BTO极化薄膜双偏振IQ相干调制器1.15Tbps/80km传输评测

2026-06-18阅读 0热度 0

### 人工智能算力的激增对数据中心光互联带宽形成严苛挑战，单通道1 Tbps以上的传输速率已成为下一代光模块的硬性要求。钛酸钡（BTO）凭借超高普克尔斯系数、与硅光子工艺的兼容性以及无铅环保优势，被公认为最具前景的新一代电光调制候选材料。然而，BTO的电光性能高度依赖铁电畴的极化状态，此前业界从未在高速相干传输系统中系统研究过极化动力学对器件性能的影响，更未实现真正的双偏振同相正交调制器（DP-IQM）。麦吉尔大学与Lumiphase AG联合团队在2026年《Optica》上发布的研究成果彻底弥补了这一空白，首次展示了基于BTO平台的DP-IQM，并实现了1.15 Tbps净速率的80 km单跨距相干传输。该研究深入剖析了BTO铁电畴极化的物理机制，量化了极化偏置电压、极化流程和偏置扰动对系统性能的影响，为BTO光电器件的工程化落地奠定了坚实的理论与实验基础。 ## 一、核心器件突破：首个硅基集成BTO双偏振IQ调制器本次研究采用Lumiphase开发的200 mm原型硅光子工艺制备BTO DP-IQM芯片，其核心工艺是将外延生长的BTO薄膜从硅衬底转移至热氧化硅晶圆，随后在薄膜上加工高速移相器和直流调谐器。芯片裸片集成了4.5 mm长的差分射频推挽GSSG接口，并内置片上射频终端，左侧通过SiN端面耦合器和模式转换器实现光信号的片上耦合，右侧完成双偏振光信号的合成与输出。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984816a328fb19de89638712235.webp) 封装后的调制器集成了23 dB增益的差分射频驱动器，在40 V极化偏置下实现了1 GHz下0.4 V的半波电压（Vπ），电光带宽约25 GHz。当前带宽主要受限于调制器本身和测试夹具的射频损耗，而非BTO材料的本征响应——BTO的普克尔斯效应响应时间在飞秒量级，且不存在硅基调制器的载流子寿命限制。通过慢光波导设计优化射频与光的速度匹配，BTO调制器未来可实现与等离子体BTO器件相当的超宽带宽。器件的光纤到光纤插入损耗为每偏振14.5 dB，其中4 dB来自SiN边缘耦合器，3 dB来自偏振分束器，3.5 dB来自芯片本身，剩余4 dB源于自由空间光学对准误差。研究指出，该损耗并非BTO和SiN材料的本征限制，通过片上集成光电探测器实现闭环对准，可显著降低耦合损耗。 ## 二、80 km相干传输系统性能验证研究团队基于OIF 800ZR标准搭建了双偏振相干传输系统，采用15.5 dBm输出功率、100 kHz线宽的可调谐激光器作为光源和本振，通过128 GSa/s任意波形发生器产生射频驱动信号，经80 km单模光纤传输后，由70 GHz平衡光电探测器和160 GSa/s实时示波器完成光电转换和采样。数字信号处理流程包含预加重滤波、频偏补偿、色散补偿、4×4 MIMO均衡和载波恢复，其中发射端采用201抽头预加重滤波器补偿DP-IQM封装的频率响应，接收端采用151抽头MIMO均衡器补偿残余滚降。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984836a328fb3420b7580972421.webp) ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984836a328fb3e12bb826685840.webp) ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984856a328fb5adef5894483341.webp) ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984866a328fb655491693673448.webp) 系统性能测试结果创下BTO平台的多项纪录：120 GBaud DP-32-QAM调制下实现1.04 Tbps净速率，满足OFEC阈值（2×10⁻²）；120 GBaud DP-64-QAM调制下实现1.15 Tbps净速率，满足SD25 FEC阈值；对应800ZR标准的120 GBaud DP-16-QAM调制下，净速率达到900 Gbps，满足HD-FEC阈值（3.8×10⁻³）。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984866a328fb6e4fcb055799844.webp) 在系统裕度方面，120 GBaud DP-16-QAM信号在OSNR为28 dB时仍低于OFEC阈值，相比峰值性能提供了4 dB的OSNR裕度；即使引入11 dB的额外插入损耗，该信号仍可在HD-FEC阈值下恢复。发射光功率优化结果显示，最佳发射功率为6 dBm，而仅需-1.5 dBm的发射功率即可满足800ZR标准的OFEC要求。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984876a328fb77f262715229744.webp) 尤为重要的是，研究首次验证了非等离子体BTO调制器的高温稳定性：在20℃至85℃的温度范围内，DP-16-QAM、DP-32-QAM和DP-64-QAM三种调制格式的误码率均无明显退化。这是因为BTO薄膜的居里温度显著高于体材料（120℃），其铁电畴结构和普克尔斯系数在工业级温度范围内保持稳定。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984886a328fb826e18281658925.webp) ## 三、BTO极化动力学的核心物理机制与铌酸锂的单畴结构不同，BTO具有四个正交的铁电畴态，其极化方向分别为0°、90°、180°和270°。