鈮奧光電研制的鈮酸鋰薄膜相干調(diào)制器芯片支持世界首例260G波特DP-QPSK信號100公里光纖傳輸

  研發(fā)背景

  信息社會發(fā)展的大趨勢下，人類與機(jī)器產(chǎn)生的信息總量在未來15年內(nèi)仍將以每年50-60% 的速度指數(shù)增長，未來光纖網(wǎng)絡(luò)能否提供快速增長的海量信息傳輸所需的通信容量，是事關(guān)信息技術(shù)發(fā)展是否具有可持續(xù)性的根本性問題。其面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何在不斷擴(kuò)展光信道帶寬和信噪比以提高信息傳輸容量的同時，不但實(shí)現(xiàn)單位容量能耗的降低，并且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信道總能耗的降低，從而逆轉(zhuǎn)能耗隨信息量上升的總體趨勢。以光電子芯片與器件為代表的物理硬件技術(shù)，是解決上述關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和卡脖子問題的主要突破口。

  提升光纖傳輸?shù)姆査俾?波特率)，可以大幅減少光纖通信發(fā)射端的芯片和器件的數(shù)量，是光纖通信網(wǎng)絡(luò)提速率、降能耗、控成本的重要手段。目前商用的相干光傳輸系統(tǒng)采用7nm工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號處理(DSP)芯片，配合符號速率96G波特和64QAM的調(diào)制碼型，可支持800Gbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率。下一代的傳輸系統(tǒng)采用5nm DSP、配合符號速率130G波特、QPSK調(diào)制碼型，可支持400Gbit/s數(shù)據(jù)速率1500公里的長距離傳輸。下一步能否實(shí)現(xiàn)符號速率超過200G波特的相干光通信系統(tǒng)，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。其關(guān)鍵在于光電子芯片和微電子芯片能否突破當(dāng)前的性能瓶頸，而具有100GHz以上的超大電光帶寬和<1V的超低驅(qū)動電壓的電光調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心關(guān)鍵光電子芯片。

  主要創(chuàng)新

  2022年1月，中山大學(xué)與華為合作，在國際著名刊物《Optica》上發(fā)表了世界首例基于鈮酸鋰薄膜的偏振復(fù)用相干光調(diào)制器芯片(M. Xu, et al. Optica 2022, 9(1): 61-62)，首次實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.96Tb/s的單載波傳輸速率，然而該芯片演示的符號速率僅為130Gbaud的波特率。將波特率提升至200Gbaud以上仍面臨許多挑戰(zhàn)，需要系統(tǒng)中所有光電元件都具有足夠的帶寬，且高波特率下的電驅(qū)動信號幅度僅為百毫伏量級，對電光調(diào)制器芯片和測試儀器都提出了嚴(yán)苛的要求。

  在上述工作基礎(chǔ)上，鈮奧光電、中山大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室(法國)、III-V實(shí)驗(yàn)室(法國)和是德科技組成了聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計了鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器的光學(xué)設(shè)計和微波設(shè)計，利用石英襯底實(shí)現(xiàn)了超低的微波損耗，并利用容性行波電極實(shí)現(xiàn)了微波速率與光波速率的片上同步傳輸，成功研制了3dB電光帶寬達(dá)110 GHz、半波電壓低至1 V的高性能雙偏振相干光調(diào)制器，如圖1所示。為了開展穩(wěn)定傳輸實(shí)驗(yàn)，鈮奧光電還完成了低損耗的光纖陣列與調(diào)制器芯片的耦合，并實(shí)現(xiàn)了可靈活排布射頻接口的封裝模塊。

  圖1 鈮奧光電和中山大學(xué)研制的鈮酸鋰薄膜IQ調(diào)制器

      聯(lián)合團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用采樣率高達(dá)260Gsa/s、帶寬超過75GHz的是德科技M8199B樣機(jī)這一目前最高性能的任意波形發(fā)生器(AWG)，實(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的260G超高波特率DP-QPSK調(diào)制(如圖2所示)，并演示了100km單模光纖傳輸。還進(jìn)一步利用185G波特PCS-64QAM高階調(diào)制格式，實(shí)現(xiàn)了1.84 Tb/s可達(dá)信息比率(AIR)(如圖3所示)。鈮酸鋰薄膜調(diào)制器的大帶寬、低驅(qū)動電壓等優(yōu)異性能，使得傳輸實(shí)驗(yàn)中無需采用非線性DSP算法和復(fù)雜算法的MLSE均衡器，從而以更低的DSP復(fù)雜度和功耗再一次創(chuàng)造了相干光傳輸?shù)挠涗洝?

  圖2 該工作演示了目前最高的光纖通信波特率

  圖 3 (a)180 Gbaud以上的高階調(diào)制光信號;(b)高達(dá)260 Gbaud QPSK調(diào)制。

  總結(jié)與展望

       鈮奧光電和中山大學(xué)研制的超低驅(qū)動電壓、超大電光帶寬的鈮酸鋰薄膜雙偏振相干調(diào)制器與低復(fù)雜度DSP相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了260 Gbuad的超高波特率和1.94Tb/s信息率的100千米傳輸，將對單載波2 Tbit/s以上超高數(shù)據(jù)傳輸速率在短—中距互聯(lián)中的應(yīng)用起到有力推動作用。