用于大容量数据传输的新型光子芯片

随着人工智能（AI）、5G系统、云计算和物联网的发展，数据通信需要具有极高容量的发射机。超快光调制是大容量发射机的一项关键技术。高速光调制器引起了相当大的兴趣。利用各种材料系统中的不同机制，已经取得了重大进展。

在《光：先进制造》杂志上发表的一篇新论文中，由浙江大学戴道锌领导的科学家团队开发了一种紧凑型绝缘体上铌酸锂（LNOI）光子芯片。

绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台上的光学调制器表现出了巨大的潜力。这是由于线性电光（EO）效应、低额外损耗和高稳定性。基于马赫曾德干涉仪和微谐振器的LNOI EO调制器表现优异。相移臂的长度通常为几毫米，甚至几厘米，以实现低电压。行波电极与高速MZM一起被引入。由于其占地面积大，阵列LNOI MZM对于具有多个信道的高容量多路复用系统来说是不方便的。

(a) 制造的LNOI光子芯片的光学显微镜图像，包括四个EO调制器和四个信道WDM滤波器。(b) MWG一侧的扫描电子显微镜图像，(c) MWG中间部分的扫描电子显微镜图像，(d) 多路复用器的双芯锥体，以及(e) 多路复用器的横截面。

此外，基于谐振器的LNOI调制器可以做得很紧凑，这样也可以降低功耗。因此，基于谐振器的LNOI调制器近年来引起了人们的极大关注。研究团队已经成功展示了基于特定2×2法布里-珀罗（FP）腔的高速LNOI调制器。它能够实现超过110 GHz的3 dB带宽和高达140 Gbps的数据容量。调制部分的占用面积比报告的LNOI环形谐振器调制器小得多。它对阵列波分复用（WDM）系统非常有吸引力。

同时，人们广泛研究了先进的复用技术，通过并行传输多个信道的数据来扩展链路容量。WDM技术已经成功应用，其中引入了多个波长信道。近年来，各种波导结构被开发出来，以实现具有优异性能的WDM滤波器。

在关键区域使用无波导弯曲的智能设计，已经做出了巨大努力并取得了令人印象深刻的进展。使用多路复用器，包括一个倾斜的多模干涉仪，在LNOI上演示了一个四信道粗WDM发射器芯片。研究团队提出并开发了一种基于直多模波导光栅（MWG）的有前景的LNOI光子滤波器。它能够实现盒状光谱响应，其中心波长和带宽可以灵活设计。首次使用级联LNOI MWG建立了具有盒状响应的四信道WDM滤波器。

大规模的光子波导和电路提出了更高的制造要求。高质量的制造对于实现光波导中低损耗和低相位误差的光传播至关重要。已经为LNOI光子波导建立了几种典型的制造技术。干法蚀刻因其工艺兼容性和制造可重复性而成为首选。使用Ar气体的电感耦合等离子体（ICP）蚀刻是制造LNOI光子波导和器件的最常用方法之一。

该芯片具有传输级联和通道均匀性。实验上，该芯片实现了320 Gbps OOK信号和400 Gbps PAM4信号的高容量数据传输，功耗低至11.9 fJ/bit。这表明LN大规模光子集成的巨大潜力和LNOI在集成光子器件中的广泛应用前景。

目前的光子芯片具有超紧凑的尺寸，可以扩展到更多的通道，因此显示出在未来进一步实现LNOI上超高容量和节能的WDM发射器的巨大潜力。引入SiO2、非晶硅或Cr硬掩模可以改善制造工艺。通过改进的蚀刻工艺，传播损耗（主要来自侧壁的散射损耗）可以降低到晶片级。这将支持高性能LNOI光子集成电路的发展，并满足各种应用日益增长的需求。

相关链接：https://phys.org/news/2023-10-photonic-chips-high-capacity-transmissions.html

https://dx.doi.org/10.37188/lam.2023.013