#薄膜钽酸锂 #钽酸锂电光调制器 #钽酸锂马赫曾德尔调制器

摘要：我们展示了在4英寸晶圆尺度制造的钽酸锂-熔融石英（LT-on-FS）马赫-曾德调制器。该调制器具有67 GHz的3 dB电光带宽和1.6 V的调制效率。我们通过PAM8信号传输实现了437 Gbit/s的净数据速率。© 2025 作者(s)

引言
钽酸锂（LT）是一种新兴的电光平台，相较于当前广泛研究的材料——锂铌酸盐，展现了有前景的改进[1~4]。其优越的电光系数使其成为调制器的理想候选材料，能够推动现代通信网络、数据中心以及各种学术研究应用。同时，成熟的代工制造工艺有可能突破成本限制，推动其在更广泛应用中的普及[1]。然而，基于硅基底的单片LT电光调制器的展示，限制了微波波导设计，进而限制了更广泛的电光（EO）调制带宽[2~4]。

在本文中，我们通过将硅基底替换为熔融石英（FS）晶圆，扩展了我们之前的研究[3]。与我们早期的工作不同，当前的设备采用了晶圆级制造工艺，并实现了集成电光调制器的先进性能[5]。

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钽酸锂-绝缘体（LTOI）马赫-曾德调制器（MZM）
该调制器采用了2 µm宽、400 nm高的波导，并使用200 nm的薄层引导调制臂中的光。一个具有T形结构的共面微波波导直接放置在LT薄层上，作为推拉配置的电极（图1（c）-（d））。

图1. 晶圆级制造的LTOFS MZM。(a) 三个1.8 cm长LTOFS MZM的显微镜照片。(b) 制造好的LT-on-FS晶圆照片。(c)-(f) 扫描电子显微镜照片，显示了电极、截面和芯片端面。LT部分为蓝色，SiO2为紫色，Au为黄色。(g) 制造过程流程图，包括光学波导刻蚀和电极剥离方法。

金属结构与光学波导之间的1.5 µm间隙有助于提高调制效率，同时不会显著增加光损耗。通过精心选择T形段的高度[5]，微波有效折射率与光学群折射率匹配，从而实现了宽带宽的操作（图2（c））。

图2. 使用LT-on-FS调制器的电光性能和IMDD信号传输实验。(a) VπL与低频范围内驱动信号的依赖关系。(b) VπL在4英寸晶圆上的分布。(c) CPW的微波损耗和有效折射率。(d) 18毫米长调制器的电光响应测量。(e) IMDD信号传输实验的实验设置：Tx-DSP：发射端数字信号处理，AWG：任意波形发生器，ECDL：外腔二极管激光器，FPC：基于光纤的偏振控制器，EDFA：掺铒光纤放大器，PD：光电二极管，RTO：实时示波器，Rx-DSP：接收端数字信号处理。(f) 测量的比特错误率（BER）和(g) 可实现的信息速率（AIR，虚线，星号），以及净数据速率（NDR，实线，圆圈），作为PAM8（绿色）、PAM6（橙色）和PAM4（蓝色）信号符号速率的函数。

制造过程从熔融石英晶圆和X-Cut LTOI晶圆开始，LTOI晶圆由4.7 µm的热氧化硅和600 nm的LT薄膜单晶组成，硅基载体厚度为525 µm（图1（g））。为了准备LT-on-FS基底，我们通过氧等离子体表面激活直接晶圆键合将LT薄膜转移到熔融石英晶圆上。后续的调制器制造过程在我们之前的工作中已有报道[1]。此外，电极还覆盖了一层薄薄的SiO2层，以保护软金属表面，同时在焊盘区域开口，以便连接微波探针。最后，采用飞秒激光（General Intelligent Equipment Co., Ltd.）进行隐形切割，将晶圆分割成单个器件，并形成平滑的端面，以便进行对接耦合（图1（e）-（f））。

