近日，上海交通大学光子传输与通信全国重点实验室周林杰教授、陆梁军教授团队联合复旦大学和华中科技大学等单位，在微转印异质集成电光调制器研究方面取得新进展。研究团队利用微转印技术研制了高性能薄膜钽酸锂-氮化硅马赫-曾德尔调制器，在实现低损耗、超宽带和长期稳定运行的基础上，完成了高速光通信、太赫兹无线通信及高分辨率雷达感知三类应用验证，相关指标跻身国际先进水平，为面向下一代信息网络的可扩展高性能跨域光子芯片开辟全新路径。相关成果以“A broadband lithium tantalate-on-silicon nitride heterogeneous modulator for optical and terahertz communications and radar sensing”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。
研究背景
随着人工智能、自动驾驶和6G网络等技术的快速发展，下一代信息网络正在由单一的信息传输系统，向集高速光互连、宽带无线通信和实时环境感知于一体的综合信息基础设施演进，对传输容量、工作带宽、响应速度、能耗和长期稳定性提出了更高要求。在众多光电器件中，调制器是连接电子域与光子域的核心器件，其性能直接影响信息系统的数据吞吐量、信噪比及规模化集成能力。然而，现有单一材料平台往往难以同时兼顾高性能调制和多功能光子集成。氮化硅具有超低传输损耗和良好的工艺兼容性，却缺乏高效的高速电光调制机制；薄膜钽酸锂具有优异的线性电光效应，是构建高速电光调制器的重要候选材料，但难以独立集成激光器、探测器等有源器件。因此，如何将不同材料体系的优势器件灵活集成于同一光子芯片，构建功能完整且性能优异的片上光电子芯片，是发展下一代多功能光子集成系统需要解决的关键问题。
研究内容
研究团队提出了一套异质集成全功能光电子芯片的方案，以超低损耗氮化硅光子平台为载体，利用微转印技术模块化集成、可拓展性强和工艺灵活的优势，可将光源、高速调制器和探测器集成到氮化硅母体平台上，为光互连、太赫兹通信和雷达感知提供多功能集成基础。
基于微转印技术的异质集成光电子平台概念图：以超低损耗氮化硅光子平台为载体，通过微转印集成薄膜钽酸锂、III-V、硅锗等光电子平台的材料和器件，构建包含光源、调制器、放大器、探测器及其他功能器件的光电子芯片系统
本项工作主要针对钽酸锂-氮化硅调制器进行研究。研究团队采用自主开发的微转印异质集成工艺平台，将预制的钽酸锂薄膜集成至商业流片的氮化硅光子芯片上，研制出钽酸锂-氮化硅异质集成马赫-曾德尔调制器。针对微转印过程中材料对准误差可能引起额外光学损耗的问题，研究团队设计了具有高对准容差的多段式层间耦合结构，使光场能够在氮化硅波导与薄膜钽酸锂-氮化硅混合波导之间实现低损耗转换，实测单个层间转换界面的耦合损耗约为0.26 dB，为异质器件的高良率制造和规模化集成提供了基础。
异质集成马赫-曾德尔调制器结构：（a）调制器结构示意图；（b）层间耦合器结构；（c）器件显微镜照片；（d）混合波导截面；（e）（f）薄膜钽酸锂与氮化硅波导的耦合区域
异质集成电光调制器性能：（a）器件插入损耗与消光比统计；（b）光学传输谱；（c）半波电压测试结果；（d）电光频率响应；（e）射频反射响应；（f）72小时输出功率稳定性测试
研究团队对42个异质集成器件进行了统计测试。结果表明，器件平均插入损耗约为0.8 dB，平均消光比约为28.6 dB，其中95%的器件消光比超过20 dB，体现出良好的工艺可靠性。调制器的3 dB电光带宽达到约110 GHz，展现出优异的高速调制能力。在正交偏置点连续工作72小时后，器件平均输出功率漂移仅约0.3 dB，且未呈现持续恶化趋势。上述性能表明，该异质集成方案能够同时兼顾低损耗、超宽带和高稳定性。
高速光数据传输实验：（a）实验系统；（b）不同调制格式和符号率下的误码率；（c）高速OOK、PAM4和PAM8信号眼图
在高速光通信实验中，研究团队采用该调制器传输OOK、PAM4和PAM8等多种码型的高速信号。在20%软判决前向纠错门限下，OOK、PAM4和PAM8信号的最高符号率分别达到200 GBd、150 GBd和125 GBd。其中，125 GBd PAM8信号实现了375 Gbps的数据传输速率，是基于微转印的异质集成调制器的最高传输速率，该结果验证了该器件服务下一代高速光互连的能力。
全光子太赫兹无线通信实验：（a）系统结构；（b）（c）发射和接收光谱；（d）调制器与射频探针连接照片；（e）（f）误码率与接收光功率的关系；（g）（h）W波段和D波段无线通信结果
研究团队进一步搭建了全光子太赫兹无线通信系统。系统在发射端通过光电转换产生太赫兹无线信号，在接收端利用所研制的宽带调制器完成太赫兹信号的光学上转换和相干解调，从而构成光纤-太赫兹-光纤融合传输链路。研究演示了多波段传输应用。在W波段实验中，系统在88 GHz载波频率下实现了132 Gbps速率的16QAM信号传输。在D波段实验中，系统在125 GHz载波频率下实现了148 Gbps速率的16QAM信号传输，创造了D波段光子辅助无线通信传输速率的新纪录，体现了高性能调制器在高频无线传输中的优势。
W波段雷达感知实验：（a）实验系统；（b）被测目标；（c）（d）发射和接收光谱；（e）不同距离下的归一化拍频曲线；（f）测距结果及误差；（g）距离分辨率；（h）（i）不同中心频率和光功率下的信噪比
除通信应用外，研究团队还利用该调制器搭建了全光子W波段雷达感知系统。系统通过光子学方法产生线性调频信号，并利用异质集成调制器对目标回波进行接收，从拍频信号中获取目标距离。测量得到测距误差小于2 mm，距离分辨率达厘米级。在88-107 GHz的工作范围内，系统信噪比始终保持在20.5dB以上，验证了高性能调制器在宽带高精度雷达感知中的应用潜力。
器件与系统性能对比：（a）氮化硅基异质集成调制器性能对比；（b）全光子太赫兹通信系统性能对比
该器件在调制带宽、传输损耗、通信速率和运行稳定性等关键指标上展现出突出的综合优势，该成果将微转印异质集成调制器的性能提升至国际先进水平，为构建面向下一代光互连、6G太赫兹通信与通信感知一体化的多材料、多功能光子芯片奠定了重要基础。
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