摘要：我们展示了使用铁电薄膜绝缘体（PLZT）调制器进行200 GBd调制。2.5毫米长的相位调节器有效地促进了调制，实现了在2.0公里距离上无误差的O波段传输。

1. 引言

近年来，由于高分辨率流媒体、B5G 技术、云计算服务和物联网等带宽密集型应用的日益普及，数据流量急剧增长。这种激增对光纤通信网络提出了更高的要求。而这种激增的动力源于不断涌现的、出乎意料的数字应用和服务。人们越来越关注实现 Tbps 网络应用所需的 Tbps 以太网。为了实现单信道 Tbps 的传输速率，人们正在努力提高信道符号速率并采用先进的相干调制技术，例如差分正交幅度相移键控 [1]。另一种方法是光时分复用 (OTM)，结合接收端的高效解复用技术，这也可以通过全光信号处理增强传输 [2]。虽然这些高线路速率可以通过先进的调制格式实现，但人们仍在努力进一步扩展电子带宽。生成高符号率电子信号具有优势，因为任何调制从根本上来说都依赖于一个具有单个光载波的电光调制。近年来，人们进行了广泛的研究，旨在将电符号率生成推至远超 200 Gbaud，这一进展有望支持下一代相干光纤传输 [3, 4]。最近，通过使用数字波段交错 (DBI) 数模转换器 (DAC) [5] 或基于磷化铟 (InP) 双异质结双极晶体管的电混频器 [6]，技术进步使得电带宽操作能够超过 150 GHz。这些创新促进了 216 Gbaud 和 314 Gbaud 符号率的调制，使用单个马赫-曾德尔干涉仪调制器实现了超过 500 Gbit/s 的信号速率。这些进展对于高密度光学处理至关重要，尤其是对于数据中心所需的光接口技术而言，这些技术对技术规范的要求更为严格。然而，尽管在高符号率生成方面取得了这些进步，但能够处理高频的可用电光 (EO) 器件仍然受到合适材料和器件选项匮乏的限制。迫切需要探索更高效的调制器件，并与高带宽电子器件完全兼容。

#划重点

#PZTOI晶圆 #PZT电光调制器光刻显影刻蚀流片

#6寸DUVKRF150nm晶圆级流片

2. 高速 PLZT 波导调制器

2.1. 在绝缘体上铁电晶体中制备的高效电光调制器。

我们的方法专注于在波导调制器中使用强铁电体，特别是采用绝缘体上铁电晶体结构。这种混合结构在驱动电压、带宽、高速信号传输和紧凑制造方面具有显著优势。此类调制器的潜力已在近期开发的薄膜铌酸锂 (TFLN) 调制器中得到验证，并在高线速传输中展现出良好的性能。然而，TFLN 器件中约 31 pm/V 的电光 (EO) 系数限制了其提高调制效率的潜力，尤其是在试图进一步缩小器件尺寸时。为了解决这个问题，我们选择了铁电晶体 Pb(La)[Zr, Ti]O3 (PLZT)，因为它具有约 200 pm/V 的高 EO 系数，并且在光纤通信波长下具有出色的光学透明性。在 PLZT 调制器的可行性研究中，我们实现了高达 172 Gbaud 的调制速率 [7, 8]。然而，CPW 线路内的射频功率衰减阻碍了高速调制的效率。造成电气损耗的主要因素是导体损耗（随频率变化）和基板损耗（无论频率如何均保持不变）。为了克服这些限制，我们重新设计并优化了 PLZT 调制器的移相器部分，以支持高达 200 Gbaud 的调制速率。尽管高符号率电子信号生成技术的最新进展可以进一步提高信号传输速度，但这方面的问题超出了本研究的范围。所有实验均采用简单的强度调制直接检测系统进行。

