由于现代社会的巨大需求，全球数据流量在过去三十年终不断增长。这种快速的扩展对各级光网络中的收发器提出了严峻的挑战，即如何在降低能耗和成本的同时显著提高数据速率。为了应对这一挑战，基于绝缘体上硅（SOI）平台的硅光子学已经成为领先的技术，因为它有可能在CMOS工厂低成本、大批量的生产光子集成电路（PICs）。光调制器是光通信链路的核心。理想情况下，它们应该具有低损耗、低驱动电压、大带宽、高线性、紧凑和低制造成本。不幸的是，这些标准只有在不同的场合才能实现。硅中的光调制主要依赖于自由载流子色散效应。然而自由载流子色散本质上是吸收和非线性的，这会降低光调制振幅（OMA），并且在使用高级调制格式时可能导致信号失真。人们已经尝试在各种材料平台上实现高性能光调制器，其中铌酸锂（LN）由于其优良的电光（EO）调制特性（源自Pockels效应），仍然是首选材料。在产生高波特率的多电平信号方面，LN调制器表现出无与伦比的效果，仍然是超长距离链路信息加载的最佳选择。传统的LN调制器是由具有弱光约束的低折射率对比度波导构成的，而微波电极必须放置在远离光波导的位置，以减小吸收损耗，从而导致驱动电压增加。因此，传统的LN调制器体积大，调制效率低（VπL>10 Vcm）。近年来，绝缘体上的LN膜（LNOI）是制造具有良好限制波导器件的一个有前途的平台，而具有低驱动电压和超高EO带宽的LNOI调制器也已得到证实。另一种将LN膜与SOI-PICs混合集成的方法也引起了相当大的兴趣。混合硅/LN材料系统结合了硅光子学的可扩展性和LN的优良调制性能。已有文献报道了几种硅/LN混合光调制器的演示，所有这些都依赖于在硅波导顶部上由未图案化的LN膜组成的超模波导结构。这种结构的设计是为了支持同时位于LN及其下硅波导中的分布式光学模式（这只是模态功率与LN区域重叠的一部分），这会降低调制效率。事实上，到目前为止所演示的混合Si/LN光调制器要么显示出较低的光电带宽，要么显示出较高的工作电压。

图1 混合Si / LN MZM的结构。a，整个电路结构示意图。b，混合波导的横截面示意图。c，LN波导的横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像。d，金属电极和光波导的SEM图像。e，VAC示意图。f，VAC在不同位置（A，B，C）的横截面的SEM图像和与横截面相关的计算的模式分布。彩虹样式的彩色图用于表示模场强度，其中红色表示最强的强度。

基于硅和铌酸锂混合集成平台，中山大学光电材料与技术国家重点实验室的研究人员展示了采用两层混合集成波导和垂直绝热耦合器（VACs）的混合Si/ LN Mach-Zehnder（MZMS），如图1所示。它以苯并环丁烯（BCB）为基料，采用干浸蚀技术制备。它由两个波导层和VACs组成，顶部的波导由一个X切LN膜的干法蚀刻形成，在发生EO相互作用（Pockels效应）时充当相位调制器, 底部SOI电路支持所有其他无源功能，包括两个3 dB多模干扰（MMI）耦合器（拆分并组合光功率），以及两个用于片外耦合的光栅耦合器。VACs由反锥形硅和叠加的LN波导构成，用作两层之间上下耦合光的界面。VAC在硅波导和LN膜波导之间完全而非部分地传输光功率。这种混合集成体系结构提供了两个明显的优势。首先，由于将光穿过芯片的部分放在底层硅波导上，因此仅需在LN膜中制作简单的直波导。与基于纯LNOI平台的设备相比，这使得LN波导设计具有更紧凑的尺寸和更大的灵活性。第二，VACs和干刻蚀的LN波导设计，有助于光学模式和有源材料之间的高重叠，以及在LN波导中的良好光学限制。与其他具有非图案LN膜的Si/LN混合器件相比，LN活性区的利用效率更高克服了以往方法的不足。

图2 静态EO性能。

如图2和图3所示，该器件具有较大的光电带宽、较高的调制效率、较低的片内插入损耗和较高的线性度。插入损耗为2.5 dB，详细测量了臂长为3mm和5mm的制造的MZM装置，单驱动推挽操作的电压长度乘积为2.2 V cm，对于所提出的硅/ LN调制器的混合，Vπ约1V。这将实现直接CMOS输出的无驱动调制，而不会影响消光比。此外，具有这种长度的器件也可以安装在一些常见的收发器封装中，如QSFP（四通道小型可插拔），并可用于未来的400 G应用。线性度高，两个设备测得的3 dB EO带宽均大于70 GHz（图3b），超出了矢量网络分析仪（VNA）的测量范围。测量的EO带宽远高于纯硅基调制器，通过进一步优化行波电极可以将这种装置的EO带宽扩展到100GHz以上（电光带宽至少为70 GHz）。整个测量系统已经受到射频（RF）探头和电缆带宽的限制，作者评估了用于高速数字数据传输的3 mm设备的性能，成功演示了高达100 Gbit/s的开关键控（OOK）调制和高达112 Gbit/s的四电平脉冲幅度调制（PAM-4）。

图3 EO带宽和线性度。a，用于测量EO带宽的实验装置。VNA，矢量网络分析仪;EDFA，掺铒光纤放大器;BPF，带通滤波器;PD，光电探测器;PC，偏振控制器。b，长度为3 mm和5 mm的MZM的EO带宽。c，用于测量IMD3 SFDR的实验装置。d， RF基频输出功率和IMD3成分在1 GHz和10 GHz下和RF输入功率的函数，以及在于1 GHz下的商用LN MZM输出性能。噪声基底的带宽为1 Hz，受RF频谱分析仪的限制。

高性能调制器是通过无缝集成基于一种称为铌酸锂的流行调制材料的高对比度波导来实现的，具有紧凑、低损耗的硅电路。文章中演示的混合平台允许“同类最佳”有源和无源组件的组合，为未来的高速、节能和经济高效的光通信网络开辟了新的途径。相关内容以《High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbit/s and beyond》为题，发表在《Nature Photonics》杂志上。

图4 数据传输测试。a，用于测量眼图的实验装置。AWG，任意波形发生器。b-e，OOK信号的光学眼图，数据速率为56 Gb/s（b），72 Gb/s（c），84 Gb/s（d）和100 Gb/s（e）。动态消光比分别为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）下测量的PAM-4调制光学眼图。h，28 Gbaud（56 Gb/s）和56 Gbaud（112 Gb/s）PAM-4信号的BER与接收光功率的测量曲线。

来源： Nature Photonics

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