OFC2025 | 配备光电等化器的全封装100GHz带宽薄膜铌酸锂调制器

引言

随着光纤通信领域的快速发展，对支持现代信息和通信技术社会基础设施需求的复杂组件需求不断增长。随着带宽要求持续攀升，薄膜铌酸锂(TFLN)调制器已成为高容量光纤链路中极具价值的器件。本文介绍突破性的全封装100GHz带宽TFLN调制器，该调制器采用光电频域等化器(EO-EQ)，使信号传输速率达到255 Gbaud的记录水平[1]。

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理解TFLN调制器及其优势

TFLN调制器因其低光损耗、低半波电压(Vπ)和大电光带宽，相比传统调制器具有显着优势。然而，在实施过程中一直面临的挑战是在行波配置中实现低Vπ和维持高带宽之间的固有权衡。这种权衡在历史上限制了整体性能，促使研究人员开发创新解决方案。

研究团队通过开发光电频域等化器(EO-EQ)解决了这一挑战，该等化器在保持相同Vπ的同时增强了带宽。这种方法产生了一个超宽带马赫-曾德尔调制器(MZM)芯片，具有100GHz 1-dB带宽，以及配备1-mm连接器且具有100GHz 3-dB带宽的封装器件。

图1：(a) TFLN调制器模块图片，(b) 封装前/后的频率响应，(c) 模块的调制曲线。

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斜率效率：关键性能指标

该调制器最显着的成就之一是在100 GHz处实现了创纪录的高斜率效率。斜率效率是模拟强度调制直接检测(IM-DD)链路中的关键参数，代表了作为频率转换器/混频器的有效增益（或转换损耗）。更高的斜率效率意味着更大的链路增益，从而获得增强的信号功率和接收端改善的信号噪声比(SNR)。

相对斜率效率可以计算为20×log₁₀(T/Vπ)，其中T表示线性单位中的光纤到芯片到光纤透射率。图2中显示的值是通过假设光学无损调制器进行归一化的，该无损调制器在100 GHz时的Vπ为1 V。

图2：报道的TFLN MZMs中斜率效率的比较，显示本研究成果达到了创纪录的高性能。

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器件设计与实现

调制器芯片采用了复杂的设计方法，如图3所示。它具有带有容性负载行波配置的慢波电极，同时实现多个目标：

• 通过宽信号电极实现低电损耗
• 使用窄间隙共面电极实现高效调制
• 通过调整容性负载行波电极的分布电容实现速度匹配
  

此外，还应用了弯曲型EO-EQ集成来增加带宽。这种设计创新特别重要，因为在传统行波配置中当调制长度延长以获得较小的Vπ时，带宽通常会下降，而EO-EQ集成能够在不增加Vπ的情况下实现带宽增强。

图3：集成弯曲型光电频域等化器的TFLN调制器示意图。

调制器芯片包含13.5-mm长的基本调制部分、13.5-mm长的同极性调制部分和13.5-mm长的反极性调制部分，总调制长度为40.5 mm。通过使用蛇形结构，芯片的物理长度减少到26.5 mm，与封装中两个RF连接器之间的距离相匹配。

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高波特率传输性能

研究人员使用图4所示的实验设置进行了广泛测试，评估调制器的高速能力。该设置使用波长1.55-μm的连续波(CW)光源，功率为12 dBm输入到调制器，由任意波形发生器(Keysight, M8199B)驱动。通过采样示波器(Keysight N1032A)观察调制光信号，频率响应校准高达100 GHz。

图4：IM-DD链路中高波特率调制的实验设置。

对于余弦成形(RC)的开关键控(OOK)调制，进行了发射机和色散眼图闭合(TDEC)测量。值得注意的是，TDEC值可测量高达200 Gbaud，而无需发射机端预强调或接收机端数字均衡器。使用发射机端预强调后，TDEC降低到了2 dB。

图5：(a) OOK的TDEC测量结果，(b) 200-GBaud OOK的眼图，(c) 使用发射机端预强调的200-GBaud OOK眼图，(d) PAM-4的TDECQ，(e) 180-GBaud PAM-4眼图，(f) 使用发射机端预强调的184-GBaud PAM-4眼图。

对于四电平脉冲幅度调制(PAM-4)，研究团队通过比较接收机端15抽头TDECQ均衡器与使用发射机端预强调的结果测量了TDEC四电平(TDECQ)。后一种方法在高达180 Gbaud时实现了小于3.3 dB的TDECQ值，确认了200-Gbaud级高波特率调制的清晰眼图开口。

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创纪录的误码率性能

使用实时示波器(Keysight, UXR1104A)和离线数字信号处理进行的误码率(BER)测量显示了卓越的性能。在没有发射机端预强调并且仅使用超低复杂度、实用均衡器的情况下，团队成功展示：

• 在15.3%冗余OFEC下的255-Gbaud OOK
• 在20%冗余SD-FEC下的208-Gbaud PAM-4
• 在20%冗余SD-FEC下的176-Gbaud PAM-8
  

图6：(a) OOK、PAM-4和PAM-8的误码率结果，(b)-(d)：255-Gbaud OOK、208-Gbaud PAM-4和176-Gbaud PAM-8的直方图。

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结论及未来影响

这种采用EO-EQ集成的全封装100-GHz带宽TFLN调制器的开发代表了光通信技术的重要进展。使用封装调制器展示高达255 Gbaud的高波特率信号表明在实际应用中实现超过200-Gbaud信号的高可行性。

这一技术进展对高容量光纤链路的未来具有深远影响，可能为下一代通信网络实现数据传输速率的大幅提升。随着我们日益互联世界中带宽需求的持续增长，像这种TFLN调制器这样的技术创新将在支持先进信息和通信技术应用所需的基础设施中发挥重要作用。

参考文献

[1] Y. Yamaguchi et al., "Fully Packaged 100-GHz-Bandwidth EO-Equalizer-Integrated TFLN Modulator with Record-High Slope Efficiency Enabling 200-GBaud Signaling," in OFC 2025, Optica Publishing Group, 2025, Paper Th4D.4.

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