Chip發表浙江大學戴道鋅團隊最新成果：超過110 GHz的超緊湊型鈮酸鋰微腔電光調制器

近日，浙江大學戴道鋅團隊以「Ultra-compact lithium niobate microcavity electro-optic modulator beyond 110 GHz」¹為題在Chip上發表研究論文，第一作者為潘炳呈，通訊作者為俞澤杰、戴道鋅。本篇文章被選為本期Featured in Chip編輯特選文章。Chip是全球唯一聚焦芯片類研究的綜合性國際期刊，是入選了國家高起點新刊計劃的「三類高質量論文」期刊之一。

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引言

超大帶寬電光調制器是超高容量光互連、太赫茲無線通信和傳感系統等應用中的核心器件。近年來，薄膜鈮酸鋰因其高電光系數、強光場限制和低傳輸損耗等優點已成為實現高性能電光調制器的最佳選擇之一^2-3。其挑戰在于如何實現超緊湊尺寸、超低低功耗及超高速度等優異特性。

與馬赫-澤德干涉儀調制器相比，微腔型調制器在器件尺寸、調制功耗等方面具有明顯優勢，還可同時實現波分復用和電光調制等功能。然而，基于薄膜鈮酸鋰波導實現微腔型電光調制器仍然具有非常高的挑戰性。首先，鈮酸鋰晶體的各向異性可能造成模式雜化，難以實現緊湊彎曲波導⁴。相應地，鈮酸鋰薄膜環形腔通常需要數百微米的大彎曲半徑。其次，由于各向異性，環形腔中鈮酸鋰彎曲波導的電光調制被削弱，因此已報道的鈮酸鋰微腔調制器通常利用環形跑道結構，利用兩個長直波導部分進行電光調制。此時，鈮酸鋰電光調制器尺寸往往很大。因此，發展一種無彎曲結構的鈮酸鋰波導微腔尤為重要。最簡單直觀的設計是采用法布里-珀羅諧振腔（FP腔）。然而，對于傳統FP腔，存在光反射回到輸入端口，通常需要外接隔離器或者環行器，使得整體結構復雜。

文章簡讀

戴道鋅團隊提出并實現了一種基于2×2 FP腔的新型鈮酸鋰電光調制器。該調制器巧妙地利用多模波導光柵中TE0-TE1模式轉換以及TE0-TE1模式解復用，有效地將反射光與輸入光相分離，無需外接隔離器或者環行器，極大地簡化了總體結構⁵。論文對FP腔電光調制器進行了深入理論分析，討論了其調制帶寬和調制效率與微腔Q值及工作波長失諧的相關性，并研制了等效腔長僅~ 50 μm的2×2 FP腔調制器。理論表明，利用峰值增強效應⁶，該器件調制帶寬可超過200 GHz。實驗測得其3 dB帶寬超過110 GHz（受限于實驗設備），實現了首個帶寬超110 GHz的微腔型薄膜鈮酸鋰電光調制器，并進一步實驗演示了100 Gbps 開關鍵控（on-off keying, OOK）和140 Gbps PAM4信號產生，其能耗僅4.5 fJ bit?¹。理論和實驗表明：該器件具有超小尺寸、超高帶寬、超低能耗等優點，具有突出的應用潛力。

圖1 |?(a)提出的2×2 FP腔調制器示意圖；(b)模式（解）復用器；(c)多模波導光柵。

圖2 |?(a)諧振波長調制量與加載電壓關系的實驗測量結果；(b)?實驗測量的小信號電光響應；(c)?不同波長失諧條件下的小信號電光響應理論計算結果。

圖3 |?實驗測量的60/80/100 Gbps OOK信號和100/120/140 Gbps PAM4信號眼圖。

參考文獻

[1] Pan, B.-C.?et al.?Ultra-compact lithium niobate microcavity electro-optic modulator beyond 110 GHz.?Chip?1,?100029 (2022).

[2] Wang, C. et al. Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible?voltages.?Nature?562, 101–104 (2018).

[3] He, M. et al. High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbit s?1?and beyond.?Nat. Photonics?13, 359–364 (2019).

[4] Pan, B. et al. Compact racetrack resonator on LiNbO?.?J. Light. Technol.?39, 1770–1776 (2021).

[5] Pan, B. et al. Compact electro-optic modulator on lithium niobate.?Photonics Res.?10, 697 (2022).

[6] Müller, J. et al. Optical peaking enhancement in high-speed ring modulators.?Sci. Rep.?4, 6310 (2015).

原文鏈接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472322000272

作者簡介

戴道鋅，浙江大學求是特聘教授/博士生導師、國家重點研發計劃項目負責人、浙江省高水平創新團隊負責人。2017年獲國家杰出青年科學基金，2021年入選美國光學會（原OSA，現稱Optica）會士（Fellow）。戴道鋅教授現任浙江大學光電科學與工程學院院長、教育部光子學與技術國際聯合實驗室主任、Optical and Quantum Electronics期刊（Springer-Nature出版社）主編、Chip期刊（Elsevier-上海交通大學聯合出版）創刊編委會成員。戴道鋅團隊長期致力于高性能高集成度硅基集成光子器件及其光通信/光互連等方面應用研究，在多模硅光子學、片上偏振調控、硅+光子學（Silicon-plus Photonics）等方面取得重要進展：

（1）率先提出了面向片上偏振調控的硅基非對稱波導及耦合結構體系，實現超小型大帶寬高性能硅基片上調控器件；

（2）突破了單模條件設計框架，引入高階模構建了硅基多模光子學及功能器件；

（3）與金屬、2D材料及聚合物等相融合，發展了硅+X異質集成光電子器件。谷歌學術顯示，截至2022年11月底，戴道鋅教授所著論文共被引用近16000次，h指數64。

戴道鋅教授個人主頁：

https://person.zju.edu.cn/dxdai