OFC2025 | 基于PLZT技术的高速光调制技术

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引言
) ~9 q( y4 N7 p: m5 @随着高分辨率流媒体、B5G技术、云计算服务和物联网等带宽密集型应用的激增，光纤通信网络面临着巨大的需求压力。随着我们迈向太比特以太网时代，需要创新方法来实现单通道太比特每秒的传输速率。本文探讨了一种有效解决方案：铁电薄膜绝缘体(PLZT)调制器，该调制器在200 GBd调制速率下展示了卓越性能[1]。
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" T/ d& }6 b& S- `' Q! w, j7 l光通信中对更高带宽的需求
3 V5 ^0 r0 R9 m( X/ a! V电信行业面临着不断增加数据传输容量的压力。当前策略包括采用先进的相干调制技术，如差分正交幅度相移键控，以及光时分复用以通过全光信号处理增强传输。虽然这些方法可以通过复杂的调制格式实现高线路速率，但仍然需要重点关注扩展电子带宽。
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9 a7 e0 @( K2 T% t3 R' c近期研究已将电子符号速率生成推至200 Gbaud以上，开发出超过150 GHz的电子带宽操作。这些创新利用数字带交错(DBI)数模转换器或基于磷化铟双异质结双极晶体管的电子混频器，实现高达216 Gbaud和314 Gbaud的符号速率调制。尽管取得这些进步，但由于材料限制，能够处理如此高频率的电光器件的可用性仍然有限。
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铁电晶体绝缘体：新型方法
: T/ x/ b4 r- o, I4 MPLZT (Pb(La)[Zr, Ti]O3) 调制器代表了高速光调制技术的重大进步。与传统的薄膜铌酸锂(TFLN)调制器电光系数约为31 pm/V相比，PLZT提供了约200 pm/V的高系数，同时在光纤通信波长保持优异的光学透明度。
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% G& @. H% x# c图1显示了PLZT调制器的频率响应，包括(a)相移器的照片和截面视图，(b)RF功率衰减测量，以及(c)电光频率响应。
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4 o# J  i6 G) N0 Y) Z* w8 T5 t4 G图1(a)中的横截面示意图显示了共面波导(CPW)结构，金属电极由信号线和地平面组成，铝厚度为0.8μm，沉积在波导核心上。由于PLZT具有很大的介电常数(~1300)，该层中的元素显著影响RF功率衰减。为了优化性能，电极下方的PLZT层厚度(200nm)可调节，以优化信号到基板的电容。

图1(b)所示的RF衰减频率响应表现出极小的滚降，在70 GHz时小于2.0 dB。同样，图1(c)中的电光调制频率响应在10至70 GHz之间的滚降小于3 dB。调制器配置了使用多模干涉(MMI)分离器的马赫-曾德尔干涉仪结构，相移器长度为2.5 mm。偏振保持光纤连接到波导边缘，引导激光光到调制器。鉴于PLZT的高电光系数(约195 pm/V)，在1310 nm波长下，调制器达到了极低的VπL值5.8 V·mm。
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高速信号生成和传输
* `' P; r, v2 M! K# X5 r3 N研究人员进行了全面测试，评估PLZT调制器在高速传输场景中的性能。

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0 t. ~6 h# {, k图2展示了使用PLZT调制器的高速信号生成，显示(a)实验设置，(b-d)不同设置下的眼图，以及(e-f)各种符号速率和传输距离的BER值。

图2(a)所示的实验设置用于测试开关键控(OOK)和4级脉冲幅度调制(PAM4)传输。对于OOK传输，由80 GHz任意波形发生器(Keysight M8199B)生成的伪随机二进制序列电信号被应用到PLZT调制器。100 GHz线性驱动器将电压摆幅调整至约300 mVpp。
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光输出使用掺镨光纤放大器进行放大，信号检测和分析使用高速数字通信分析示波器(Keysight DCA-X N1000A和N1046A)和100 GHz光电探测器模块(Fraunhofer HHI)完成。
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图2(b)和2(c)显示了在200 GBd下测量的眼图，分别在没有和有8抽头前馈均衡(FFE)的情况下。图2(e)图示了各种符号速率下的误码率(BER)，表明即使没有FFE，在高达200 GBd的符号速率下，估计的BER仍保持在软判决前向纠错(SD-FEC)阈值以下。使用FFE后处理，信号保真度提高了两个数量级以上。

研究人员还展示了在182 Gbit/s符号速率下的PAM4调制，如图2(d)所示。在1310 nm波长下，实现了2.0 km光纤传输的低于FEC阈值的BER。图2(f)证实了200 GBd OOK和182 GBd PAM4信号在2.0 km O波段传输的成功。
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优势和潜在应用
9 Q, M  c& R3 _PLZT调制器相比传统调制器提供了几个关键优势：
- J. I1 [6 S: g* Z/ L更高的电光系数(195 pm/V，相比于TFLN的约31 pm/V)超过70 GHz的优秀带宽能力特别高效紧凑的相移器设计低驱动电压要求误码率低于FEC阈值的无错误操作与现有光纤基础设施的兼容性
这些特性使PLZT调制器特别适用于数据中心和高密度光处理环境，这些环境对技术规格要求越来越高。调制器能够通过紧凑的2.5 mm长相移器实现200 GBd调制，证明了其满足下一代网络不断增长的带宽需求的能力。

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+ h; |8 ?0 o# V/ o结论
3 a- T8 ]0 v3 W演示的PLZT波导调制器代表了高速光通信技术的重大进步。通过专门设计和制造CPW线以增强超过70 GHz的带宽能力，研究人员创建了一种优于传统晶体基调制器的调制器。PLZT的强电光效应使特别高效紧凑的相移器调制器成为可能，实现了BER低于FEC阈值的无错误操作。

+ Y4 c: w8 P% l& _9 ~. u随着数据流量持续指数级增长，像PLZT调制器这样的技术将在满足太比特以太网及更高要求方面发挥重要作用。低驱动电压要求和高带宽性能的结合使这项技术成为未来几年可靠、高效高速光通信的理想解决方案。
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参考文献
9 S! |# F' v" \! l* C  `[1] S. Yokoyama, Y. Yin, S. A. Yazdani, H. Sato, and G.-W. Lu, "200 GBd Electro-optic PLZT Modulator for O-band Transmission," in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2025, Optica Publishing Group, 2025, paper Th1E.2.
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