國香港城市大學Cheng Wang副教授、美國哈佛大學Marko Lon?ar教授和諾基亞貝爾實驗室的研究人員合作，利用納米微加工技術開發出一種微型、高效的新型鈮酸鋰電光調制器，與傳統電光調制器相比，其數據傳輸速度更快、能耗和成本更低，有望促進5G產業的發展。相關工作以“Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages”為題，發表在《Nature》上。

背景介紹

電光調制器是現代通信產業的核心部件，用來將計算機設備中的高速電子信號轉化為光信號，從而能夠在光纖中實現信息的遠距離高速傳輸；同時，它們還有望成為量子光子學和非互易光學等新興應用的基礎模塊。所有這些應用都要求使用芯片級的集成電光調制器，其工作電壓需要與CMOS半導體技術兼容，且具有超高的信號帶寬和非常低的光學損耗。盡管硅、磷化銦或聚合物等材料具有優異的可擴展性和獨特的性能優勢，但是目前為止基于這些材料的集成調制器還不能同時滿足所有期望性能的要求。

近年來，科學家發現鈮酸鋰（LiNbO 3 ）材料具有極其優異的電光特性，非常適合作為電光調制器的基礎材料，可同時實現調制器的超快速調制、低電壓操作和較低的光損耗要求。但是，鈮酸鋰微結構的加工制備技術一直沒有較大的突破，限制其關鍵性能指標的優化，如降低了鈮酸鋰電光效率、增大了尺寸、減少了電場和光場之間的重疊、不利于微波信號的傳遞，使鈮酸鋰電光調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制器需要3-5 V的驅動電壓，遠高于互補式金屬氧化物半導體集成電路的1V電壓，從而使得整套設備需要加裝電流放大器，設備笨重、昂貴且耗能高。因此，同時實現鈮酸鋰調制器較低的開/關電壓、超高的帶寬和低光損耗仍是一個極具挑戰性的問題。

創 新 研 究

在這個研究中，研究人員首先設計了單片集成的鈮酸鋰電光調制器，如圖1所示。納米光子鈮酸鋰調制器（圖1 a）具有極高的帶寬（>100GHz），能夠直接用CMOS電壓驅動，而傳統調制器（圖1 b）需要較大、耗電的電驅動放大器，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關系，單片集成的鈮酸鋰電光調制器表現出1.4V的低開關電壓，消光比為30dB。單片集成的鈮酸鋰電光調制器由三個具有多種微波信號線寬和器件長度的Mach-Zehnder調制器組成（芯片顯微鏡圖1 d），薄膜型器件配置允許微波和光學器件之間的最大電磁場重疊和速度匹配。

實驗中，研究人員使用CMOS電路直接驅動納米光子鈮酸鋰調制器。在有源調制長度為20 mm的器件中，小信號電光響應（圖2a）顯示出大于 45 GHz的帶寬。他們使用集成電光調制器進行數據調制（圖2b），CMOS DAC電路產生的高速電信號能夠直接驅動調制器而無需電子放大器，數據傳輸速率達到了70 Gbit/s。圖2c，d分別是來自相干接收器的測量星座圖（constellation diagrams）和眼圖（eye diagrams），在每個數據采樣時恢復輸出光場的幅度和相位。在驅動電壓Vpp =200 mV（圖2c），測得的誤碼率（BER）為1×10^-6^，調制器的能量損耗為0.37 fJ bit ^-1^ ；進一步降低驅動電壓Vpp = 60 mV（圖2d），測得的誤碼率（BER）為3.4×10^-3^，調制器的能量損耗進一步減小到37aJ bit ^-1^ 。整個數據傳輸系統的總能耗主要由片外組件決定，包括CMOS DAC、激光器、接收器設置和模數轉換器。在評估整個系統的能量消耗時，需要考慮整個系統。

鈮酸鋰調制器具有較高的電光帶寬和優異的信號保真度，可實現更高速率的數據傳輸，其數據帶寬達100 GHz，數據傳輸速度提升到每秒210千兆比特。 為實現這一目標，將來自CMOS DAC的電信號放大到約2.5 V（圖3a），驅動集成調制器。首先，以100 G baud的超高符號率生成二進制信號，以測試調制器（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沒有任何光電互轉換下，BER是 3.6 × 10 ^?5^ 。然后，在70 Gbaud下，使用多級調制碼型來進一步提高數據速率并查詢信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。在4 -ASK下，調制器數據傳輸速度為140 千兆比特，且誤比特率只有2.1 × 10^?5^。在8- ASK（每個符號3比特）下，調制器數據傳輸速度達210 千兆比特，且BER只有1.5 × 10^?2^。高消光比、低光損耗、線性光電響應使得這些特性使調制器具有較高的信噪比。實驗進一步表明，鈮酸鋰調制器實現了良好的信號保真度。

此外，集成的鈮酸鋰調制器平臺比傳統的鈮酸鋰調制器和其他材料平臺表現出整體性能（電壓、帶寬和光學損耗）極大地提高。通過將器件長度減小到10 mm和5 mm，進一步將3 dB電光帶寬分別擴展到80 GHz和100 GHz（圖4a，b）。這些器件的測量半波電壓V π （half-wave voltage）分別為2.3 V和4.4 V。進一步優化傳輸線的微波損耗，可以在保持CMOS電平電壓的同時，實現大于100GHz的電光帶寬。納米級調制器比商用鈮酸鋰調制器和之前報道的薄膜鈮酸鋰器件表現出更好的電壓帶寬性能（約30 GHz V^-1^），如圖4c所示。這些調制器的超高帶寬可以使數據在超過200 Gbaud下操作。此外，此外，與其他高速調制器平臺相比，集成鈮酸鋰平臺打破了調制電壓和傳播損耗之間的傳統折衷，同時實現了低光學損耗和低V π （圖4d）。鑒于集成鈮酸鋰平臺的電壓損耗性能，應該可以使用更長的器件進一步將Vπ降至遠低于1 V，同時保持片內插入損耗低于1 dB。

結論

研究人員設計了具有CMOS兼容驅動電壓的單片集成鋰鈮酸電光調制器，其大小是傳統電光調制器的~1/100，可在1伏特電壓下工作，其數據帶寬達100千兆赫，數據傳輸速度提升到每秒210千兆比特，而光損耗只有現有器件的約十分之一。通過設計微波和光子電路，實現了調制器的高電光效率、超低光損耗和群速度匹配?？蓴U展的調制器器件可以為下一代光通信網絡和微波光子系統提供低成本、低功耗和超高速的解決方案。香港城市大學太赫茲及毫米波國家重點實驗室計劃將該技術用于5G通信應用中，該技術在量子光子學領域也有著良好的應用前景。

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