摘要：近日，我校电子与信息工程学院张赞允教授团队在硅光调制器方向取得突破性进展，研制出世界上首个单波224Gb/s偏振不敏感硅光调制器，器件在偏振相关损耗、最高工作速率等关键性能上均优于已报道的同类调制器，处于国际领先水平。相关成果以“Polarization in

近日，我校电子与信息工程学院张赞允教授团队在硅光调制器方向取得突破性进展，研制出世界上首个单波224Gb/s偏振不敏感硅光调制器，器件在偏振相关损耗、最高工作速率等关键性能上均优于已报道的同类调制器，处于国际领先水平。相关成果以“Polarization insensitive silicon intensity modulator with a maximum speed of 224Gb/s”为题发表在国际光学权威期刊《Photonics Research》。

作为一种高速电光转换器件，硅光调制器具有结构紧凑、集成度高、CMOS工艺兼容等优点，经过二十余年研究，其性能已经取得突飞猛进的发展。然而，由于亚微米光波导的双偏振特性，硅光调制器偏振敏感的缺点始终未被克服。偏振不敏感电光调制器使得光发射芯片可通过单模光纤与远程激光器相连接，避免了实时偏振控制或者昂贵保偏光纤的使用，从而显著降低系统复杂性和成本，在实际应用中极具吸引力。为实现偏振不敏感硅基电光调制，科学家们提出了包括采用铌酸锂、石墨烯、薄膜BaTiO3、带ITO的多层结构以及聚合物等材料的异质集成方案。然而这些方案不兼容于CMOS制造工艺，性能也远不能满足要求。

围绕“如何打破硅光调制器的双偏振特性”这一关键科学问题，张赞允教授团队提出并实验验证了一种偏振不敏感硅光强度调制器（图1）。器件采用二维变迹光栅同时实现偏振无关光耦合、偏振分束/旋转以及功率分束功能，将任意偏振态入射光转变为四路TE光波导模式，并借助超低损耗光交叉构建双偏振并联驱动推挽相移器实现偏振不敏感电光调制。为实现高速工作，该团队对带载电极传输线结构进行建模仿真优化以实现阻抗匹配和电光速率匹配。测试结果显示，器件光纤到光纤插损仅9dB，偏振相关损耗在峰值波长处仅约0.15dB，调制效率为1.5V·cm。5V偏压下器件电光带宽近50GHz，32抽头前向均衡下器件112 Gbaud PAM4眼图（图2d）张开良好，在误符号率为1×10-3水平下测得TDECQ为3.1dB，即器件最高工作速率达224Gb/s。为进一步验证眼图的偏振不敏感特性，团队测试了不同偏振态下调制器100 Gbaud OOK眼图，同时记录了平均光功率、信噪比和消光比进行比较（图2f），平均光功率在不同偏振态下变化小于0.59dBm，同时相对稳定的信噪比和消光比使得器件眼图在偏振态变化时保持较好的通信质量。这一研究成果标志着偏振不敏感硅光调制器完全有望取代传统的单偏振硅光调制器，在共封装光学、芯片级光学I/O、微波光子系统等领域取得重要应用。

图1. (a) 器件光学显微照片 (b)-(h) 各关键元件扫描电镜照片

图2. (a) 100 Gbaud OOK调制眼图 (b) 112 Gbaud OOK调制眼图 (c) 100 Gbaud PAM4调制眼图 (d) 112 Gbaud PAM4调制眼图 (e) 邦加球上不同光偏振态 (f) 不同入射偏振态下100G OOK眼图性能指标对比

该论文第一作者为我校张赞允教授，英国皇家工程院院士、南安普顿大学Graham T. Reed教授参与本工作并给予了重要指导。研究成果由天津工业大学、中国科学院半导体研究所、浙江大学、鹏城实验室、苏州微光电子融合技术研究院有限公司、英国南安普顿大学等多个单位和科研机构共同完成，受到国家自然科学基金、中国科学院青促会资助项目、鹏程实验室重点项目、企业委托项目、天津市光电检测技术与系统重点实验室开放课题经费支持。

来源丨电子与信息工程学院

排版丨胡敏

审核丨刘玉靖 刘孜勤 胡敏

来源：微言校园