等離子體電光調(diào)制器研究與應(yīng)用文獻(xiàn)

昊量光電新推出基于表面等離子體激元（SPP）和硅光子集成技術(shù)的高速等離子體電光調(diào)制器，高帶寬可達(dá)145GHz，可被廣泛用于通信，量子，測試測量等領(lǐng)域，不僅提供帶寬70GHz-145GHz的環(huán)形諧振調(diào)制器（RRM），馬赫增德爾調(diào)制器（MZM），同相正交調(diào)制器（IQM）封裝調(diào)制器模塊及芯片，還可以根據(jù)客戶需求提供定制化產(chǎn)品。以下是基于等離子體激元及硅光子封裝技術(shù)開發(fā)的高速等離子體電光調(diào)制器的相關(guān)研究論文及應(yīng)用文獻(xiàn)介紹。

1.帶寬超過100GHz，等離子體損耗減少的低溫環(huán)境下的等離子體調(diào)制器（Plasmonic Modulators in Cryogenic Environment Featuring Bandwidths in Excess of 100 GHz and Reduced Plasmonic Losses），D. Bisang, et al(ACS Photonics, 2024)

摘要：低溫量子應(yīng)用需要越來越多的互連和帶寬。預(yù)計(jì)光子鏈路將提供高帶寬、低熱負(fù)荷和低噪聲的數(shù)據(jù)傳輸，使下一代可擴(kuò)展量子計(jì)算系統(tǒng)成為可能。然而，它們需要在低溫下工作的高速和節(jié)能調(diào)制器來進(jìn)行電光信號轉(zhuǎn)換。在這里，等離子體有機(jī)電光調(diào)制器在4 K下工作，帶寬>100 GHz，驅(qū)動(dòng)電壓低至96 mV，與室溫相比，等離子體傳播損耗顯著降低40%以上。利用等離子體馬赫-曾德爾調(diào)制器和等離子體環(huán)形諧振器調(diào)制器分別在1528 nm和1285 nm處進(jìn)行了數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，證明了低溫電光信號轉(zhuǎn)換速度可達(dá)160 Gbit/s和256 Gbit/s。這項(xiàng)工作表明，等離子調(diào)制器非常適合未來在低溫環(huán)境中高速、可擴(kuò)展和節(jié)能的光子互連。

2.用于未來RoF系統(tǒng)的全無源亞太赫茲對光接收機(jī)的等離子體片上天線（Plasmonic On-Chip Antenna Enabling Fully Passive sub-THz-to-optical receiver for Future RoF Systems），H. Ibili, et al (OFC, 2024)

摘要：我們演示了一種全無源片上天線集成等離子調(diào)制器接收器，內(nèi)置在235GHz左右的場增強(qiáng)為10,000，使射頻電子冗余。在無線亞太赫茲鏈路中傳輸高達(dá)80Gbit/s。

3.在1400米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)160 Gbps直接亞太赫茲到光轉(zhuǎn)換的雙向帶接收器（Dual-Sideband Receiver Enabling 160 Gbps Direct subThz-to-optical Conversion over 1400 m），T. Blatter et al (OFC, 2024)

摘要：介紹了一種用于射頻鏈路的雙向帶接收方案，可提供高達(dá)3db的靈敏度改進(jìn)，并測試了在226 GHz射頻下160 Gbps光纖網(wǎng)絡(luò)之間架橋1400 m的無線距離。

4.單載波網(wǎng)絡(luò)400 Gbit/s IM/DD超過400 m光纖實(shí)現(xiàn)等離子體馬赫-曾德調(diào)制器（Single carrier net 400 Gbit/s IM/DD over 400 m Fiber enabLED by Plasmonic Mach-Zehnder Modulator），L. Kulmer, et al(OFC, 2024)

摘要：我們利用等離子體MZM編碼的178GBd PAM8信號演示了437.1Gbit/s的IM/DD鏈路。符號速率高達(dá)256GBd，傳輸超過400m，同時(shí)保持凈速率>400Gbit/s已成功演示。

