100GHz等離子體電光調(diào)制器在低溫領(lǐng)域的應(yīng)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(yùn)行的高速調(diào)制器對(duì)于運(yùn)行下一代超導(dǎo)量子電路至關(guān)重要。為避免散熱過(guò)多，只能使用符合嚴(yán)格的z低功耗要求的設(shè)備。低溫電路的復(fù)雜性在穩(wěn)步增加，因此，各自的通信接口的規(guī)模相當(dāng)。此時(shí)，相較于電子設(shè)備，光學(xué)解決方案可以提供更低的熱負(fù)荷和更高的帶寬。越來(lái)越多的在4K以下低溫下工作的電光接口被引入到這個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)使用商用5GHz的鈮酸鋰調(diào)制器，在mK范圍內(nèi)展示了5 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。zui近，鈦酸鋇調(diào)制器提供了一個(gè)在0.85 VP驅(qū)動(dòng)電壓下，以20 Gbit/s的速度實(shí)現(xiàn)了30 GHz的電光帶寬。其他例子包括硅輻環(huán)調(diào)制器或石墨烯環(huán)調(diào)制器，它們已經(jīng)被證明具有類似的數(shù)據(jù)速率和工作電壓。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)制器的特性由其VπL來(lái)表征。這意味著較低的電壓可以換取較低的長(zhǎng)度。然而，更長(zhǎng)的調(diào)制器長(zhǎng)度是以更低的帶寬為代價(jià)的。因此，雖然上述現(xiàn)有技術(shù)顯示出非常有希望的結(jié)果，但達(dá)到更高的速度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

等離子調(diào)制器是現(xiàn)有低溫電光界面的一個(gè)有前途的替代品。對(duì)于經(jīng)典應(yīng)用，該技術(shù)已經(jīng)展示了z高帶寬(>500 GHz)、性能、能效(驅(qū)動(dòng)電壓<100 mVP) 和低損耗(芯片上損耗1.0 dB)。

在本次實(shí)驗(yàn)中，我們展示了等離子體調(diào)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(guò)100GHz的電光帶寬，128Gbd/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，驅(qū)動(dòng)電壓低于500mV。此外，我們還展示了16Gbd/s的運(yùn)行，其電學(xué)驅(qū)動(dòng)電壓低于100mV，避免了在低溫恒溫器中電學(xué)放大器的需求。此外，我們首次展示了在低溫環(huán)境中，等離子體調(diào)制器中的有機(jī)電光材料可靠且高效地運(yùn)行。所有測(cè)量都是在基礎(chǔ)溫度為3.2 K的封閉式液氦低溫箱中進(jìn)行的。

2.器件設(shè)計(jì)&低溫表征

低溫裝置由一個(gè)在推拉模式下操作的等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)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?tīng)栒{(diào)制器的兩個(gè)臂上有等離子移相器，每個(gè)槽寬為130nm，長(zhǎng)度為15um。等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器通過(guò)光柵耦合器實(shí)現(xiàn)與光子集成電路(PIC)芯片的光學(xué)耦合。為了方便光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，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?tīng)栒{(diào)制器具有兩臂之間的不平衡，引入了一個(gè)固定的相移。這允許在不需要電學(xué)調(diào)節(jié)的情況下調(diào)整調(diào)制器的工作點(diǎn)，例如通過(guò)熱光相移器，避免了給低溫恒溫器增加額外的熱負(fù)載。相位調(diào)制是利用有機(jī)電光(OEO)材料的線性電光效應(yīng)實(shí)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(diǎn)是在室溫和4k環(huán)境下的頻率響應(yīng)。圖1(a)描述了等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的實(shí)驗(yàn)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(yīng)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，樣品被放置在一個(gè)4 k閉環(huán)液氦低溫恒溫器中。一個(gè)安裝在樣品臺(tái)頂部的溫度傳感器測(cè)量了靠近芯片的溫度。每次實(shí)驗(yàn)前，PIC芯片被保持在3.2 K超過(guò)12小時(shí)，以確保達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度。一個(gè)來(lái)自可調(diào)諧激光源(TLS)的1532.5nm光載波被連接到了被測(cè)試設(shè)備(DUT)。等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的工作點(diǎn)被設(shè)置在其正交點(diǎn)（3dB）。為了確定電光響應(yīng)，一個(gè)電學(xué)正弦信號(hào)（5–108 GHz）通過(guò)一個(gè)67GHz真空射頻穿透件和射頻探針被送入等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器。信號(hào)是利用一個(gè)合成器產(chǎn)生的，頻率高達(dá)70 GHz，超過(guò)此頻率的部分使用了額外的倍頻器。設(shè)置的電學(xué)損耗（不包括探針）在室溫下使用電氣頻譜分析儀進(jìn)行了表征，并考慮了校準(zhǔn)。等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的調(diào)制輸出信號(hào)使用光譜分析儀(OSA)進(jìn)行了記錄。需要強(qiáng)調(diào)的是，使用了67GHz探針進(jìn)行測(cè)量，并且已經(jīng)校準(zhǔn)到67 GHz。對(duì)于更高的頻率，校準(zhǔn)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)的適當(dāng)針頭造成的。黑色實(shí)線所示的測(cè)量平均頻率顯示了108 GHz的頻率響應(yīng)，2.2dB 下降。