图 1. PLZT 调制器的频率响应。(a) 移相器部分的照片和剖面图。(b) CPW 线在不同频率下的射频功率衰减。(d) PLZT 调制器的电光频率响应。

2.2. 移相器的电气元件及其优化

图 1(a) 为 PLZT 调制器共面波导 (CPW) 部分的横截面示意图，其中列出了影响总阻抗的电气元件。波导的设计旨在将光电场集中在 PLZT 内部的光模芯周围，从而确保高效的电光调制。金属电极由信号线和厚度为 0.8 µm 的铝接地层组成，沉积在波导芯上。由于 PLZT 具有较大的介电常数（约 1300），该层中的元件起着重要作用，从而影响射频功率衰减。因此，电极下方 PLZT 层（200nm）的厚度可调，以优化信号到基板的电容。最后，如图 1(b) 所示，我们测量了射频衰减频率响应，结果显示其滚降极小，在 70 GHz 时小于 2.0 dB。此外，测量的电光调制频率响应如图 1(c) 所示，在 10 至 70 GHz 之间滚降小于 3 dB。PLZT 调制器采用 MZI 结构，并使用 MMI 分路器。移相器长度为 2.5 mm，保偏光纤连接到波导边缘，将激光引导至调制器。鉴于 PLZT 的电光系数约为 195 pm/V，调制器在 1310 nm 波长下实现了 5.8 V·mm 的 VL 值。

2.3. PLZT调制器的200 GBd调制

我们通过生成200 GBd OOK信号（200 Gbit/s线速），研究了PLZT调制器用于高速传输的可行性。对于OOK传输，将由80 GHz AWG（Keysight M8199B）生成的PRBS电信号施加到PLZT调制器上。使用100 GHz线性驱动器将电压摆幅调整至约300 mVpp。为了检测产生的OOK信号，使用掺镨光纤放大器放大光输出。实验中使用高速数字通信分析仪示波器（Keysight DCA-X N1000A和N1046A）和100 GHz光电探测器模块（Fraunhofer HHI）进行信号检测和分析。测量装置如图 2(a) 所示，200 GBd 下测得的眼图如图 2(b) 和 2(c) 所示。比较了在数字通信分析仪中应用和未应用 8 抽头前馈均衡 (FFE) 时的眼图。图 2(e) 显示了不同符号率下的误码率 (BER)。即使在高达 200 GBd 的符号率下，未应用 FFE 的估计 BER 仍低于软判决前向纠错 (SH-FEC) 的阈值。采用 FFE 后处理后，信号保真度提高了两个数量级以上。当前 PLZT 调制器的电光响应受普克尔斯效应驱动，电功率和光功率之间呈线性相关。当 PLZT 调制器以 182 Gbit/s 的符号速率进行 PAM4 调制时，在 1310 nm 波长下 2.0 km 光纤传输中实现了低于 FEC 阈值的 BER。值得注意的是，在这些 PAM4 信令测试中，EO 调制受到我们测试设备的带宽和电气线性度的限制。

图 2. PLZT 调制器产生高速信号。(a) OOK 和 PAM4 传输实验装置。(b、c) 200 GBd OOK 信号（未采用 FEC 和 FFE，抽头=8）的测量眼图。(d) 182 GBd PAM4 信号。(e) 符号速率为 178-200 GBd 时不同 OOK 信号的 BER 值。(f) O 波段 2 公里长光纤传输 200 GBd OOK 和 182 GBd PAM4。

3. 结论

我们演示了一款采用PLZT波导调制器的高速OOK和PAM4发射机。调制器中的CPW线经过专门设计和制造，可将其带宽提升至70 GHz以上。PLZT强大的电光效应使其成为一款高效紧凑的移相调制器，性能远超传统的基于晶体的调制器。该调制器实现了无误码运行，误码率低于FEC阈值。这些结果凸显了PLZT调制器在可靠高效应用中的潜力，它兼具低驱动电压和高带宽性能。

作者；Shiyoshi Yokoyama,1, 2 Yuexin Yin,1 Sahar Alasvand Yazdani,1 Hiromu Sato,1 and Guo-Wei Lu,1,2

单位；1. Institute for Materials Chemistry and Engineering, Kyushu University, Fukuoka 816-8580, Japan  

2. Department of Molecular and Material Science, Kyushu University, Fukuoka 816-8580, Japan