多波長復(fù)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(jì)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(jī)，其關(guān)鍵在于超快光調(diào)制及多通道復(fù)用。

  近年來，薄膜鈮酸鋰(Thin-Film Lithium Niobate)電光調(diào)制器(Electro-Optic Modulators)憑借其大調(diào)制帶寬、高線性度、低傳輸損耗等優(yōu)點(diǎn)吸引了越來越多的關(guān)注，而采用多維復(fù)用技術(shù)(空分復(fù)用、波分復(fù)用、模分復(fù)用等)構(gòu)建多通道發(fā)射器(Transmitters)可進(jìn)一步顯著提升系統(tǒng)容量。因此，在薄膜鈮酸鋰平臺(tái)上將高速調(diào)制器與高性能復(fù)用器件進(jìn)行單片集成進(jìn)而實(shí)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(xiàng)異性材料及傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)使得薄膜鈮酸鋰波分復(fù)用器件的實(shí)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(jié)構(gòu)的薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器總體尺寸仍然偏大，難以滿足高集成度的要求。

  針對(duì)這一情形，浙江大學(xué)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(diào)制器陣列與四通道多模波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，實(shí)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(hào)和400 Gbps(4×100 Gbps)PAM4信號(hào)的大容量傳輸。

圖1：四通道波分復(fù)用薄膜鈮酸鋰光發(fā)射器芯片示意圖

  在該項(xiàng)工作中，其四通道波分復(fù)用器采用了級(jí)聯(lián)的反對(duì)稱多模波導(dǎo)光柵濾波器(圖1 b)，其原理是：TE?模入射后經(jīng)多模波導(dǎo)光柵轉(zhuǎn)換為反射TE?模，再由模式解復(fù)用器轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，實(shí)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(jìn)而通過級(jí)聯(lián)則可實(shí)現(xiàn)多通道波分復(fù)用器。同時(shí)，基于多模波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)建出新型2×2 FP腔結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了等效調(diào)制區(qū)長度僅50 μm的小尺寸、高效率的電光調(diào)制器(圖1c)。在此設(shè)計(jì)中，所采用的反對(duì)稱多模波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)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(dǎo)，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)由于彎曲波導(dǎo)中模式雜化帶來的系列問題。

圖2：FP腔調(diào)制器單元

  基于團(tuán)隊(duì)的自主刻蝕工藝，成功研制了由2×2 FP腔電光調(diào)制器陣列與四通道多模波導(dǎo)光柵波分復(fù)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(hào)眼圖(圖3)，展示了其優(yōu)越性能。總的來講，基于多模波導(dǎo)光柵的光濾波器與2×2 FP腔光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、拓展靈活等突出優(yōu)勢(shì)，在波分復(fù)用光互連及光計(jì)算等領(lǐng)域具有重要潛力。

圖3：四個(gè)通道40 Gbps/80 Gbps OOK及100 Gbps PAM4信號(hào)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