圖1 (a) 等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器 (MZM)帶寬測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，以及70 GHz小信號(hào)射頻調(diào)制下的光譜圖。 (b) 等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器 (MZM)的實(shí)測(cè)和歸一化電光頻率響應(yīng)。

開(kāi)-關(guān)電壓Vπ在室溫和4 K環(huán)境下使用100 kHz信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。Vπ,50Ω從室溫的3.3V增加到4 K時(shí)的4.2V。

3.低溫?cái)?shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

我們測(cè)試了高速數(shù)據(jù)調(diào)制的電光接口，并隨后研究了降低電學(xué)驅(qū)動(dòng)電壓的影響。為了驗(yàn)證從低溫恒溫器中高速提取數(shù)據(jù)，等離子體調(diào)制器以高達(dá)128 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。在這些實(shí)驗(yàn)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(yùn)行如前一節(jié)所述，見(jiàn)圖2(a)。使用256 GSa/s、70GHz任意波形發(fā)生器(AWG)生成不同數(shù)據(jù)格式，基于電學(xué)驅(qū)動(dòng)電壓的選擇，使得VP,50Ω低于500mV。在接收器處，見(jiàn)圖2(b)，等離子體調(diào)制器調(diào)制后的光輸出信號(hào)通過(guò)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大和過(guò)濾，然后90%的信號(hào)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(jìn)行離線數(shù)字信號(hào)處理(DSP)。放大和過(guò)濾后的信號(hào)的10%使用光譜分析儀(OSA)進(jìn)行監(jiān)控。DSP包括一個(gè)匹配濾波器、一個(gè)定時(shí)恢復(fù)和靜態(tài)T/2間隔的前饋均衡器，該均衡器已通過(guò)數(shù)據(jù)輔助z小均方誤差法進(jìn)行了訓(xùn)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(hào)。傳輸?shù)?06個(gè)符號(hào)在64 Gbd 2PAM時(shí)仍然無(wú)誤。此外，圖3顯示了不同電驅(qū)動(dòng)電壓和數(shù)據(jù)速率下2PAM信號(hào)的數(shù)字計(jì)算信噪比和誤碼率(BER)，表明低至0.1 VP,50Ω的驅(qū)動(dòng)電壓可以支持低于SD-FEC限值的16 Gbd 2PAM信號(hào)。對(duì)于低至200mV的VP,50Ω，5x10^5個(gè)符號(hào)的傳輸可以在16 Gbd和32 Gbd符號(hào)速率下實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)通信，而64 Gbd信號(hào)的誤碼率仍然低于HD-FEC限值。

圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖和眼圖。(a) 發(fā)送器的簡(jiǎn)化圖。在低溫室內(nèi)的調(diào)制器未使用電學(xué)放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)。(b) 用于數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)的接收器。(c) 記錄傳輸?shù)腜AM2和PAM4信號(hào)的眼圖。

圖3 在4 K環(huán)境下測(cè)量操作等離子體馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(MZM)的電學(xué)驅(qū)動(dòng)電壓。(a) 測(cè)量到的16 – 64 Gbd 2PAM信號(hào)的信噪比(SNR)作為所施加峰值電壓VP的函數(shù)。16 Gbd信號(hào)的眼圖，其標(biāo)稱電氣VP驅(qū)動(dòng)電壓為200mV。(b) 在應(yīng)用了時(shí)間恢復(fù)(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(xiàng)工作表明，等離子體調(diào)制器非常適合要求苛刻的低溫應(yīng)用，即使在溫度低于4 K的情況下也能實(shí)現(xiàn)高效的電光轉(zhuǎn)換。等離子體調(diào)制器測(cè)量設(shè)置的改進(jìn)應(yīng)該能夠帶來(lái)更好的性能。考慮到在這次實(shí)驗(yàn)中，室溫和4 K環(huán)境下性能的微小差異，我們期望室溫實(shí)驗(yàn)可以直接轉(zhuǎn)化為低溫環(huán)境。這樣，等離子體調(diào)制器低溫高速運(yùn)行在8 PAM中可達(dá)432 Gbit/s，并且芯片上的插入損耗(IL)為1.0 dB。

4.結(jié)論

我們首次展示了一種在低溫下為量子系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的集成等離子體調(diào)制器。這些等離子體調(diào)制器在低于4 K的低溫環(huán)境中具有超過(guò)100 GHz的電光帶寬。此外，我們還驗(yàn)證了等離子體調(diào)制器在沒(méi)有電學(xué)放大器的4 K環(huán)境下，以高達(dá)128 Gbd的2 PAM信號(hào)分別在200 mVP,50Ω、100 mVP,50Ω的低電驅(qū)動(dòng)下進(jìn)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 。

參考文獻(xiàn)

[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-opticcoefficients, high index of refraction, and long-termstability from Diels–Alder cross-linkable binarymolecular glasses," Chemistry of Materials, vol.

32, pp. 1408-1421, 2020.

[13] D. Park, V. Yun, X. Zhou, J. Luo, A.-Y. Jen, andW. Herman, "Cryogenic optical characterization ofnonlinear polymers," in CLEO/QELS: 2010 LaserScience 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 1.2Tbit/s transmission over 300 km with PM-64 QAMat 100 GBaud," in Optical Fiber CommunicationConference, 2017, p. Th5B. 5.

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

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

審核編輯 黃宇