5.共振微波-光子協(xié)同設(shè)計(jì)的調(diào)制增強(qiáng)（modulation Enhancement Through Resonant Microwave-Photonic Co-Design），D. Moor, et al(ECOC, 2023)

摘要：傳統(tǒng)的光子學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)致器件對環(huán)境和缺陷非常敏感，體積龐大，效率低下，因此禁止縮放。光子學(xué)逆設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生比許多優(yōu)點(diǎn)的器件，完全兼容基于代工的制造，甚至可以實(shí)現(xiàn)光子學(xué)的新功能。示例包括片上和片對片光學(xué)互連中的無錯(cuò)誤傳輸，速度超過Tb/s，片上非線性光學(xué)隔離器，色散工程緊湊和高Q諧振器，可擴(kuò)展量子光子學(xué)，甚至芯片上的激光驅(qū)動(dòng)粒子加速器。

6.未來高速度自由空間光通信的等離子調(diào)制器（Plasmonic Modulators for Future Highest-Speed Free Space optical communications），L. Kulmer, et al.(OFC, 2023)

摘要：等離子體調(diào)制器已被評估為在53公里踹流的自由空間光鏈路中高達(dá)200Gbaud的運(yùn)行。它們被證明能夠承受空間輻射和大溫度范圍，使其成為空間應(yīng)用的理想選擇。

7.片上系統(tǒng)光子集成電路在硅光子學(xué)和等離子體的作用（System-on-Chip Photonic Integrated Circuits in Silicon Photonics and the Role of plasmonics），C. Hoessbacher, et al. (OFC, 2023)

摘要：本文回顧了硅光子學(xué)上的光子集成電路。我們重點(diǎn)討論了光通信、傳感和量子技術(shù)應(yīng)用中的芯片上系統(tǒng)，并概述了等離子體在硅光子學(xué)中的作用。

8.由相干調(diào)制和全自適應(yīng)光學(xué)實(shí)現(xiàn)的Tbit/s線速率衛(wèi)星饋線鏈路（Tbit/s line-rate satellite feeder links enabled by coherent modulation and full-adaptive optics），Y. Horst, et al. (Light: Science & Applications, 2023)

摘要：自由空間光通信技術(shù)是滿足未來星地網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的一種解決方案。它們可以克服射頻瓶頸，僅用少數(shù)地面站就能達(dá)到Tbit/s的數(shù)據(jù)速率。在這里，我們展示了在瑞士阿爾卑斯山的少女峰山頂(3700米)和伯爾尼市附近的齊默爾瓦爾德天文臺(895米)之間53.42公里的自由空間信道上的單載波Tbit/s線速率傳輸，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.94 Tbit/s的凈速率。在這種情況下，模擬了湍流條件下的衛(wèi)星-地面饋線連接。盡管條件不利，但通過采用全自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來糾正信道的畸變波前和使用偏振復(fù)用高階復(fù)雜調(diào)制格式，實(shí)現(xiàn)了高吞吐量。研究發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)不會對相干調(diào)制格式的接收產(chǎn)生畸變。此外，我們還介紹了星座調(diào)制——一種新的四維BPSK (4D-BPSK)調(diào)制格式，作為在很低信噪比下傳輸高數(shù)據(jù)速率的技術(shù)。通過這種方式，我們展示了53公里FSO傳輸速率為13.3 Gbit/s和210 Gbit/s，每比特分別只有4.3和7.8光子，誤碼率為1?10-3。實(shí)驗(yàn)表明，相干調(diào)制編碼與全自適應(yīng)光濾波相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)下一代Tbit/s衛(wèi)星通信實(shí)用化的有效手段。

9.反向納米聚焦波導(dǎo)中鉺的發(fā)射增強(qiáng)（Emission enhancement of erbium in a reverse nanofocusing waveguide），N. Güsken, et al. (Nature Communications, 2023)

