100GHz等離子體電光調制器在低溫領域的應用

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

1.介紹

在低溫環境下運行的高速調制器對于運行下一代超導量子電路至關重要。為避免散熱過多，只能使用符合嚴格的z低功耗要求的設備。低溫電路的復雜性在穩步增加，因此，各自的通信接口的規模相當。此時，相較于電子設備，光學解決方案可以提供更低的熱負荷和更高的帶寬。越來越多的在4K以下低溫下工作的電光接口被引入到這個領域。通過使用商用5GHz的鈮酸鋰調制器，在mK范圍內展示了5 Gbit/s的數據速率。zui近，鈦酸鋇調制器提供了一個在0.85 VP驅動電壓下，以20 Gbit/s的速度實現了30 GHz的電光帶寬。其他例子包括硅輻環調制器或石墨烯環調制器，它們已經被證明具有類似的數據速率和工作電壓。一般來說，調制器的特性由其VπL來表征。這意味著較低的電壓可以換取較低的長度。然而，更長的調制器長度是以更低的帶寬為代價的。因此，雖然上述現有技術顯示出非常有希望的結果，但達到更高的速度仍然是一個挑戰。

等離子調制器是現有低溫電光界面的一個有前途的替代品。對于經典應用，該技術已經展示了z高帶寬(>500 GHz)、性能、能效(驅動電壓<100 mVP) 和低損耗(芯片上損耗1.0 dB)。

在本次實驗中，我們展示了等離子體調制器是量子系統中低溫電光接口潛力的候選者。我們展示了超過100GHz的電光帶寬，128Gbd/s的高速數據傳輸，驅動電壓低于500mV。此外，我們還展示了16Gbd/s的運行，其電學驅動電壓低于100mV，避免了在低溫恒溫器中電學放大器的需求。此外，我們首次展示了在低溫環境中，等離子體調制器中的有機電光材料可靠且高效地運行。所有測量都是在基礎溫度為3.2 K的封閉式液氦低溫箱中進行的。

2.器件設計&低溫表征

低溫裝置由一個在推拉模式下操作的等離子體馬赫-曾德爾調制器組成。該裝置的示意圖如圖1(a)所示。等離子體馬赫-曾德爾調制器的兩個臂上有等離子移相器，每個槽寬為130nm，長度為15um。等離子體馬赫-曾德爾調制器通過光柵耦合器實現與光子集成電路(PIC)芯片的光學耦合。為了方便光學對準，使用與低溫兼容的環氧膠將光纖陣列(FA)粘附到PIC上。等離子體馬赫-曾德爾調制器具有兩臂之間的不平衡，引入了一個固定的相移。這允許在不需要電學調節的情況下調整調制器的工作點，例如通過熱光相移器，避免了給低溫恒溫器增加額外的熱負載。相位調制是利用有機電光(OEO)材料的線性電光效應實現的。OEO材料已被證明在4.2 K下表現出高非線性，該裝置的特點是在室溫和4k環境下的頻率響應。圖1(a)描述了等離子體馬赫-曾德爾調制器的實驗裝置圖。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。更準確地說，樣品被放置在一個4 k閉環液氦低溫恒溫器中。一個安裝在樣品臺頂部的溫度傳感器測量了靠近芯片的溫度。每次實驗前，PIC芯片被保持在3.2 K超過12小時，以確保達到穩態溫度。一個來自可調諧激光源(TLS)的1532.5nm光載波被連接到了被測試設備(DUT)。等離子體馬赫-曾德爾調制器的工作點被設置在其正交點（3dB）。為了確定電光響應，一個電學正弦信號（5–108 GHz）通過一個67GHz真空射頻穿透件和射頻探針被送入等離子體馬赫-曾德爾調制器。信號是利用一個合成器產生的，頻率高達70 GHz，超過此頻率的部分使用了額外的倍頻器。設置的電學損耗（不包括探針）在室溫下使用電氣頻譜分析儀進行了表征，并考慮了校準。等離子體馬赫-曾德爾調制器的調制輸出信號使用光譜分析儀(OSA)進行了記錄。需要強調的是，使用了67GHz探針進行測量，并且已經校準到67 GHz。對于更高的頻率，校準已經標準化到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的適當針頭造成的。黑色實線所示的測量平均頻率顯示了108 GHz的頻率響應，2.2dB 下降。

