前沿：基于薄膜铌酸锂的紧凑型慢光波导和慢光调制器- 大数跨境

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前沿：基于薄膜铌酸锂的紧凑型慢光波导和慢光调制器

两江科技评论

2023-09-18

来源：沃特德古意特纳米光子学

图1 基于耦合布拉格谐振腔的慢光波导和慢光调制器的结构示意图。(a) 由鱼骨形状的布拉格光栅组成的慢光波导。(b) 基于行波电极结构的慢光马赫曾德尔调制器。(c) 由多个耦合布拉格谐振腔组成的慢光马赫曾德尔调制器。

1. 导读

近年来，薄膜铌酸锂光电子平台已经成为光通信、非线性光学、量子光学等一系列研究领域中主流的光电子集成平台。凭借着薄膜铌酸锂其出色的材料特性，包括高温度稳定性、宽通信透明窗口以及高度线性的普克尔效应，超低驱动电压、超大电光带宽的高性能薄膜铌酸锂电光调制器已经被研究人员实验验证并有望在下一代高速光互联系统中得到大规模应用。然而，实现紧凑型、宽工作带宽、快电光响应的高性能薄膜铌酸锂电光调制器依旧是非常具有挑战性的。

近日浙江大学光电学院刘柳研究员团队提出了基于耦合布拉格谐振腔结构的慢光马赫曾德尔调制器(SL-MZM)设计。基于耦合布拉格谐振腔的慢光波导可以实现最大7.5的光波群折射率，光学插入损耗仅有2.9dB。该SL-MZM在调制长度仅有370μm的情况下，在8nm的光学通带范围内实现了大于50GHz的电光调制带宽，同时支持64Gbit/s和 80Gbit/s的OOK信号的传输，误码率小于KP4-FEC和HD-FEC的标准。

2. 研究背景

由于铌酸锂材料的电光系数(r₃₃~30pm/V)较小，传统薄膜铌酸锂MZM的器件长度通常在1cm以上。虽然基于谐振腔结构的薄膜铌酸锂电光调制器尺寸较小，如环形谐振腔、法布里-珀罗谐振腔以及光子晶体谐振腔结构等等，但其工作波长通常受限于1nm以内，电光调制对环境温度非常敏感，需要稳定的波长调谐系统来辅助测试，同时其电光调制机理需要妥协驱动电压和调制速度之间的平衡，因此存在一定的性能瓶颈。利用等离子体效应的MZM有着更为紧凑的尺寸，同时可以实现高的调制效率，但其驱动电压大、光学插损大以及高频响应差的劣势并不能满足目前高速光通信系统的需求。因此，提出具有紧凑尺寸、宽的工作波长范围以及出色的电光调制特性的高性能薄膜铌酸锂电光调制器仍然具有很大的挑战性。

3. 创新研究

如图1所示，慢光波导结构由一系列鱼骨状的布拉格光栅以及具有半个周期的π相移器结构组成，每个布拉格光栅按照50%的占空比排列分布。我们可以通过调整布拉格光栅的侧壁光栅微扰宽度δ、光栅波导宽度W、级联布拉格光栅谐振腔个数N以及单个谐振腔中布拉格光栅的个数P等参数，从而灵活地调整慢光波导的插入损耗、光学通带内3dB带宽以及光学群折射率等等，如图2所示。

图2 基于耦合谐振腔结构的慢光波导的光学插入损耗，光学通带内的3dB带宽以及光学群折射率随着布拉格光栅的侧壁光栅微扰宽度δ、光栅波导宽度W、级联布拉格光栅谐振腔个数N以及单个谐振腔中布拉格光栅的个数P的变化趋势二维颜色图。

同样地，为了更好地表征慢光波导在薄膜铌酸锂调制器中的作用，我们实现了基于耦合布拉格谐振腔结构的SL-MZM，如图1所示。慢光波导分布在SL-MZM的两臂上，地-信号-地的电极为行波推挽式分布结构，输入的横电场模式和射频电场沿着薄膜铌酸锂Y方向同向传播，因此可以利用最大的铌酸锂电光系数来实现电光调制。图3展示了慢光波导内横电场基模以及射频电场的分布情况，并且通过调整级联布拉格光栅谐振腔个数N以及单个谐振腔中布拉格光栅的个数P可以实现更高的调制效率以及远大于67GHz的电光调制带宽。

图3 慢光调制器的设计。(a) 仿真的横电场基模的分布情况。(b) 仿真的射频电场f=100GHz分布情况。(c) 仿真计算的电光调制效率随着级联布拉格光栅谐振腔个数N以及单个谐振腔中布拉格光栅的个数P的变化趋势二维颜色图。(d)仿真计算的不同级联布拉格光栅谐振腔个数N下的电光响应曲线。

接着，我们实验表征了慢光波导的光学性能。如图4所示，基于耦合谐振腔结构的慢光波导展示了低的光学插入损耗、宽带的光学通带范围以及更大的光学群折射率。同时光学插入损耗、光学通带范围和光学群折射率随着不同的布拉格光栅的结构参数的变化趋势和仿真结果基本保持一致。基于慢光波导实现的SL-MZM同样得到实验表征。如图5所示，该SL-MZM实现了高效的调制效率V_πL=1.29Vꞏcm，在8nm的光学通带范围内实现了超过50GHz的电光调制带宽。同时该调制器支持64Gbit/s和80Gbit/s OOK高速信号的传输，误码率小于KP4-FEC和HD-FEC的标准。

图4 (a) 慢光波导的测试光谱响应曲线。(b) 分布FP腔的慢光波导的测试光谱响应曲线。不同侧壁光栅微扰宽度δ和光栅波导宽度W下的 (c) 光学插入损耗、(d) 光学通带内的3dB带宽和 (e) 光学群折射率。(f) 不同级联布拉格光栅谐振腔个数N下的光学插损变化。

图5 (a) 慢光调制器的波长/电压的变化曲线。(b) 不同工作点下的慢光调制器的电光响应曲线。(c) 高速眼图测试以及误码率测试的实验装置图。(d) 64Gbit/s OOK信号眼图， (e) 80Gbit/s OOK信号眼图。(f) 不同接收光功率下的误码率测试曲线。

4. 应用与展望

研究团队首次在同质集成的薄膜铌酸锂平台上观察并得到慢光效应，并且实现了薄膜铌酸锂平台上的基于慢光效应的SL-MZM，该调制器在器件长度仅有370μm的情况下，在8nm的工作波长范围内实现了超过50GHz的电光带宽，同时支持64Gbit/s以及80Gbit/s的OOK高速信号传输，误码率小于KP4-FEC和HD-FEC的标准。该高性能慢光调制器支持高容量和大规模的片上集成，将会为下一代高速光互联系统提供新的解决方案。

该研究成果以“Compact
slow-light waveguide and modulator on thin-film lithium niobate platform”为题在线发表在Nanophotonics。

本文作者分别是Gengxin Chen, Haohua Wang, Bin Chen, Ziliang Ruan, Changjian Guo, Kaixuan Chen, Liu Liu,其中Gengxin Chen(陈耿鑫)为第一作者，刘柳研究员为通讯作者。该工作获得国家自然科学基金等项目支持。

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