摘要：自75年前珀塞爾發(fā)表開創(chuàng)性報(bào)告以來，電磁諧振器已被用于控制光-物質(zhì)相互作用，以制造更亮的輻射源，并對光和物質(zhì)的量子態(tài)進(jìn)行控制。事實(shí)上，光學(xué)諧振器如微腔和等離子體天線提供了很好的控制，但只能在有限的光譜范圍內(nèi)。通常需要相互調(diào)諧和匹配發(fā)射和諧振器頻率的策略，這是復(fù)雜的，并且排除了同時(shí)增強(qiáng)多個(gè)躍遷的可能性。在這封信中，我們報(bào)告了基于Purcell效應(yīng)的Er3+離子在單等離子體波導(dǎo)中穿越電信C波段的強(qiáng)輻射發(fā)射率增強(qiáng)。我們的間隙波導(dǎo)采用反向納米聚焦方法，有效地增強(qiáng)、提取和引導(dǎo)納米尺度的發(fā)射到光子波導(dǎo)，同時(shí)保持等離子體損耗小。值得注意的是，大的寬帶Purcell增強(qiáng)使我們能夠解決斯塔克分裂電偶極子躍遷，這通常只在低溫條件下觀察到。多量子態(tài)同時(shí)輻射發(fā)射增強(qiáng)是光子量子網(wǎng)絡(luò)和片上數(shù)據(jù)通信的重要研究方向。

10.高帶寬、耐高溫的諧振等離子體微跑道調(diào)制器（Resonant plasmonic micro-racetrack modulators with high bandwidth and high temperature tolerance） ，M. Eppenberger, et al(Nature, 2023)

摘要：諧振調(diào)制器將電數(shù)據(jù)編碼到波長復(fù)用的光載波上。今天，硅微環(huán)調(diào)制器被認(rèn)為有希望實(shí)現(xiàn)這種鏈接；然而，它們提供的帶寬有限，并且需要熱穩(wěn)定系統(tǒng)。在這里，我們提出了等離子體微跑道調(diào)制器作為硅微環(huán)的潛在繼任者：它們同樣緊湊，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體級驅(qū)動(dòng)電壓兼容，但提供176 GHz的電光帶寬，對工作溫度變化的穩(wěn)定性提高了28倍，并且沒有自熱效應(yīng)。這種耐溫度的有機(jī)電光材料可以在85°C的設(shè)備溫度下工作。我們展示了用單個(gè)諧振調(diào)制器以12.3fJ/bit的速度傳輸高達(dá)408 Gbps的強(qiáng)度調(diào)制傳輸。等離子體微跑道調(diào)制器提供了一種解決方案，以小的占地面積編碼高數(shù)據(jù)速率(例如，下一代通信鏈路設(shè)想的1.6 Tbps)，具有低功耗和邊際(如果沒有)溫度控制。

11.基于硅光子學(xué)的雙驅(qū)動(dòng)等離子體-有機(jī)混合I/Q調(diào)制器產(chǎn)生和傳輸160 Gbaud QPSK相干信號（Generation and transmission of 160-Gbaud QPSK Coherent Signals using a Dual-Drive Plasmonic-Organic Hybrid I/Q modulator on Silicon Photonics），H. Mardoyan, et al(IEEE, 2022)

摘要：本文報(bào)道了基于等離子體技術(shù)的100Gbd以上信號的相干傳輸。利用硅光子學(xué)平臺上的雙驅(qū)動(dòng)等離子體-有機(jī)混合I/Q調(diào)制器，我們演示了160-GBaud QPSK和140-GBaud 16QAM調(diào)制的成功傳輸。

12.利用等離子體馬赫曾德調(diào)制器的超高凈比特率363 Gbit/s PAM-8和279 Gbit/s多二進(jìn)制光傳輸（Ultrahigh-Net-Bitrate 363 Gbit/s PAM-8 and 279 Gbit/s Polybinary Optical Transmission Using Plasmonic Mach-Zehnder Modulator），H. Qian, et al (Journal of Lightwave Technology, 2022)