圖1 (a) 等離子體馬赫-曾德爾調制器 (MZM)帶寬測量的實驗裝置示意圖，以及70 GHz小信號射頻調制下的光譜圖。 (b) 等離子體馬赫-曾德爾調制器 (MZM)的實測和歸一化電光頻率響應。

開-關電壓Vπ在室溫和4 K環境下使用100 kHz信號進行了測量。Vπ,50Ω從室溫的3.3V增加到4 K時的4.2V。

3.低溫數據傳輸實驗

我們測試了高速數據調制的電光接口，并隨后研究了降低電學驅動電壓的影響。為了驗證從低溫恒溫器中高速提取數據，等離子體調制器以高達128 Gbit/s的數據速率運行。在這些實驗中，數據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。發送器的運行如前一節所述，見圖2(a)。使用256 GSa/s、70GHz任意波形發生器(AWG)生成不同數據格式，基于電學驅動電壓的選擇，使得VP,50Ω低于500mV。在接收器處，見圖2(b)，等離子體調制器調制后的光輸出信號通過摻鉺光纖放大器(EDFA)放大和過濾，然后90%的信號輸入到連接到數字采樣示波器(DSO)的145 GHz光電二極管(PD)中，進行離線數字信號處理(DSP)。放大和過濾后的信號的10%使用光譜分析儀(OSA)進行監控。DSP包括一個匹配濾波器、一個定時恢復和靜態T/2間隔的前饋均衡器，該均衡器已通過數據輔助z小均方誤差法進行了訓練。圖2(c)顯示了記錄的數據傳輸的眼圖，使用16 – 128 Gbd 2PAM (128 Gbit/s) 和 64 Gbd 4PAM (128 Gbit/s) 信號。傳輸的106個符號在64 Gbd 2PAM時仍然無誤。此外，圖3顯示了不同電驅動電壓和數據速率下2PAM信號的數字計算信噪比和誤碼率(BER)，表明低至0.1 VP,50Ω的驅動電壓可以支持低于SD-FEC限值的16 Gbd 2PAM信號。對于低至200mV的VP,50Ω，5x10^5個符號的傳輸可以在16 Gbd和32 Gbd符號速率下實現無差錯通信，而64 Gbd信號的誤碼率仍然低于HD-FEC限值。

圖2 實驗數據測量的實驗設置示意圖和眼圖。(a) 發送器的簡化圖。在低溫室內的調制器未使用電學放大器來驅動。(b) 用于數據傳輸實驗的接收器。(c) 記錄傳輸的PAM2和PAM4信號的眼圖。

圖3 在4 K環境下測量操作等離子體馬赫-曾德爾調制器(MZM)的電學驅動電壓。(a) 測量到的16 – 64 Gbd 2PAM信號的信噪比(SNR)作為所施加峰值電壓VP的函數。16 Gbd信號的眼圖，其標稱電氣VP驅動電壓為200mV。(b) 在應用了時間恢復(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。

這項工作表明，等離子體調制器非常適合要求苛刻的低溫應用，即使在溫度低于4 K的情況下也能實現高效的電光轉換。等離子體調制器測量設置的改進應該能夠帶來更好的性能。考慮到在這次實驗中，室溫和4 K環境下性能的微小差異，我們期望室溫實驗可以直接轉化為低溫環境。這樣，等離子體調制器低溫高速運行在8 PAM中可達432 Gbit/s，并且芯片上的插入損耗(IL)為1.0 dB。

4.結論

我們首次展示了一種在低溫下為量子系統應用而設計的集成等離子體調制器。這些等離子體調制器在低于4 K的低溫環境中具有超過100 GHz的電光帶寬。此外，我們還驗證了等離子體調制器在沒有電學放大器的4 K環境下，以高達128 Gbd的2 PAM信號分別在200 mVP,50Ω、100 mVP,50Ω的低電驅動下進行高速數據傳輸，數據速率分別為64 Gbit/s和16 Gbit/s 。

參考文獻

[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