100GHz等離子體電光調制器在低溫領域的應用

（本文譯自Plasmonic 100-GHz Electro-Optic Modulators for Cryogenic Applications（Patrick Habegger, Yannik Horst））

1.介紹

在低溫環(huán)境下運行的高速調制器對于運行下一代超導量子電路至關重要。為避免散熱過多，只能使用符合嚴格的z低功耗要求的設備。低溫電路的復雜性在穩(wěn)步增加，因此，各自的通信接口的規(guī)模相當。此時，相較于電子設備，光學解決方案可以提供更低的熱負荷和更高的帶寬。越來越多的在4 K以下低溫下工作的電光接口被引入到這個領域。通過使用商用5 GHz的鈮酸鋰調制器，在mK范圍內展示了5 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。zui近，鈦酸鋇調制器提供了一個在0.85 VP驅動電壓下，以20 Gbit/s的速度實現(xiàn)了30 GHz的電光帶寬。其他例子包括硅輻環(huán)調制器或石墨烯環(huán)調制器，它們已經被證明具有類似的數(shù)據(jù)速率和工作電壓。一般來說，調制器的特性由其VπL來表征。這意味著較低的電壓可以換取較低的長度。然而，更長的調制器長度是以更低的帶寬為代價的。因此，雖然上述現(xiàn)有技術顯示出非常有希望的結果，但達到更高的速度仍然是一個挑戰(zhàn)。

等離子調制器是現(xiàn)有低溫電光界面的一個有前途的替代品。對于經典應用，該技術已經展示了z高帶寬(>500 GHz)、性能、能效(驅動電壓<100 mVP) 和低損耗(芯片上損耗1.0 dB)。

在本次實驗中，我們展示了等離子體調制器是量子系統(tǒng)中低溫電光接口潛力的候選者。我們展示了超過100 GHz的電光帶寬，128 Gbd/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，驅動電壓低于500 mV。此外，我們還展示了16Gbd/s的運行，其電學驅動電壓低于100 mV，避免了在低溫恒溫器中電學放大器的需求。此外，我們展示了在低溫環(huán)境中，等離子體調制器中的有機電光材料可靠且高效地運行。所有測量都是在基礎溫度為3.2 K的封閉式液氦低溫箱中進行的。

2.器件設計&低溫表征

低溫裝置由一個在推拉模式下操作的等離子體馬赫-曾德爾調制器組成。該裝置的示意圖如圖1(a)所示。等離子體馬赫-曾德爾調制器的兩個臂上有等離子移相器，每個槽寬為130 nm，長度為15 um。等離子體馬赫-曾德爾調制器通過光柵耦合器實現(xiàn)與光子集成電路(PIC)芯片的光學耦合。為了方便光學對準，使用與低溫兼容的環(huán)氧膠將光纖陣列(FA)粘附到PIC上。等離子體馬赫-曾德爾調制器具有兩臂之間的不平衡，引入了一個固定的相移。這允許在不需要電學調節(jié)的情況下調整調制器的工作點，例如通過熱光相移器，避免了給低溫恒溫器增加額外的熱負載。相位調制是利用有機電光(OEO)材料的線性電光效應實現(xiàn)的。OEO材料已被證明在4.2 K下表現(xiàn)出高非線性，該裝置的特點是在室溫和4k環(huán)境下的頻率響應。圖1(a)描述了等離子體馬赫-曾德爾調制器的實驗裝置圖。圖1(b)顯示了在4 K溫度下從5 GHz到108 GHz的近乎平坦的頻率響應。更準確地說，樣品被放置在一個4 k閉環(huán)液氦低溫恒溫器中。一個安裝在樣品臺頂部的溫度傳感器測量了靠近芯片的溫度。每次實驗前，PIC芯片被保持在3.2 K超過12小時，以確保達到穩(wěn)態(tài)溫度。一個來自可調諧激光源(TLS)的1532.5 nm光載波被連接到了被測試設備(DUT)。等離子體馬赫-曾德爾調制器的工作點被設置在其正交點（3 dB）。為了確定電光響應，一個電學正弦信號（5–108 GHz）通過一個67 GHz真空射頻穿透件和射頻探針被送入等離子體馬赫-曾德爾調制器。信號是利用一個合成器產生的，頻率高達70 GHz，超過此頻率的部分使用了額外的倍頻器。設置的電學損耗（不包括探針）在室溫下使用電氣頻譜分析儀進行了表征，并考慮了校準。等離子體馬赫-曾德爾調制器的調制輸出信號使用光譜分析儀(OSA)進行了記錄。需要強調的是，使用了67 GHz探針進行測量，并且已經校準到67 GHz。對于更高的頻率，校準已經標準化到67 GHz的損耗值。67 GHz以上更明顯的振蕩很可能是由于未校準的適當針頭造成的。黑色實線所示的測量平均頻率顯示了108 GHz的頻率響應，2.2 dB 下降。

