清华：基于BCB下填充的高调制效率(Vπ～1.54V)、高速(390G PAM8)TFLN调制器

清华大学罗毅院士课题组发表了一篇高调制效率、高速率、同时支持O波段和C波段工作的薄膜铌酸锂调制器的工作。制作的7mm长TFLN调制器在C波段（1550nm）的半波电压低至1.9V，在O波段（1310nm）为1.54V，对应的VπL分别为1.33V·cm和1.08V·cm。在110 GHz的频率下，电光频率响应的滚降仅为0.77dB（C波段）和0.83dB（O波段），对应的外推3dB带宽分别为220GHz和218GHz。采用PAM8的高速数据传输在C波段和O波段均实现了高达390Gbit/s的数据速率（130Gbaud），能效低至0.69fJ/bit。

薄膜铌酸锂的带宽能力毋庸置疑，Liobate和Hyperlight都已经展示了其400G PAM4传输的能力(OCP 2024：Hyperlight高速低功耗薄膜铌酸锂调制在448G/lane时代的机遇)，那么剩下的问题就是解决怎么提高调制效率。效率提高有助于器件长度减小，对提升产量/良率/带宽密度，降低成本都有好处。

提高电光效率的方法，就是尽可能的增强电场和光场的overlap以提高相互作用，同时不引入额外的微波损耗和金属吸收带来的光学损耗。这两年像之前浙大储涛老师用的包层填充high k材料加波导两段式刻蚀提升光场overlap，华科夏老师用的ITO透明电极实现电极拉近，都展示出了提升的效果。

这篇工作则是用了BCB下填充的方式实现调制效率提升。他们采用的是电容负载型行波电极结构(即T型电极)的二次优化。在普通的T型电极设计中，具体来说，电极间隙越窄，调制效率越高，但同时群速度匹配越差，且电容较大，从而导致微波损耗增加。为了适应增加的电容以实现阻抗匹配，信号电极需要做得更窄，但这也会带来额外的微波损耗，影响带宽特性，也就是需要牺牲带宽提效率。

而通过BCB底部填充的方式可以解决这个矛盾，为窄电极间隙的行波电极确保了超低微波损耗和完美的速度匹配，从而改善了调制效率和高频EO性能。它减少了由主CPW电极和T型电极导致的射频损耗，最终实现了调制效率的提升。

加工的器件实物图和测试性能如下，可以看到O波段的Vπ只有1.54V，外推带宽接近220 GHz。假如其他指标(消光比等)正常，这么高的带宽测个400G PAM4眼图应该也没问题，只不过设备受限只测了130Gbaud 390 Gbit/s PAM8的速率，有点委屈铌酸锂了。O波段眼图是在Vrms为97.6mV下测的，功耗只有0.69 fJ/bit。不过这里没有提ER和光学插损，接收端之前用了光放大器。理论仿真的电极吸收损耗是卡着0.5dB/cm的点进行电极设计的。

从目前其他已经报道的400 G/lane的数据来看，带宽也不需要做到那么高(Hyperlight给的是2.5dB滚降@112GHz就可以支持448G PAM4了)，假如只需要适当的带宽，不知道这种方法能否在效率和尺寸上实现进一步的优化，还有就是这种方法的实际插损怎么样也需要确认，毕竟整体的功耗也还要把激光器和电路也考虑进去。

文章链接： https://arxiv.org/abs/2411.15037