28 Gbaud(50 Gb/s)(f)和56 Gbaud(112 Gb/s)(g)下測量的PAM-4調制光學眼圖。h,28 Gbaud(56 Gb/s)和56 Gbaud(112 Gb/s)PAM-4信號的BER與接收光功率的測量曲線。

來源: Nature Photonics

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