100GHz等离子体电光调制器在低温领域的应用

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

1.介绍

在低温环境下运行的高速调制器对于运行下一代超导量子电路至关重要。为避免散热过多，只能使用符合严格的z低功耗要求的设备。低温电路的复杂性在稳步增加，因此，各自的通信接口的规模相当。此时，相较于电子设备，光学解决方案可以提供更低的热负荷和更高的带宽。越来越多的在4 K以下低温下工作的电光接口被引入到这个领域。通过使用商用5 GHz的铌酸锂调制器，在mK范围内展示了5 Gbit/s的数据速率。zui近，钛酸钡调制器提供了一个在0.85 VP驱动电压下，以20 Gbit/s的速度实现了30 GHz的电光带宽。其他例子包括硅辐环调制器或石墨烯环调制器，它们已经被证明具有类似的数据速率和工作电压。一般来说，调制器的特性由其VπL来表征。这意味着较低的电压可以换取较低的长度。然而，更长的调制器长度是以更低的带宽为代价的。因此，虽然上述现有技术显示出非常有希望的结果，但达到更高的速度仍然是一个挑战。

等离子调制器是现有低温电光界面的一个有前途的替代品。对于经典应用，该技术已经展示了z高带宽(>500 GHz)、性能、能效(驱动电压<100 mVP) 和低损耗(芯片上损耗1.0 dB)。

在本次实验中，我们展示了等离子体调制器是量子系统中低温电光接口潜力的候选者。我们展示了超过100 GHz的电光带宽，128 Gbd/s的高速数据传输，驱动电压低于500 mV。此外，我们还展示了16Gbd/s的运行，其电学驱动电压低于100 mV，避免了在低温恒温器中电学放大器的需求。此外，我们展示了在低温环境中，等离子体调制器中的有机电光材料可靠且高效地运行。所有测量都是在基础温度为3.2 K的封闭式液氦低温箱中进行的。

2.器件设计&低温表征

低温装置由一个在推拉模式下操作的等离子体马赫-曾德尔调制器组成。该装置的示意图如图1(a)所示。等离子体马赫-曾德尔调制器的两个臂上有等离子移相器，每个槽宽为130 nm，长度为15 um。等离子体马赫-曾德尔调制器通过光栅耦合器实现与光子集成电路(PIC)芯片的光学耦合。为了方便光学对准，使用与低温兼容的环氧胶将光纤阵列(FA)粘附到PIC上。等离子体马赫-曾德尔调制器具有两臂之间的不平衡，引入了一个固定的相移。这允许在不需要电学调节的情况下调整调制器的工作点，例如通过热光相移器，避免了给低温恒温器增加额外的热负载。相位调制是利用有机电光(OEO)材料的线性电光效应实现的。OEO材料已被证明在4.2 K下表现出高非线性，该装置的特点是在室温和4k环境下的频率响应。图1(a)描述了等离子体马赫-曾德尔调制器的实验装置图。图1(b)显示了在4 K温度下从5 GHz到108 GHz的近乎平坦的频率响应。更准确地说，样品被放置在一个4 k闭环液氦低温恒温器中。一个安装在样品台顶部的温度传感器测量了靠近芯片的温度。每次实验前，PIC芯片被保持在3.2 K超过12小时，以确保达到稳态温度。一个来自可调谐激光源(TLS)的1532.5 nm光载波被连接到了被测试设备(DUT)。等离子体马赫-曾德尔调制器的工作点被设置在其正交点（3 dB）。为了确定电光响应，一个电学正弦信号（5–108 GHz）通过一个67 GHz真空射频穿透件和射频探针被送入等离子体马赫-曾德尔调制器。信号是利用一个合成器产生的，频率高达70 GHz，超过此频率的部分使用了额外的倍频器。设置的电学损耗（不包括探针）在室温下使用电气频谱分析仪进行了表征，并考虑了校准。等离子体马赫-曾德尔调制器的调制输出信号使用光谱分析仪(OSA)进行了记录。需要强调的是，使用了67 GHz探针进行测量，并且已经校准到67 GHz。对于更高的频率，校准已经标准化到67 GHz的损耗值。67 GHz以上更明显的振荡很可能是由于未校准的适当针头造成的。黑色实线所示的测量平均频率显示了108 GHz的频率响应，2.2 dB 下降。

