近日，《Nature Communications》期刊在線發(fā)表了華中科技大學、復旦大學與中國科學院半導體研究所聯(lián)合研究團隊的最新研究成果，題為 Ultra-broadband near- to mid-infrared electro-optic modulator on thin-film lithium niobate 。該研究成功研制出一款覆蓋近紅外至中紅外波段的超寬帶高速薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器。利用單個調(diào)制器，在O-U波段和2微米波段均實現(xiàn)了單波速率超過200 Gbps和170 Gbps的高速信號傳輸，突破了高速電光調(diào)制器在寬光譜工作范圍上的瓶頸，為光通信系統(tǒng)的頻譜資源擴展提供了有效途徑。

隨著傳統(tǒng)近紅外通信波段容量危機的日益凸顯，向中紅外拓展的寬帶光通信系統(tǒng)已成為很有潛力的研究方向，從而推動了對大帶寬、高速光電子器件的迫切需求。然而，受限于波導色散及電極速度失配等因素，當前集成光調(diào)制器在實現(xiàn)寬波長工作范圍方面仍面臨顯著挑戰(zhàn)。為突破這一瓶頸，研究團隊通過協(xié)同設(shè)計寬帶端面耦合器、功率分束器以及高速行波電極，成功研制出一款覆蓋近紅外至中紅外的超大帶寬(800nm)高速薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器。如圖1所示，該器件工作波長范圍為1260–2060 nm，覆蓋O-U波段及2 μm波段。該調(diào)制器的研制不僅拓展了全頻譜光通信系統(tǒng)的應(yīng)用潛力，未來結(jié)合多波長光源與多波段光放大器的集成，有望實現(xiàn)覆蓋從O波段至2 μm波段的寬帶光發(fā)射機。

圖1. 全頻譜范圍的薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器。(a)拓展光通信系統(tǒng)的全頻譜范圍的概念與架構(gòu)，通過寬帶電光調(diào)制器、多波長光源、多波段光放大器、寬帶光纖和光電探測器來實現(xiàn)，插圖為調(diào)制區(qū)域截面;(b)制備的薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器顯微鏡圖像，插圖為端面耦合器和功率分束器的電鏡圖像。

制備的寬帶薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器具有優(yōu)異的性能，在O-U波段均測得>67 GHz的3-dB帶寬，在2-μm波段測得>50 GHz的3-dB帶寬，其中在O-、S-、C-和L-波段(1310 nm、1485 nm、1550 nm、1590 nm)測得了~100 GHz的3-dB帶寬。另外，該調(diào)制器驗證了O-、E-、S-、C-、L-、U-和2-μm波段的高速信號傳輸，如圖2所示，1310 / 1450 / 1485 / 1550 / 1590 / 1653 / 1970 / 2000 nm波長下PAM-4信號的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為260 / 260 / 260 / 280 / 280 / 240 / 170 Gbps。這一成果首次在實驗上實現(xiàn)了全頻譜(O至U波段)單波長速率超過240 Gbps(PAM?4信號)的光通信，同時在2?μm波段實現(xiàn)的170 Gbps單波長速率也顯著突破了該波段以往的記錄。這一突破展現(xiàn)了大帶寬高速薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器在構(gòu)建超寬帶光通信系統(tǒng)中的變革性潛力，并將為下一代數(shù)據(jù)中心及高性能計算設(shè)施持續(xù)增長的帶寬需求提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖2. 數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果。(a)高速數(shù)據(jù)傳輸測試裝置圖和OOK信號眼圖;(b)覆蓋近紅外至中紅外波段的一些典型波長下的PAM-4信號的誤碼率隨接收光功率變化關(guān)系曲線，插圖為PAM-4信號眼圖;(c)OOK和PAM-4信號在不同波長下隨數(shù)據(jù)速率增加的誤碼率曲線;(d)誤碼率在HD-FEC閾值下的OOK和PAM-4信號的數(shù)據(jù)傳輸速率。

武漢光電國家研究中心博士研究生李啟元、衣啟源、武漢安湃光電有限公司潘安博士和復旦大學博士研究生孫奧龍為論文共同第一作者，沈力副教授、曾成教授、張俊文教授和鄭軍副研究員為論文共同通訊作者。論文第一單位為華中科技大學。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金和湖北省光學基礎(chǔ)研究中心開放項目等的資助。