多波長復用：超緊湊薄膜鈮酸鋰發(fā)射芯片

  隨著人工智能、5G系統(tǒng)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的快速增長，數(shù)據(jù)通信迫切需要具有大容量發(fā)射機，其關鍵在于超快光調制及多通道復用。

  近年來，薄膜鈮酸鋰(Thin-Film Lithium Niobate)電光調制器(Electro-Optic Modulators)憑借其大調制帶寬、高線性度、低傳輸損耗等優(yōu)點吸引了越來越多的關注，而采用多維復用技術(空分復用、波分復用、模分復用等)構建多通道發(fā)射器(Transmitters)可進一步顯著提升系統(tǒng)容量。因此，在薄膜鈮酸鋰平臺上將高速調制器與高性能復用器件進行單片集成進而實現(xiàn)大容量光反射芯片極具吸引力，其面臨的挑戰(zhàn)主要包括兩方面。一方面，由于各項異性材料及傾斜側壁結構等特點使得薄膜鈮酸鋰波分復用器件的實現(xiàn)并不容易，難以滿足高集成度與高性能的需求。另一方面，基于馬赫-曾德干涉儀或環(huán)形諧振腔等結構的薄膜鈮酸鋰電光調制器總體尺寸仍然偏大，難以滿足高集成度的要求。

  針對這一情形，浙江大學戴道鋅教授課題組在Light: Advanced Manufacturing上發(fā)表了題為“Ultra-compact lithium niobate photonic chip for high-capacity and energy-efficient wavelength-division-multiplexing transmitters”的研究論文。

  該工作采用新型2×2 FP腔電光調制器陣列與四通道多模波導光柵波分復用器，實現(xiàn)了單片集成的薄膜鈮酸鋰光發(fā)射芯片(圖1a)，其功能區(qū)尺寸僅0.3×2.8 mm2，演示了320 Gbps(4×80 Gbps)OOK信號和400 Gbps(4×100 Gbps)PAM4信號的大容量傳輸。

圖1：四通道波分復用薄膜鈮酸鋰光發(fā)射器芯片示意圖

  在該項工作中，其四通道波分復用器采用了級聯(lián)的反對稱多模波導光柵濾波器(圖1 b)，其原理是：TE?模入射后經(jīng)多模波導光柵轉換為反射TE?模，再由模式解復用器轉換為下載段TE?模，從而避免回到入射端口。在此，通過振幅切趾設計，實現(xiàn)了高邊模抑制比、大自由光譜范圍的單通道帶通濾波器，進而通過級聯(lián)則可實現(xiàn)多通道波分復用器。同時，基于多模波導光柵結構構建出新型2×2 FP腔結構，代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形諧振腔結構實現(xiàn)了等效調制區(qū)長度僅50 μm的小尺寸、高效率的電光調制器(圖1c)。在此設計中，所采用的反對稱多模波導光柵結構可破解傳統(tǒng)布拉格光柵器件/FP腔器件需引入外接環(huán)形器或隔離器的困局，且無需在功能區(qū)引入彎曲波導，避免了傳統(tǒng)設計由于彎曲波導中模式雜化帶來的系列問題。

圖2：FP腔調制器單元

  基于團隊的自主刻蝕工藝，成功研制了由2×2 FP腔電光調制器陣列與四通道多模波導光柵波分復用器單片集成的薄膜鈮酸鋰光發(fā)射芯片，各通道具有出色的均勻性(附加損耗僅~0.8 dB、消光比>20 dB)，均可獲得80 Gbps OOK和100 Gbps PAM4高速信號眼圖(圖3)，展示了其優(yōu)越性能。總的來講，基于多模波導光柵的光濾波器與2×2 FP腔光調制器具有結構緊湊、設計簡便、拓展靈活等突出優(yōu)勢，在波分復用光互連及光計算等領域具有重要潛力。

圖3：四個通道40 Gbps/80 Gbps OOK及100 Gbps PAM4信號眼圖

  論文信息

  Hongxuan Liu, Bingcheng Pan, Yishu Huang, Jianghao He, Ming Zhang, Zejie Yu, Liu Liu, Yaocheng Shi, Daoxin Dai. Ultra-compact lithium niobate photonic chip for high-capacity and energy-efficient wavelength-division-multiplexing transmitters[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 13(2023).

  https://doi.org/10.37188/lam.2023.013