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研究透视 | 高能效集成铌酸锂电光梳状发生器

时间:2023-05-05 点击量: 1794

摘要

近日,香港城市大学张科、孙文钊研究团队在《通讯-物理》期刊发文,报道了一种节能的宽带集成EO梳状发生器,可用于高速光通信,激光雷达,传感和 光谱应用。文中称集成电光 (EO) 频率梳是未来光通信、光检测和测距、光学计算、传感和光谱学应用的重要组成部分。迄今为止,宽带片上EO梳子通常在高质量因子微谐振器中产生,而更直接和灵活的非谐振方法,通常使用单个或级联EO相位调制器,通常需要高驱动功率才能实现相当强的调制指数。

在这里,他们通过多个低损耗模式多路复用器和波导交叉,将光信号通过调制电极总共4次往返,可以提高集成铌酸锂调制器的相位调制效率,从而将电功耗降低15倍。使用由晶圆级步进光刻工艺制造的器件,我们演示了一种宽带光学频率梳,该梳具有47条梳状线,重复频率为25 GHz,使用28 dBm(0.63 W)的中等射频(RF)驱动功率。利用重复频率和工作波长的可调性,我们的节能EO梳状发生器可以作为未来高速数据传输,传感和光谱以及经典和量子光学计算系统的紧凑型低成本解决方案。

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介绍

光学频率梳 (OFC) 是具有离散、等间距的光学频率组件,是光通信、光检测和测距 (LiDAR)、光学计算、光学时钟和光谱学的出色构建模块。


LNOI光子平台允许更高效、更紧凑、更低成本的片上EO梳,并且可以覆盖整个电信L波段,超过900条线路。利用高质量因子(Q因子)、强大的微波-光场重叠和工程色散,可以多次生成EO梳,从而产生链和级联边带生成过程,进而产生宽带梳子跨度。然而,高RF功耗限制了它们的实际应用。双通EO相位调制器可以使用4.0 W30的RF功率在30 GHz下产生67条梳状线,基于模式复用的相位调制器可以在25 dBm39时产生15条梳状线。

在该文中,团队演示了一种高能效的基于 LNOI 的 EO 梳状发生器,该发生器使用 28 dBm 的中等射频驱动功率,以 25 GHz 的重复频率生成具有 47 条梳状线的宽带光频率梳。


结果


连续波 (CW) 泵浦光穿过相位调制区域进行第一次 EO 调制,然后环回并通过绝热TE0/TE1 模式多路复用器转换为二阶横向电模式 (TE1)。该TE1模式灯随后被引导回GSG传输线的底部调制区域。他们的循环波导设计采用GSG行波电极设计和工程材料堆栈,以实现25 GHz的微波光相位匹配。每次往返后的光信号被精确延迟,4次调制信号输出到右侧。绝热模式多路复用器、波导交叉和EO调制区域采用 基于晶圆级紫外(UV)步进光刻的工艺制造。

绝热模式多路复用器是多回路EO梳状发生器的关键使能组件。它是使用宽带和坚固的绝热耦合器设计实现的。绝热模式多路复用器基于550 m长的绝热耦合区域实现,其中分支1逐渐变窄,分支2沿光传播方向变宽,导致分支1中TE1模式的有效指数下降,分支2中TE0模式的有效指数增加n。为了评估绝热模式多路复用器的性能,他们使用与实际梳状发生器相同的制造方法制造了一个2 x 2级联结构,并测量了光学S参数。该器件在宽波长范围内具有 0.4 dB 的低光损耗和 >20 dB 的高消光比。

他们为多回路片上EO梳状发生器制造并测试了四种类型的相位调制器,包括单通相位调制器、双通相位调制器和四通相位调制器。图3b显示了使用上述四种类型的梳状发生器在24.95 GHz下以28 dBm(630 mW)的相同RF功率驱动的模拟和测量的EO梳状频谱。四通EO梳状发生器总共显示47条测量的梳状线。他们使用四个EO梳状发生器在不同RF驱动功率下实验生成具有相似跨度的梳子,并测量设备在不同RF驱动功率水平下生成的梳状频谱。他们的 I-TypeV 器件显示测量的功率降低为 11.7 dB(线性标度为 15),或调制指数增强因子为 3.9。他们 使用  具有  总 12 cm 长波导 的 多 程 EO 梳 发生 器 和 波导 交叉 和 模 复 用 器 等 结构 来 生成 具有 87 条 梳 线 的 EO 梳 , 光 带宽 接近 20 nm。这产生了4 dB的总片上光损耗。

他们设计并制造了一种节能的EO梳状发生器,可以在广泛的射频和光学频率范围内高效运行。他们设备的直接测量电光S21响应表明,在测量的频率范围内,他们的仿真预测是一致的。

器件EO S21响应显示振荡行为是频率的函数,由于 相位调制器的固有带宽限制,最大可实现的EO S21值受缓慢滚落包络的限制。该器件具有较大的射频频率调谐范围。他们的 EO 梳状发生器可以在其他最大 EO 响应频率(包括接近 20 GHz 和 30 GHz)下高效运行,并且可以生成超过 45 条梳状线。它对波长不敏感,在整个实验期间支持稳定的无温度控制操作。

他们目前的器件片上光转换效率为39.8%,高于专门针对高光功率转换优化的基于双微环的EO梳状发生器(30%)27。光和电功耗与光插入损耗和RF相位调制电压长度乘积密切相关,在光损耗降低、输入功率增加的情况下,光和总功率转换效率分别提高到79.4%和39.7%。

结论


该团队开发了一种节能的宽带集成EO梳状发生器,可用于高速光通信,激光雷达,传感和 光谱应用。梳状发生器可以与幅度调制器进一步集成,以在低RF功率下实现平顶宽带EO梳。利用重复频率和工作波长的可调性,该节能EO梳状发生器可以作为未来高速数据传输,传感和光谱以及经典和量子光学计算系统的紧凑型低成本解决方案。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s42005-023-01137-9


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