图1   (a) 等离子体马赫-曾德尔调制器 (MZM)带宽测量的实验装置示意图，以及70 GHz小信号射频调制下的光谱图。 (b) 等离子体马赫-曾德尔调制器 (MZM)的实测和归一化电光频率响应。

开-关电压Vπ 在室温和4 K环境下使用100 kHz信号进行了测量。Vπ,50Ω 从室温的3.3 V增加到4 K时的4.2 V。

3.低温数据传输实验

我们测试了高速数据调制的电光接口，并随后研究了降低电学驱动电压的影响。为了验证从低温恒温器中高速提取数据，等离子体调制器以高达128 Gbit/s的数据速率运行。在这些实验中，数据在低温恒温器外生成，并使用67 GHz射频穿透件输入，这增加了额外的射频损伤。发送器的运行如前一节所述，见图2(a)。使用256 GSa/s、70 GHz任意波形发生器(AWG)生成不同数据格式，基于电学驱动电压的选择，使得VP,50Ω 低于500 mV。在接收器处，见图2(b)，等离子体调制器调制后的光输出信号通过掺铒光纤放大器(EDFA)放大和过滤，然后90%的信号输入到连接到数字采样示波器(DSO)的145 GHz光电二极管(PD)中，进行离线数字信号处理(DSP)。放大和过滤后的信号的10%使用光谱分析仪(OSA)进行监控。DSP包括一个匹配滤波器、一个定时恢复和静态T/2间隔的前馈均衡器，该均衡器已通过数据辅助z小均方误差法进行了训练。图2(c)显示了记录的数据传输的眼图，使用16 – 128 Gbd 2PAM (128 Gbit/s) 和 64 Gbd 4PAM (128 Gbit/s) 信号。传输的106个符号在64 Gbd 2PAM时仍然无误。此外，图3显示了不同电驱动电压和数据速率下2PAM信号的数字计算信噪比和误码率(BER)，表明低至0.1 VP,50Ω 的驱动电压可以支持低于SD-FEC限值的16 Gbd 2PAM信号。对于低至200 mV的VP,50Ω，5x10^5个符号的传输可以在16 Gbd和32 Gbd符号速率下实现无差错通信，而64 Gbd信号的误码率仍然低于HD-FEC限值。

图2  实验数据测量的实验设置示意图和眼图。(a) 发送器的简化图。在低温室内的调制器未使用电学放大器来驱动。(b) 用于数据传输实验的接收器。(c) 记录传输的PAM2和PAM4信号的眼图。

图3  在4 K环境下测量操作等离子体马赫-曾德尔调制器(MZM)的电学驱动电压。(a) 测量到的16 – 64 Gbd 2PAM信号的信噪比(SNR)作为所施加峰值电压VP的函数。16 Gbd信号的眼图，其标称电气VP驱动电压为200 mV。(b) 在应用了时间恢复(TR)和z小均方误差校正(LMS)后的误码率(BER)。HD-FEC和SD-FEC的限制由灰色虚线表示。

这项工作表明，等离子体调制器非常适合要求苛刻的低温应用，即使在温度低于4 K的情况下也能实现高效的电光转换。等离子体调制器测量设置的改进应该能够带来更好的性能。考虑到在这次实验中，室温和4 K环境下性能的微小差异，我们期望室温实验可以直接转化为低温环境。这样，等离子体调制器低温高速运行在8 PAM中可达432 Gbit/s，并且芯片上的插入损耗(IL)为1.0 dB。

4.结论

我们展示了一种在低温下为量子系统应用而设计的集成等离子体调制器。这些等离子体调制器在低于4 K的低温环境中具有超过100 GHz的电光带宽。此外，我们还验证了等离子体调制器在没有电学放大器的4 K环境下，以高达128 Gbd的2 PAM信号分别在200 mVP,50Ω、100 mVP,50Ω的低电驱动下进行高速数据传输，数据速率分别为64 Gbit/s和16 Gbit/s 。

欢迎继续关注上海昊量光电的各大媒体平台，我们将不定期推出各种产品介绍与技术新闻。

参考文献

[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.

关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。