圖1   (a) 等離子體馬赫-曾德爾調制器 (MZM)帶寬測量的實驗裝置示意圖，以及70 GHz小信號射頻調制下的光譜圖。 (b) 等離子體馬赫-曾德爾調制器 (MZM)的實測和歸一化電光頻率響應。

開-關電壓Vπ 在室溫和4 K環(huán)境下使用100 kHz信號進行了測量。Vπ,50Ω 從室溫的3.3 V增加到4 K時的4.2 V。

3.低溫數(shù)據(jù)傳輸實驗

我們測試了高速數(shù)據(jù)調制的電光接口，并隨后研究了降低電學驅動電壓的影響。為了驗證從低溫恒溫器中高速提取數(shù)據(jù)，等離子體調制器以高達128 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率運行。在這些實驗中，數(shù)據(jù)在低溫恒溫器外生成，并使用67 GHz射頻穿透件輸入，這增加了額外的射頻損傷。發(fā)送器的運行如前一節(jié)所述，見圖2(a)。使用256 GSa/s、70 GHz任意波形發(fā)生器(AWG)生成不同數(shù)據(jù)格式，基于電學驅動電壓的選擇，使得VP,50Ω 低于500 mV。在接收器處，見圖2(b)，等離子體調制器調制后的光輸出信號通過摻鉺光纖放大器(EDFA)放大和過濾，然后90%的信號輸入到連接到數(shù)字采樣示波器(DSO)的145 GHz光電二極管(PD)中，進行離線數(shù)字信號處理(DSP)。放大和過濾后的信號的10%使用光譜分析儀(OSA)進行監(jiān)控。DSP包括一個匹配濾波器、一個定時恢復和靜態(tài)T/2間隔的前饋均衡器，該均衡器已通過數(shù)據(jù)輔助z小均方誤差法進行了訓練。圖2(c)顯示了記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)难蹐D，使用16 – 128 Gbd 2PAM (128 Gbit/s) 和 64 Gbd 4PAM (128 Gbit/s) 信號。傳輸?shù)?06個符號在64 Gbd 2PAM時仍然無誤。此外，圖3顯示了不同電驅動電壓和數(shù)據(jù)速率下2PAM信號的數(shù)字計算信噪比和誤碼率(BER)，表明低至0.1 VP,50Ω 的驅動電壓可以支持低于SD-FEC限值的16 Gbd 2PAM信號。對于低至200 mV的VP,50Ω，5x10^5個符號的傳輸可以在16 Gbd和32 Gbd符號速率下實現(xiàn)無差錯通信，而64 Gbd信號的誤碼率仍然低于HD-FEC限值。

圖2  實驗數(shù)據(jù)測量的實驗設置示意圖和眼圖。(a) 發(fā)送器的簡化圖。在低溫室內的調制器未使用電學放大器來驅動。(b) 用于數(shù)據(jù)傳輸實驗的接收器。(c) 記錄傳輸?shù)腜AM2和PAM4信號的眼圖。

圖3  在4 K環(huán)境下測量操作等離子體馬赫-曾德爾調制器(MZM)的電學驅動電壓。(a) 測量到的16 – 64 Gbd 2PAM信號的信噪比(SNR)作為所施加峰值電壓VP的函數(shù)。16 Gbd信號的眼圖，其標稱電氣VP驅動電壓為200 mV。(b) 在應用了時間恢復(TR)和z小均方誤差校正(LMS)后的誤碼率(BER)。HD-FEC和SD-FEC的限制由灰色虛線表示。

這項工作表明，等離子體調制器非常適合要求苛刻的低溫應用，即使在溫度低于4 K的情況下也能實現(xiàn)高效的電光轉換。等離子體調制器測量設置的改進應該能夠帶來更好的性能?？紤]到在這次實驗中，室溫和4 K環(huán)境下性能的微小差異，我們期望室溫實驗可以直接轉化為低溫環(huán)境。這樣，等離子體調制器低溫高速運行在8 PAM中可達432 Gbit/s，并且芯片上的插入損耗(IL)為1.0 dB。

4.結論

我們展示了一種在低溫下為量子系統(tǒng)應用而設計的集成等離子體調制器。這些等離子體調制器在低于4 K的低溫環(huán)境中具有超過100 GHz的電光帶寬。此外，我們還驗證了等離子體調制器在沒有電學放大器的4 K環(huán)境下，以高達128 Gbd的2 PAM信號分別在200 mVP,50Ω、100 mVP,50Ω的低電驅動下進行高速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)速率分別為64 Gbit/s和16 Gbit/s 。

歡迎繼續(xù)關注上海昊量光電的各大媒體平臺，我們將不定期推出各種產品介紹與技術新聞。

參考文獻

[1] A. Youssefi, I. Shomroni, Y. J. Joshi, N. R.Bernier, A. Lukashchuk, P. Uhrich, et al., "A cryogenic electro-optic interconnect for superconducting devices," Nature Electronics, vol.4, pp. 326-332, 2021.

