随着局域网、无线移动通信和数据中心中数据流量的快速增长，近年来，研究者对高速、低功耗、低成本和高集成度的光收发器展开了广泛研究。其中，硅光子集成由于结构紧凑、功耗低和与CMOS工艺兼容，是下一代光互连器件的极具前景的平台。为了实现更高的比特率，可以采用波分复用（WDM）和并行单模四通道（PSM4）技术。另一方面需要进一步提高单个波长的通讯速率，例如每波长200 Gb/s，简单的开-关键控（OOK）格式可能不再是可行的方法，因为在这种情况下，调制器和光电探测器的电光（EO）带宽需要大于100 GHz，这给光电器件设计带来很大的挑战。采用高阶调制格式被广泛研究，如多级脉冲幅度调制（PAM）、正交幅度调制（QAM）、离散多频调调制（DMT）。例如中国信息通信科技集团有限公司等单位展示了总速率800 Gb/s的PAM4四通道硅光发射器，但硅调制器一般带宽有限且损耗较大，需要与驱动器一起进行复杂的协同设计和优化。

薄膜铌酸锂（TFLN）平台由于其优异的材料性能，包括线性较好的Pockels效应、较宽透明窗口和优异的温度稳定性，最近已成为光通信、量子光子学和微波光子学的新型光子集成平台。高速电光调制器是光发射芯片的关键功能部件，近几年各单位已在TFLN平台上提出并实现了各种类型调制器，如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）调制器、迈克尔逊干涉仪调制器、布拉格光栅调制器、法布里-珀罗调制器，可实现其带宽大于100 GHz，插入损耗小于1 dB。最近，哈佛大学采用倒装焊键合DFB外部激光器，在TFLN平台上演示了PSM4光发射芯片，每个信道的EO带宽为50 GHz，半波电压为4.3 V。

图1. 在TFLN平台上所提出的四信道CWDM（CWDM4）发射芯片。（a）整个芯片结构。（b）基于AMMI结构的CWDM。（c）调制部分的横截面图。（d）CLTW电极的俯视图。

浙江大学刘柳研究员团队联合华南师范大学和中山大学，在TFLN平台集成了基于倾斜多模干涉器（AMMI）的通道粗波分复用器和四路MZI调制器，在O波段实现了四通道总数率256 Gb/s（4×64 Gb/s）OOK信号传输和400 Gb/s（4×100 Gb/s）PAM-4信号传输。这种TFLN平台上基于AMMI的CWDM器件，避免了其他AWG或MZI型的WDM器件在各向异性LN平台移相器的弯曲和路由等控制的困难，并且具有紧凑的尺寸和大工艺容差优点，实验上可以获得插入损耗小于0.9 dB、串扰优于18 dB的结果。本工作MZI调制器采用周期性电容负载行波（CLTW）电极设计，并且将部分硅衬底刻蚀掉，获得较低微波损耗、较高调制效率的同时，实现微波和光波折射率的匹配，显示出色的调制性能。测试得到半波电压小于1.7 V，3 dB电光带宽大于40 GHz结果。测试受到探测器响应度影响，根据测量的电极性能，拟合的电光带宽可能超过67 GHz。本工作在TFLN平台上演示的四通道CWDM发射芯片将是400 G和未来800 G或1.6 T光模块应用的可行解决方案，以实现高速光互连，具有较低损耗、低功耗和低驱动电压等优势。

该文章以题为“Four-channel CWDM transmitter chip based on thin-film lithium niobate platform”发表在Journal of Semiconductors上。

图2. (a) 四通道电光响应测试结果和根据电极性能拟合结果。(b)-(e) 四个通道64 Gb/s OOK光发射眼图。

文章信息：

Four-channel CWDM transmitter chip based on thin-film lithium niobate platform

Kaixuan Chen, Gengxin Chen, Ziliang Ruan, Xuancong Fan, Junwei Zhang, Ranfeng Gan, Jie Liu, Daoxin Dai, Changjian Guo, Liu Liu

J. Semicond. 2022, 43(11): 112301 doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112301

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/43/11/112301

来源：半导体学报