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OFC2024|新一代数据通信应用中薄膜铌酸锂光电子技术的进展

引言

在薄膜铌酸锂（TFLN）技术的推动下，光数据通信领域正在经历变革。本文探讨TFLN光电子技术的最新发展及其为新一代数据通信应用提供高容量、节能的光集成解决方案的潜力。

长期以来，铌酸锂一直是光数据通信网络中的基石材料，因其卓越的性能而备受青睐，例如强大的线性电光（EO）效应（Pockels效应，γ33≈30 pm/V）和宽广的透明窗口（0.4-5μm）。传统上，铌酸锂调制器依赖于钛扩散波导。然而，TFLN晶圆和先进蚀刻技术的出现引发了电光调制器设计和性能的范式转变。

本文将深入探讨以下关键领域：

1. TFLN技术的优势

2. 基于TFLN的光电子集成电路（PIC）

3. TFLN收发器架构

4. 传输性能成就

5. 挑战与未来展望

TFLN技术的优势

从块状铌酸锂到TFLN的转变带来了许多显着的优势：

a)高度受限的光学模式：TFLN能够创建蚀刻波导，从而提供卓越的光学模式限制。这允许更紧密的金属间距，同时保持低吸收损耗，从而实现更高效的调制和更小的器件尺寸。

b)先进的制造技术：波导的低损耗干法刻蚀和化学机械抛光技术的进步，结合电子束光刻（EBL）和光刻等微加工技术，使TFLN PIC达到了密集集成和大规模生产成为可能的水平。

c)与各种组件的兼容性：TFLN技术能够将超高速电光调制器与CMOS驱动器、低损耗无源光子组件、激光器和光电探测器集成在一个平台上。

基于TFLN的光子集成电路（PIC）

TFLN技术在构建高性能光引擎方面展现了巨大潜力。这些引擎由几个关键模块组成：

a)超高速电光调制器：TFLN调制器性能卓越，包括1V以下的驱动电压和超过100GHz的带宽。

b)低损耗无源元件：TFLN技术能够制造各种光损耗极低的无源光电子元件。

c)集成激光器：掺铒LN的最新发展和TFLN上III-V增益材料的异质集成为制造适用于电信的片上光源开辟了新途径。

d)光电探测器：III-V族与LN的集成技术的进步使得高性能光电探测器可以直接集成在TFLN平台上。

TFLN收发器架构

基于TFLN的相干光引擎的概念架构将发射器（Tx）和接收器（Rx）的PIC集成到单个芯片上。让我们来探讨关键组成部分：

发射器（Tx）PIC：

a)双极化同相正交（DP-IQ）调制器：这种先进的调制器具有极化多路复用功能，可最大限度地提高传输容量，同时降低功耗并减少并行电光接口的数量。

b)III-V-on-LN激光器：在TFLN上异质集成III-V增益材料，无需外部泵浦激光器。图案化的III-V增益材料产生的光通过垂直绝热耦合器耦合到LN波导中。

c)TFLN 游标滤波器：该元件由两个半径略有不同的微环组成，被整合到法布里-珀罗腔中，用于选择激光波长。

d)偏振旋转器和组合器（PRC）：这种低损耗、低偏振串扰元件可在宽波长范围内实现有效的偏振复用。

接收器（Rx）PIC：

a）偏振分光器与旋转器（PSR）：该元件将输入的调制光信号分离为各自的偏振分量。

b） 90°混合器：TFLN多模干涉式90°混合器是相干探测的关键元件，能够分离同相和正交分量。

c）平衡光电探测器：四对平衡III-V-on-LN光电探测器可产生横向电（TE）和横向磁（TM）偏振的同相和正交分量。

图1展示了基于TFLN的相干光引擎的概念架构，突出了最近在III-V-on-LN激光器、光电探测器、相干调制器和用于相干接收器的90°混合器方面的工作。

传输性能成就

基于TFLN的器件在各种场景下均表现出卓越的传输性能：

a)每秒太比特传输：研究人员使用100 GHz和1 V DP-IQ调制器，实现了突破性的单波长净数据传输率1.96 Tb/s，且功耗低至1.04 fJ/bit。这是通过在背靠背相干传输设置中使用130 Gbaud概率星座成形（PCS）和400QAM实现的。

b)超高波特率短距离传输：使用单极化IQ调制器在100公里光纤上传输260-GBaud QPSK信号，净速率为800-Gbps。值得注意的是，这种高符号率传输无需非线性数字信号处理（DSP）或用于缓解符号间干扰的先进技术。

c)长距离传输：新一代DP-IQ调制器采用子载波调制方案，在1120公里单模光纤链路上实现了703 Gb/s/λ的无驱动线路速率传输。

图2展示了使用TFLN DP-IQ调制器进行130 Gbaud PCS-400QAM背靠背传输和95 Gbaud PCS-16QAM 1120公里光纤传输的实验结果。

挑战与未来展望

TFLN技术前景佳，但仍面临挑战：

a)耦合效率：在III-V族和LN材料之间实现低损耗耦合对于确保传输过程中输出功率充足且信噪比（SNR）足够很重要。

b)泵浦阈值电流：降低集成激光器的泵浦阈值电流是当前的研究领域。

c)晶圆尺寸和生产良率：为了降低每比特成本，需要扩大商用晶圆尺寸并提高批量生产良率。

d)集成密度：在保持高性能的同时进一步提高TFLN PIC的集成密度是关键挑战。

e)热管理：随着集成密度的增加，有效的热管理对于保持TFLN器件的稳定运行变得越来越重要。

TFLN技术在数据通信应用中的未来前景光明：

a)先进的调制方案：复杂调制格式和信号处理技术的不断发展将带来更高的数据速率和频谱效率。

b)扩展波长范围：对工作在新型波段中的TFLN器件的研究可以为光网络提供额外的容量。

c)混合集成：进一步探索混合集成技术，将TFLN与其他光子学和电子技术相结合，可能会开发出新型高性能设备和系统。

d)光量子技术：TFLN的独特性能使其成为光量子应用有前景平台，在安全通信和量子信息处理方面开辟新的范式。

结论

薄膜铌酸锂光电子技术已成为下一代数据通信应用中的关键技术。其低光损耗、低功耗和高数据容量的特性使TFLN成为满足不断增长的光数据通信需求的强大竞争者。

基于TFLN的调制器、激光器和集成光电子电路的显着成就已经突破了数据速率、能效和集成密度方面的极限。随着研究人员继续应对剩余的挑战并探索新的创新途径，TFLN技术有望在塑造光通信的未来方面发挥关键作用。

本文介绍的基于TFLN的概念相干光引擎展示了将发射器和接收器组件完全集成到单个芯片上的潜力。这种集成度与TFLN器件卓越的性能相结合，有望实现下一代高容量、节能的光通信系统。

展望未来，TFLN光电子技术的持续发展将在超高速调制、紧凑高效激光器以及新型光子集成电路等领域带来更令人瞩目的进步。这些创新对于满足数据中心、电信网络以及量子通信和人工智能等领域新兴应用不断增长的需求很重要。

参考资料

[1] M. Xu, "Advances in Thin-Film Lithium Niobate Photonics for Datacom Applications," in OFC 2024, W4H.1, 2024.