[2] S. Krinner, S. Storz, P. Kurpiers, P. Magnard, J. Heinsoo, R. Keller, et al., "Engineering cryogenic setups for 100-qubit scale superconducting circuit systems," EPJ Quantum Technology, vol. 6, p. 2,2019.

[3] F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, J. C.Bardin, R. Barends, et al., "Quantum supremacy using a programmable superconducting processor," Nature, vol. 574, pp. 505-510, 2019.

[4] H. Riel, "Quantum Computing Technology," in 2021 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2021, pp. 1.3. 1-1.3. 7.

[5] F. Eltes, G. E. Villarreal-Garcia, D. Caimi, H. Siegwart, A. A. Gentile, A. Hart, et al., "An integrated optical modulator operating at cryogenic temperatures," Nature Materials, vol.19, pp. 1164-1168, 2020.

[6] B. S. Lee, B. Kim, A. P. Freitas, A. Mohanty, Y. Zhu, G. R. Bhatt, et al., "High-performance integrated graphene electro-optic modulator at cryogenic temperature," Nanophotonics, vol. 10,pp. 99-104, 2021.

[7] H. Gevorgyan, A. Khilo, D. Van Orden, D. Onural, B. Yin, M. T. Wade, et al., "Cryo-Compatible, Silicon Spoked-Ring Modulator in a 45nm cmos Platform for 4K-to-Room-Temperature Optical Links," in 2021 optical fiber communications

Conference and Exhibition (OFC), 2021, pp. 1-3.

[8] M. Burla, C. Hoessbacher, W. Heni, C. Haffner, Y. Fedoryshyn, D. Werner, et al., "500 GHz plasmonic Mach-Zehnder modulator enabling sub-THz microwave photonics," Apl Photonics, vol. 4, p. 056106, 2019.

[9] W. Heni, B. Baeuerle, H. Mardoyan, F. Jorge, J. M. Estaran, A. Konczykowska, et al., "Ultra-highspeed 2: 1 digital selector and plasmonic modulator IM/DD transmitter operating at 222 GBaud for intra-datacenter applications," Journal of Lightwave Technology, vol. 38, pp. 2734-2739, 2020.

[10] B. Baeuerle, W. Heni, C. Hoessbacher, Y. Fedoryshyn, U. Koch, A. Josten, et al., "120 GBd plasmonic Mach-Zehnder modulator with a novel differential electrode design operated at a peak-topeak drive voltage of 178 mV," Optics express, vol. 27, pp. 16823-16832, 2019.

[11] M. Eppenberger, B. I. Bitachon, A. Messner, W. Heni, D. Moor, L. Kulmer, et al., "Enhanced Stability of Resonant Racetrack Plasmonic-Organic-Hybrid Modulators," in Optical Fiber Communication Conference, 2022, p. Th3C. 3.

[12] H. Xu, F. Liu, D. L. Elder, L. E. Johnson, Y. de Coene, K. Clays, et al., "Ultrahigh electro-optic coefficients, high index of refraction, and long-term stability from Diels–Alder cross-linkable binary molecular glasses," Chemistry of Materials, vol.

32, pp. 1408-1421, 2020.

[13] D. Park, V. Yun, X. Zhou, J. Luo, A.-Y. Jen, and W. Herman, "Cryogenic optical characterization of nonlinear polymers," in CLEO/QELS: 2010 Laser Science to Photonic Applications, 2010, pp. 1-2.

[14] K. Schuh, F. Buchali, W. Idler, T. A. Eriksson, L. Schmalen, W. Templ, et al., "Single carrier 1.2 Tbit/s transmission over 300 km with PM-64 QAM at 100 GBaud," in Optical Fiber Communication Conference, 2017, p. Th5B. 5.

[15] J. Cho, C. Xie, and P. J. Winzer, "Analysis of softdecision FEC on non-AWGN channels," Optics Express, vol. 20, pp. 7915-7928, 2012.

[16] Q. Hu, R. Borkowski, Y. Lefevre, F. Buchali, R. Bonk, K. Schuh, et al., "Plasmonic-MZM-based Short-Reach Transmission up to 10 km Supporting> 304 GBd Polybinary or 432 Gbit/s PAM-8 Signaling," in 2021 European Conference on optical communication (ECOC), 2021, pp. 1-4.

關于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產品專業(yè)代理商，產品包括各類激光器、光電調制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務。