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| 等离子体钛酸钡-氮化硅平台：光通信中突破200GBd高速调制 |
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导读
现有高速电光调制器难以同时满足高调制速率、低损耗、紧凑集成及宽光谱适配等多重需求，尤其亚波长尺度光信号的高速动态调控。来自瑞士苏黎世联邦理工学院的 Manuel Kohli 等研究人员设计了等离子体钛酸钡-氮化硅（BTO-on-SiN）集成平台，为高速调制技术提供了解决方案。研究人员融合氮化硅（SiN）的低损耗特性以及钛酸钡（BTO）的强泡克尔斯效应及纳米等离子体技术，研制出 C 波段马赫-曾德尔（MZM）、C 波段同相正交（IQ）和 O 波段跑道微环（RT）三种调制器，调制速率最高可达 256 GBd。且该平台具有良好的热稳定性与数字信号处理（DSP）兼容性，为短距离数据中心互联、长距离骨干网通信等各类高速光通信场景提供了高效支撑。
该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“The Plasmonic BTO-on-SiN Platform Beyond 200 GBd Modulation for Optical Communications"，苏黎世联邦理工学院的 Manuel Kohli 是论文的第一作者，Juerg Leuthold 是论文的通信作者。
研究背景
近年来，集成光子学平台凭借尺寸紧凑、集成度高等优势，在高速光信号调控中备受青睐，兼具低损耗无源元件与高性能有源调制器的一体化平台更适配多场景应用需求。但现有集成调制技术仍面临诸多挑战：传统平台难以同时实现高调制速率、宽光谱适配、低损耗与紧凑集成的多重目标；SiN 平台虽具备超低损耗、宽光谱透明的优势，却缺乏高频电光调制所需电光效应，限制了其在高速场景的应用；其他材料调制器或需依赖复杂的高阶调制格式与偏振复用技术才能达到高速率，或在热稳定性、集成兼容性上存在短板。理想的高速调制解需兼具低损耗传输、强电光调控能力、宽光谱适配及稳定可靠的性能。钛酸钡（BTO）作为具有极强泡克尔斯效应的非线性材料，具备优异的热稳定性与晶圆级集成潜力，而纳米等离子体技术可实现光场的亚波长局域化，增强光与物质相互作用。将 SiN、BTO 与等离子体技术结合构建新型集成平台，成为突破现有技术瓶颈的重要方向。
创新研究
研究人员首先揭示了等离子体 BTO-on-SiN 平台的核心工作机制与结构设计（图1），通过协同氮化硅（SiN）、钛酸钡（BTO）及纳米等离子体技术优势，实现高速电光调制。平台的核心模块是移相器，光信号先经垂直定向耦合器（VDC）从低损耗 SiN 波导耦合至 BTO 波导，再通过光子-等离子体转换器（PPC）聚焦到金-BTO-金结构的等离子体波导中，利用 BTO 的强泡克尔斯效应实现光相位的高速调控（图 1a）。
该平台的调控能力可覆盖 1260-1360 nm（O 波段）与 1530-1565 nm（C 波段）双光谱窗口。研究人员设计了三款针对不同应用场景的调制器：C 波段马赫-曾德尔（MZM）调制器、C 波段同相正交（IQ）调制器及 O 波段跑道微环（RT）调制器（图1d-1f），三款器件均采用同一工艺实现单片集成，为后续多波段、高速率调制性能验证奠定了结构基础。
图1. BTO-on-SiN平台示意图
C波段MZM调制器性能表征
C波段MZM调制器采用SiN多模干涉仪实现光信号的分束与合束，两臂集成等离子体移相器及光子-等离子体转换器（图2a、b）。测试结果显示，调制器在1550 nm 处光纤插入损耗为 -20.3 dB（图2c）；频率响应在 10-110 GHz 范围内仅 3 dB 衰减（图2d）。表征证实，MZM 调制器可实现 256 GBd 的最高符号速率，为平台高速光通信应用奠定性能基础。
图2. C波段MZM调制器性能表征
C波段IQ调制器性能表征
C 波段IQ调制器由两个并行MZM调制器构成，集成三个铂加热器调控相位关系，器件键合于PCB基板实现电连接。测试结果显示，调制器在1530 nm和1550 nm处的光纤插入损耗分别为22.5 dB 和23.9 dB（图3f）；频率响应在 10-70 GHz 范围内仅3 dB衰减，截止频率约 80 GHz。表征证实，IQ调制器可实现224 GBd符号速率与448 Gbit/s线速率，刷新SiN平台及BTO基调制器的最高数据传输记录，为平台在长距离相干通信中的应用奠定性能基础。
图3. C波段IQ调制器性能表征
O波段RT调制器性能表征
O波段RT调制器基于SiN总线波导与水平定向耦合器，通过谐振实现光调制（图4a、c）。结果显示，调制器在O波段的光纤插入损耗为-9.4 dB，片上损耗低于2 dB，品质因数Q=1931（图4b）；频率响应稳定，温度敏感性优于传统硅微环调制器（图4d）。表征证实，RT调制器可实现200 GBd 符号速率，适配O波段低成本短距离通信场景，进一步完善了平台的多波段应用能力。
图4. O波段RT调制器性能表征
C波段MZM调制器高速传输性能及数字信号处理（DSP）兼容性表征
研究人员通过多调制格式传输实验（图5）证明：二进制脉冲幅度调制（2 PAM）格式下符号速率达256 GBd，4 PAM达170 GBd，8 PAM 达96 GBd（图5a）。前馈均衡器（FFE）抽头数分析表明，140 GBd仅需10个抽头，160 GBd用21个抽头即可满足KP4-FEC要求（图5b）。400 m光纤传输实验中，2 PAM 256 GBd与4 PAM 160 GBd的误码率均低于纠错前误码率（SD-FEC）阈值，眼图性能仅轻微下降（图5c）。
图5. C波段MZM调制器的高速传输性能及DSP兼容性验证
多场景高速传输潜力验证
研究人员对另两种调制器进行数据传输实验（图6）：相干测试C波段IQ调制器（图6a），正交幅度调制（4 QAM）格式下实现 224 GBd符号速率，（对应448 Gbit/s 线速率，为SiN平台及BTO基调制器最高记录）。以 IM/DD 架构测试O波段RT调制器（图6b），2 PAM格式下达200 GBd符号速率，片上损耗< 2 dB。相较同类调制技术，两款器件在不同波段、架构下均展现出高速率与DSP兼容性优势，印证平台对多种距离通信场景的全适配能力。
图6. 多波段调制器数据传输性能表征
总结展望
本研究构建了等离子体BTO-on-SiN集成光子学平台，通过融合氮化硅低损耗、钛酸钡强泡克尔斯效应及纳米等离子体技术，实现了三款高速电光调制器的单片集成：C波段MZM调制器符号速率达256 GBd，C波段IQ调制器达224 GBd，O波段RT调制器以<2 dB的片上损耗实现200 GBd符号速率。器件兼具紧凑尺寸、C/O 双波段适配性及良好稳定性，为高速光通信提供一体化方案。
未来研究可聚焦三方向：一是优化器件结构与制备工艺，降低传输损耗、优化驱动电压与电光带宽，突破速率上限；二是拓展功能维度，探索多偏振调控等新形态；三是结合晶圆级集成工艺优化封装与系统集成，加速在太比特骨干网、AI硬件接口等场景的商业化落地，助力下一代高速集成光子学发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
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