IEEE SiPhotonics2025 | 基于PLZT调制器的多波段200 GBd光传输技术进展

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引言

电光(EO)调制器已成为现代高速光通信网络中的关键组件。在各种调制器材料中，铁电晶体展现出卓越的性能特征。本文探讨了一种新型PLZT基调制器的开发，该调制器能够在多个光波段实现200 GBd的超高速传输率[1]。

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铁电电光调制器简介

铁电材料因其卓越的电光特性受到广泛研究关注。薄膜铁电电光波导具有几个固有优势，包括大电光系数(reff > 100 pm/V)、与行波调制的兼容性，以及与硅绝缘体(SOI)衬底的出色集成潜力。这些特性使铁电调制器成为实现超过200 GBd传输速率的少数可行选择之一。

PLZT (Pb(La)[Zr, Ti]O3)铁电晶体因其强泡克尔斯效应(电光系数约为reff = 200 pm/V)和在光纤通信波长下的优异光学透明度，成为高速调制的理想选择。先前研究已经展示了使用PLZT技术实现高达172 GBd的调制速率，但通过进一步优化可以突破性能边界。

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PLZT调制器设计与制造

图1：PLZT波导调制器，显示(a)相移部分的截面图，(b)TE模式下的模拟光模式分布，(c)制造的波导的SEM图像，以及(d)高达70 GHz的电光频率响应。

PLZT调制器采用铁电晶体-绝缘体结构，使用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)配置。这种设计在驱动电压要求、带宽能力、高速信号潜力和紧凑制造方面提供显著优势。

虽然传统钙钛矿晶体制造依赖于复杂方法如溅射、脉冲激光沉积和分子束外延，但研究团队采用了一种成本效益高且简单的替代方法——通过溶胶-凝胶化学进行旋涂。这种方法允许在SiO2/Si衬底上制备PLZT薄膜，并随后制造行波MZI波导调制器。

为确保单模约束，采用了脊形波导结构。模态计算证实了TE0模式分布，在PLZT核心中实现了光电场的紧密约束。这种约束归因于PLZT和SiO2的较大折射率。测量结果表明，调制器的电光带宽超过70 GHz，如图1(d)所示。

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高速调制与光传输设置

图2：使用PLZT调制器的200 GBd OOK传输，显示(a)OOK传输的实验设置(IM/DD系统)，(b)和(c)1550 nm波长下无FFE处理和有FFE处理的200 GBd OOK眼图，(d)和(e)1310 nm波长下无FFE处理和有FFE处理的200 GBd OOK眼图。

高速数据传输测试的实验配置如图2(a)所示。该设置采用连续波(CW)激光器，通过应用电驱动信号进行调制。

长度为2^11-1的伪随机二进制序列(PRBS)信号由一个RF源(AWG M8199B, Keysight)生成，采样率为256 GSa/s。RF宽带放大器(100 GHz)调整信号电压以达到适当的驱动水平。调制后的光信号通过光放大器和带通滤波器，然后被导向高速光电探测器(100 GHz)，并由高速数字信号分析仪(100 GHz, Keysight)处理以生成眼图。

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多波段传输性能

PLZT调制器在C波段(1550 nm)和O波段(1310 nm)波长上均展示了卓越的性能。图2(b)-(e)展示了两种波长下的传输眼图测量结果，显示了200 GBd OOK(开关键控)下的清晰眼信号。

图3：178至200 GBd符号速率下不同OOK信号的BER值。

无均衡处理的眼图分析显示，两种波长下的质量因子(Q)约为2.2，对应于10^-2数量级的误码率(BER)。在数字通信分析仪中应用前馈均衡(FFE)处理后，信号保真度显著提高，Q因子达到3.6。

图3提供了关于符号速率函数下BER分析的更多细节。估计的无FFE BER即使在高达200 GBd的符号速率下也保持在软判决前向纠错(SD-FEC)阈值以下。经过FFE后处理，信号保真度提高了两个数量级以上。

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PAM4调制能力

图4：PLZT调制器在1310 nm波长下测量的182 GBd PAM4眼图。

由于泡克尔斯效应，PLZT调制器的电光响应表现出电功率与光功率之间的线性相关。这种线性特性使得除简单OOK外的更复杂调制格式成为可能。

当在1310 nm波长下使用PAM4调制操作PLZT调制器时，获得了如图4所示的眼图。在182 GBd符号速率下，估计的BER保持在SD-FEC阈值以下。值得注意的是，在这些PAM4信号测试期间，电光调制受到测试设备的带宽和电气线性度的限制，而非PLZT调制器本身，这表明存在更高性能的潜力。

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结论与未来展望

研究成功展示了使用PLZT波导调制器的200 GBd OOK发射机。实现了无错误操作，BER确认低于FEC阈值。制造的调制器中使用的铁电氧化物表现出化学和物理稳定性，使其成为低驱动电压要求和高带宽能力的可靠高效调制器应用的理想选择。

PLZT调制器技术的这一进步在开发能够满足现代网络不断增长的带宽需求的超高速光通信系统方面具有重要意义。未来研究可能集中在进一步优化调制器设计、探索更高阶调制格式以及将这些调制器与其他光子组件集成以实现完整系统解决方案。