摘要：我們總結(jié)了超寬帶等離子體馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)在強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(IM/DD)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)探索，用于高達(dá)10公里的短距離光傳輸。我們研究了超高符號速率(高達(dá)304 GBd)的多電平光信號的調(diào)制、傳輸和接收，采用兩種不同的信號方案:脈沖幅度調(diào)制(PAM)，具有多達(dá)8個(gè)幅度級和部分響應(yīng)編碼的二進(jìn)制(多二進(jìn)制)調(diào)制，存儲長度高達(dá)4。通過將性能映射到連接的軟判決(SD)和硬判決(HD)前向糾錯(cuò)(FEC)編碼方案，在10公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后，PAM-8信令的凈比特率可達(dá)363.4 Gbit/s，四二進(jìn)制(多二進(jìn)制)信令的凈比特率可達(dá)279.0 Gbit/s?？紤]到純高清編碼方案，PAM-6的凈比特率為318.0 Gbit/s，四二進(jìn)制的凈比特率為277.1 Gbit/s。

13.提高諧振跑道等離子體-有機(jī)混合調(diào)制器的穩(wěn)定性（Enhanced Stability of Resonant Racetrack Plasmonic-Organic-Hybrid Modulators），M. Eppenberger, et al(IEEE, 2022)

摘要：與基于等離子體色散效應(yīng)的諧振調(diào)制器相比，高速緊湊的等離子體有機(jī)跑道調(diào)制器在保持熱可調(diào)性的同時(shí)，對工作條件變化的魯棒性要高幾個(gè)數(shù)量級。在80°C下穩(wěn)定運(yùn)行，無退化。

14.Tbit/s單通道53公里自由空間光傳輸——評估GEO衛(wèi)星光學(xué)饋線鏈路的可行性（Tbit/s Single Channel 53 km Free-Space Optical Transmission — Assessing the Feasibility of Optical GEO-Satellite Feeder Links），B. Bitachon, et al (Optica Publishing Group, 2022)

摘要：演示了1 Tbps 53km單通道自由空間光(FSO)鏈路。采用了高帶寬、高階調(diào)制格式和先jin的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。我們表明，非線性香農(nóng)極限的缺失與自適應(yīng)光學(xué)相結(jié)合，可以以低鏈路故障記錄數(shù)據(jù)傳輸。

15.等離子體光子晶體——微米尺度上的太比特調(diào)制（Plasmonic PICs — Terabit Modulation on the Micrometer Scale） ，W. Heni, et al (ECOC, 2022)

摘要：等離子體PICs提供緊湊的高速光子和等離子體元件，實(shí)現(xiàn)新一代可擴(kuò)展的光子系統(tǒng)解決方案。我們解釋底層技術(shù)，重點(diǎn)介紹關(guān)鍵應(yīng)用，回顧技術(shù)演示，并討論未來的機(jī)會。

16.>500 GHz帶寬石墨烯光電探測器實(shí)現(xiàn)高容量等離子體到等離子體鏈路（>500 GHz Bandwidth Graphene Photodetector Enabling Highest-Capacity Plasmonic-to-Plasmonic Links），S. K?pfli, et al(ECOC, 2022)

摘要：介紹了一種新型垂直入射超材料增強(qiáng)石墨烯光電探測器，其光譜窗口為200nm，設(shè)置限制帶寬為500GHz。光電探測器已經(jīng)在提供的250 GHz帶寬的全等離子體EOE鏈路中進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸測試。

17.低溫應(yīng)用的等離子體100 GHz電光調(diào)制器（Plasmonic 100-GHz Electro-Optic Modulators for Cryogenic Applications），P. Habegger, et al(ECOC, 2022)

摘要：我們展示了一種節(jié)能的100 GHz等離子體調(diào)制器，工作在4 K，在0.1 V的超低驅(qū)動(dòng)電壓下實(shí)現(xiàn)超過128 GBd的數(shù)據(jù)調(diào)制。低溫下的高速元件是可擴(kuò)展的下一代量子計(jì)算系統(tǒng)的重要組成部分。

審核編輯 黃宇