浙江大学：用于大容量数据传输的新型光子芯片
发布时间：2023-10-18 10:04:02 阅读数： 109
(a) 制作的 LNOI 光子芯片的光学显微镜图像，该芯片由四个 EO 调制器和一个四通道波分复用滤波器组成。(b) MWG 的一侧和 (c) 中间部分的扫描电子显微镜图像，(d) 模式（去）复用器的双核锥形图像，以及 (e) 模式（去）复用器的横截面图像。图片来源：Light： 先进制造》（2023 年）。DOI: 10.37188/lam.2023.013
随着人工智能（AI）、5G 系统、云计算和物联网的发展，数据通信需要超大容量的发射机。超高速光调制是大容量发射机的一项基本技术。高速光调制器引起了人们的极大兴趣。在各种材料系统中采用不同的机制已经取得了重大进展。
浙江大学戴道新领导的科学家团队在《光： 浙江大学戴道新领导的科学家团队开发出了一种紧凑型铌酸锂绝缘体（LNOI）光子芯片。
以绝缘体上铌酸锂为平台的光调制器具有巨大的潜力。这得益于线性电光（EO）效应、低过量损耗和高稳定性。基于马赫-泽恩德干涉仪和微谐振器的 LNOI EO 调制器表现出色。为了实现低电压，移相臂的长度通常为几毫米甚至几厘米。由于 LNOI MZM 占用空间大，对于多通道的大容量多路复用系统来说，阵列 LNOI MZM 并不方便。
相反，基于谐振器的 LNOI 调制器可以结构紧凑，从而降低功耗。因此，基于谐振器的 LNOI 调制器近年来备受关注。研究团队已成功演示了基于特定 2 × 2 法布里-珀罗（FP）腔的高速 LNOI 调制器。它实现了超过 110 GHz 的超高 3-dB 带宽和高达 140 Gbps 的数据容量。调制部分的占地面积远远小于已报道的 LNOI 环形谐振器调制器。它对阵列波分复用（WDM）系统非常有吸引力。
与此同时，先进的多路复用技术也得到了广泛研究，通过多通道并行传输数据来扩大链路容量。引入多个波长信道的波分复用技术已得到成功应用。近年来，人们开发了各种波导结构，以实现性能卓越的波分复用滤波器。
利用关键区域无波导弯曲的智能设计，人们付出了巨大的努力，并取得了令人瞩目的进展。利用一个多路复用器，包括一个倾斜多模干涉仪，在 LNOI 上演示了一个四通道粗波分复用发射器芯片。研究团队提出并开发了一种基于直多模波导光栅（MWG）的 LNOI 光子滤波器。该滤波器可实现盒状光谱响应，其中心波长和带宽可灵活设计。利用级联 LNOI MWG，首次建立了具有盒状响应的四通道波分复用滤波器。
大规模光子波导和电路对制造的要求越来越高。要在光波导中实现低损耗和低相位误差的光传播，高质量的制造工艺至关重要。针对 LNOI 光子波导，已经确立了几种典型的制造技术。干蚀刻因其工艺兼容性和制造可重复性而受到青睐。使用氩气进行电感耦合等离子体（ICP）蚀刻是制造 LNOI 光子波导和器件的最常用方法之一。
该芯片具有传输级联和通道均匀性的特点。实验结果表明，该芯片能以 11.9 fJ/bit 的低功耗实现 320 Gbps OOK 信号和 400 Gbps PAM4 信号的大容量数据传输。这表明镧系元素的大规模光子集成潜力巨大，镧系元素光子集成电路在集成光子器件中的广泛应用前景广阔。
目前的光子芯片具有超紧凑的尺寸，可以扩展到更多通道，因此在未来进一步在 LNOI 上实现超大容量和高能效波分复用发射机方面显示出巨大的潜力。引入二氧化硅、非晶硅或铬硬掩膜可以改进制造工艺。通过改进蚀刻工艺，传播损耗（主要源于侧壁的散射损耗）可降低到晶圆级。这将支持高性能 LNOI 光子集成电路的发展，满足各种应用日益增长的需求。
参考资料：Hongxuan Liu et al, Ultra-compact lithium niobate photonic chip for high-capacity and energy-efficient wavelength-division-multiplexing transmitters, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.013
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