铌奥光电研制的铌酸锂薄膜相干调制器芯片支持世界首例260G波特DP-QPSK信号100公里光纤传输

  研发背景

  信息社会发展的大趋势下，人类与机器产生的信息总量在未来15年内仍将以每年50-60% 的速度指数增长，未来光纤网络能否提供快速增长的海量信息传输所需的通信容量，是事关信息技术发展是否具有可持续性的根本性问题。其面临的关键挑战是如何在不断扩展光信道带宽和信噪比以提高信息传输容量的同时，不但实现单位容量能耗的降低，并且进一步实现信道总能耗的降低，从而逆转能耗随信息量上升的总体趋势。以光电子芯片与器件为代表的物理硬件技术，是解决上述关键技术挑战和卡脖子问题的主要突破口。

  提升光纤传输的符号速率(波特率)，可以大幅减少光纤通信发射端的芯片和器件的数量，是光纤通信网络提速率、降能耗、控成本的重要手段。目前商用的相干光传输系统采用7nm工艺节点的数字信号处理(DSP)芯片，配合符号速率96G波特和64QAM的调制码型，可支持800Gbit/s数据传输速率。下一代的传输系统采用5nm DSP、配合符号速率130G波特、QPSK调制码型，可支持400Gbit/s数据速率1500公里的长距离传输。下一步能否实现符号速率超过200G波特的相干光通信系统，成为业界关注的焦点。其关键在于光电子芯片和微电子芯片能否突破当前的性能瓶颈，而具有100GHz以上的超大电光带宽和<1V的超低驱动电压的电光调制器是实现这一目标的核心关键光电子芯片。

  主要创新

  2022年1月，中山大学与华为合作，在国际著名刊物《Optica》上发表了世界首例基于铌酸锂薄膜的偏振复用相干光调制器芯片(M. Xu, et al. Optica 2022, 9(1): 61-62)，首次实现了高达1.96Tb/s的单载波传输速率，然而该芯片演示的符号速率仅为130Gbaud的波特率。将波特率提升至200Gbaud以上仍面临许多挑战，需要系统中所有光电元件都具有足够的带宽，且高波特率下的电驱动信号幅度仅为百毫伏量级，对电光调制器芯片和测试仪器都提出了严苛的要求。

  在上述工作基础上，铌奥光电、中山大学、贝尔实验室(法国)、III-V实验室(法国)和是德科技组成了联合研发团队，进一步优化设计了铌酸锂薄膜电光调制器的光学设计和微波设计，利用石英衬底实现了超低的微波损耗，并利用容性行波电极实现了微波速率与光波速率的片上同步传输，成功研制了3dB电光带宽达110 GHz、半波电压低至1 V的高性能双偏振相干光调制器，如图1所示。为了开展稳定传输实验，铌奥光电还完成了低损耗的光纤阵列与调制器芯片的耦合，并实现了可灵活排布射频接口的封装模块。

  图1 铌奥光电和中山大学研制的铌酸锂薄膜IQ调制器

      联合团队进一步利用采样率高达260Gsa/s、带宽超过75GHz的是德科技M8199B样机这一目前最高性能的任意波形发生器(AWG)，实现了破纪录的260G超高波特率DP-QPSK调制(如图2所示)，并演示了100km单模光纤传输。还进一步利用185G波特PCS-64QAM高阶调制格式，实现了1.84 Tb/s可达信息比率(AIR)(如图3所示)。铌酸锂薄膜调制器的大带宽、低驱动电压等优异性能，使得传输实验中无需采用非线性DSP算法和复杂算法的MLSE均衡器，从而以更低的DSP复杂度和功耗再一次创造了相干光传输的记录。

  图2 该工作演示了目前最高的光纤通信波特率

  图 3 (a)180 Gbaud以上的高阶调制光信号;(b)高达260 Gbaud QPSK调制。

  总结与展望

       铌奥光电和中山大学研制的超低驱动电压、超大电光带宽的铌酸锂薄膜双偏振相干调制器与低复杂度DSP相结合，实现了260 Gbuad的超高波特率和1.94Tb/s信息率的100千米传输，将对单载波2 Tbit/s以上超高数据传输速率在短—中距互联中的应用起到有力推动作用。