未极化状态下，四个畴态的体积分数均为0.25，有效普克尔斯系数相互抵消为零；随着极化电压升高，反平行畴态（180°和270°）逐渐消失，剩余0°和90°畴态的贡献叠加，有效普克尔斯系数持续增大，直至完全极化状态下达到最大值。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984886a328fb8ce16a965543912.webp) 有效普克尔斯系数的大小还与波导和电极相对于晶轴的取向密切相关，当取向角为45°时，系数达到峰值。研究通过实验测量了内马赫-曾德尔调制器（MZM）在10 GHz下的交流Vπ，证实了极化电压越高，Vπ越低，调制效率越高，这与畴排列程度的提升直接对应。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984896a328fb9a2c58562020463.webp) BTO铁电畴的切换遵循滞后特性，即对于同一偏置电压，畴的分布状态取决于电压是从高值降低还是从低值升高。这一特性是极化流程优化和偏置扰动效应的物理根源。研究指出，BTO的畴切换特征时间在纳秒量级，远长于120 GBaud信号的符号周期（8.33 ps），因此高速调制信号本身不会改变畴的极化状态，只有直流偏置电压的变化会影响畴分布。 ## 四、极化偏置优化：显著提升系统性能基于铁电滞后特性，研究团队对比了两种极化偏置流程对系统性能的影响：直接将器件偏置到目标电压，以及先施加40 V高电压完成完全极化，再降低到目标电压。实验结果表明，第二种流程可带来显著的OSNR增益，且增益大小与目标电压成反比。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984906a328fba500e6525353163.webp) 当目标偏置电压为2.5 V时，直接偏置下120 GBaud DP-16-QAM信号无法恢复，而采用40 V预极化流程后，信号可在OFEC阈值下恢复，OSNR提升了4.85 dB；当目标电压为10 V时，OSNR增益为1.39 dB；当目标电压升高至20 V时，增益降至0.59 dB。光学频谱分析显示，预极化流程可显著提高调制光功率，这源于更高的有效普克尔斯系数带来的调制效率提升。这一发现具有重要的工程价值：在实际系统中，可先采用高电压完成一次性极化，再降低到较低的工作电压，从而在保证系统性能的同时降低静态功耗。实验数据显示，40 V极化时所有直流和高速移相器的总功耗仅为14 mW，当偏置电压低于10 V时，功耗进一步降至2 mW以下，远低于传统热光移相器的30 mW功耗水平。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984916a328fbb1050f435971766.webp) ## 五、极化偏置扰动与系统可靠性为模拟数据中心电源瞬态故障的实际场景，研究团队通过100个周期、10 ms脉宽的方波信号模拟偏置电压扰动，探究了扰动深度和持续时间对系统性能的影响。结果表明，系统的抗扰动能力与极化状态密切相关：当器件工作在40 V完全极化状态时，无论扰动深度多大，调制光功率和误码率均无明显变化，系统具有完全的抗扰动能力；而当器件工作在20 V或10 V的部分极化状态时，扰动深度越大，调制光功率下降越明显，误码率越高。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984926a328fbcd21ad114277527.webp) 进一步实验证实，扰动持续时间在1 ms至500 ms范围内变化时，系统性能无显著差异，说明10 ms已足够完成畴的重新取向，且扰动的影响不会随周期数累积。对于性能退化的器件，只需重新施加40 V高电压完成预极化，即可完全恢复至初始性能水平。研究还测试了永久偏置掉电的极端情况：当40 V偏置电压突然降至0 V时，由于铁电剩磁效应，BTO薄膜仍保留部分极化状态，存在约19 dB衰减的残留光信号，但误码率已完全不可恢复。这种残留极化状态可稳定保持40小时以上，其稳定性取决于BTO晶体质量和器件几何结构。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984936a328fbd79175335044022.webp) ## 六、技术对比与工程化展望与当前主流的调制器技术相比，BTO展现出独特的综合优势：相比硅基调制器，BTO基于普克尔斯效应实现调制，具有更高的带宽和更低的驱动电压；相比薄膜铌酸锂，BTO与标准硅光子工艺完全兼容，可实现更高的集成度和更低的成本；相比磷化铟，BTO可采用8英寸甚至更大尺寸的晶圆制造，成本优势显著；相比含铅的锆钛酸铅（PZT），BTO无铅环保，更适合CMOS代工厂大规模生产。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984946a328fbe44704403303645.webp) 当前BTO调制器的主要工程化挑战是40 V的极化电压高于光模块标准的3.3 V供电轨。研究指出，可采用紧凑型低成本升压转换器实现该电压，类似技术已广泛应用于光接收模块的雪崩光电二极管偏置（最高60 V），且由于BTO极化电流极低，转换器无需设计高功率容量。此外，通过减小电极间隙可降低所需的极化电场，从而进一步降低极化电压，但需权衡金属吸收带来的光学损耗和射频特性的变化。 ![图片](http://img.318050.com/uploads/20260617/17816984946a328fbeb1ded029863332.webp)

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