OFC2025 | 基于PLZT技术的高速光调制技术-凡亿课堂

引言

随着高分辨率流媒体、B5G技术、云计算服务和物联网等带宽密集型应用的激增，光纤通信网络面临着巨大的需求压力。随着我们迈向太比特以太网时代，需要创新方法来实现单通道太比特每秒的传输速率。本文探讨了一种有效解决方案：铁电薄膜绝缘体(PLZT)调制器，该调制器在200 GBd调制速率下展示了卓越性能[1]。

光通信中对更高带宽的需求

电信行业面临着不断增加数据传输容量的压力。当前策略包括采用先进的相干调制技术，如差分正交幅度相移键控，以及光时分复用以通过全光信号处理增强传输。虽然这些方法可以通过复杂的调制格式实现高线路速率，但仍然需要重点关注扩展电子带宽。

近期研究已将电子符号速率生成推至200 Gbaud以上，开发出超过150 GHz的电子带宽操作。这些创新利用数字带交错(DBI)数模转换器或基于磷化铟双异质结双极晶体管的电子混频器，实现高达216 Gbaud和314 Gbaud的符号速率调制。尽管取得这些进步，但由于材料限制，能够处理如此高频率的电光器件的可用性仍然有限。

铁电晶体绝缘体：新型方法

PLZT (Pb(La)[Zr, Ti]O3) 调制器代表了高速光调制技术的重大进步。与传统的薄膜铌酸锂(TFLN)调制器电光系数约为31 pm/V相比，PLZT提供了约200 pm/V的高系数，同时在光纤通信波长保持优异的光学透明度。

图1显示了PLZT调制器的频率响应，包括(a)相移器的照片和截面视图，(b)RF功率衰减测量，以及(c)电光频率响应。

图1(a)中的横截面示意图显示了共面波导(CPW)结构，金属电极由信号线和地平面组成，铝厚度为0.8μm，沉积在波导核心上。由于PLZT具有很大的介电常数(~1300)，该层中的元素显著影响RF功率衰减。为了优化性能，电极下方的PLZT层厚度(200nm)可调节，以优化信号到基板的电容。

图1(b)所示的RF衰减频率响应表现出极小的滚降，在70 GHz时小于2.0 dB。同样，图1(c)中的电光调制频率响应在10至70 GHz之间的滚降小于3 dB。调制器配置了使用多模干涉(MMI)分离器的马赫-曾德尔干涉仪结构，相移器长度为2.5 mm。偏振保持光纤连接到波导边缘，引导激光光到调制器。鉴于PLZT的高电光系数(约195 pm/V)，在1310 nm波长下，调制器达到了极低的VπL值5.8 V·mm。

高速信号生成和传输

研究人员进行了全面测试，评估PLZT调制器在高速传输场景中的性能。

图2展示了使用PLZT调制器的高速信号生成，显示(a)实验设置，(b-d)不同设置下的眼图，以及(e-f)各种符号速率和传输距离的BER值。

图2(a)所示的实验设置用于测试开关键控(OOK)和4级脉冲幅度调制(PAM4)传输。对于OOK传输，由80 GHz任意波形发生器(Keysight M8199B)生成的伪随机二进制序列电信号被应用到PLZT调制器。100 GHz线性驱动器将电压摆幅调整至约300 mVpp。

光输出使用掺镨光纤放大器进行放大，信号检测和分析使用高速数字通信分析示波器(Keysight DCA-X N1000A和N1046A)和100 GHz光电探测器模块(Fraunhofer HHI)完成。

图2(b)和2(c)显示了在200 GBd下测量的眼图，分别在没有和有8抽头前馈均衡(FFE)的情况下。图2(e)图示了各种符号速率下的误码率(BER)，表明即使没有FFE，在高达200 GBd的符号速率下，估计的BER仍保持在软判决前向纠错(SD-FEC)阈值以下。使用FFE后处理，信号保真度提高了两个数量级以上。

研究人员还展示了在182 Gbit/s符号速率下的PAM4调制，如图2(d)所示。在1310 nm波长下，实现了2.0 km光纤传输的低于FEC阈值的BER。图2(f)证实了200 GBd OOK和182 GBd PAM4信号在2.0 km O波段传输的成功。

优势和潜在应用

PLZT调制器相比传统调制器提供了几个关键优势：