为了评估晶圆级的电光性能，我们通过从任意波形发生器施加低频驱动信号，并用光电探测器记录光输出强度，测量了18毫米长调制器的半波电压-长度乘积（VπL）。在100 Hz驱动频率下，1550 nm波长下的半波电压-长度乘积（VπL）约为2.8 V·cm，1300 nm波长下为2.3 V·cm（图2（a）），对应18毫米长调制器的半波电压分别为1.56 V和1.28 V。同时，我们还在整个晶圆上以100 Hz的驱动频率表征了调制效率，结果显示C波段和O波段的VπL一致（图2（b））。微波传输特性使用矢量网络分析仪和110 GHz GSG探针进行测量（图2（c））。通过将一个探针终端接入50 Ω电阻，并用校准过的光电二极管收集光信号，进一步进行电光响应测试。该MZM的3 dB带宽为67 GHz（图2（d））。

使用LTOI MZM进行高速IMDD信号传输
为了展示我们LTOI MZM的卓越性能，我们进行了一次高速IMDD信号传输实验，实验设置如图2（e）所示。外腔二极管激光器（ECDL，17.8 dBm @ 1550 nm）提供光载波。电气驱动信号由高速任意波形发生器（AWG，M8199B，Keysight）生成，并通过20 cm长的射频电缆、宽带射频放大器和110 GHz射频探针传送到MZM的CPW。基于伪随机比特序列的脉冲振幅调制（PAM）信号（PAM4、PAM6、PAM8）通过离线数字信号处理（Tx-DSP）合成，包含根升余弦脉冲整形（滚降β = 0.05）、预失真（用于补偿电气发射器的频率依赖性，排除调制器）以及信号削波以降低峰均功率比至9 dB。MZM通过第二个110 GHz射频探针终端接入50 Ω电阻，这也通过偏置T结构实现了正交偏置。MZM在正交点处的输出光功率为3.7 dBm，超过了典型的以太网收发器规格[6]。使用EDFA来达到接收器所需的10 dBm高功率水平，在接收端，光电二极管（PD）直接连接到实时示波器（RTO，UXR 1004A，Keysight）。在实际系统中，PD后的宽带射频放大可以省去EDFA的需求。经过RTO数字化后，数据最终通过离线DSP（Rx-DSP）提取，其中包括重采样至每符号2个样本、时钟恢复、线性Sato均衡和附加的最小均方（LMS）均衡器。

在数据传输实验中，我们生成并接收了符号速率介于144 GBd至208 GBd之间的PAM4、PAM6和PAM8数据信号。图2（f）展示了各种PAM信号的测量比特错误率（BER）与符号速率的关系。水平虚线表示典型软判决（SD）前向错误修正（FEC）的阈值，25%和15%的开销，以及硬判决（HD）FEC的7%开销。结果显示，我们能够在184 GBd下传输PAM8信号，在192 GBd下传输PAM6信号，在208 GBd下传输PAM4信号，且BER值低于25% SD-FEC限制。图2（g）展示了可实现的信息速率（AIR，虚线，星号），该信息速率是根据我们测量的广义互信息（GMI）计算的，假设为加性白高斯噪声信道模型[7]。图2（g）中的实线显示了BER低于25% SD-FEC限制的测量的净数据速率，计算时使用与[8]中给定的标准化GMI阈值相关联的编码速率。最高的AIR为466 Gbit/s，使用PAM8在180 GBd时实现，净数据速率为437 Gbit/s，与高带宽LNOI MZM结果相当[9]。

总结
我们展示了高速、可扩展制造的LT-on-FS马赫-曾德调制器。该调制器在1550 nm下的直流Vπ为1.56 V，在1300 nm下为1.28 V，并具有67 GHz的3 dB电光带宽。我们分别在PAM4符号速率208 GBd、PAM6符号速率192 GBd和PAM8符号速率184 GBd下实现了BER低于25% SD-FEC阈值的传输。这样，我们实现了单载波线路速率为552 Gbit/s（184 GBd PAM8），净数据速率为437 Gbit/s（180 GBd PAM8）。本文的结果突显了LTOI平台在高度可扩展IMDD收发器中的重要潜力。

文章名：Lithium-Tantalate-on-Fused Silica Mach-Zehnder Modulators

作者：Zihan Li1,2*, Alexander Kotz3*, Adrian Schwarzenberger3, Christian Koos3,4,5†, Tobias Kippenberg1,2,5‡

单位：Luxintellgience&KIT&EFPL