等離子體電光調制器研究與應用文獻

昊量光電新推出基于表面等離子體激元（SPP）和硅光子集成技術的高速等離子體電光調制器，高帶寬可達145GHz，可被廣泛用于通信，量子，測試測量等領域，不僅提供帶寬70GHz-145GHz的環形諧振調制器（RRM），馬赫增德爾調制器（MZM），同相正交調制器（IQM）封裝調制器模塊及芯片，還可以根據客戶需求提供定制化產品。以下是基于等離子體激元及硅光子封裝技術開發的高速等離子體電光調制器的相關研究論文及應用文獻介紹。

1.帶寬超過100GHz，等離子體損耗減少的低溫環境下的等離子體調制器（Plasmonic Modulators in Cryogenic Environment Featuring Bandwidths in Excess of 100 GHz and Reduced Plasmonic Losses），D. Bisang, et al(ACS Photonics, 2024)

摘要：低溫量子應用需要越來越多的互連和帶寬。預計光子鏈路將提供高帶寬、低熱負荷和低噪聲的數據傳輸，使下一代可擴展量子計算系統成為可能。然而，它們需要在低溫下工作的高速和節能調制器來進行電光信號轉換。在這里，等離子體有機電光調制器在4 K下工作，帶寬>100 GHz，驅動電壓低至96 mV，與室溫相比，等離子體傳播損耗顯著降低40%以上。利用等離子體馬赫-曾德爾調制器和等離子體環形諧振器調制器分別在1528 nm和1285 nm處進行了數據實驗，證明了低溫電光信號轉換速度可達160 Gbit/s和256 Gbit/s。這項工作表明，等離子調制器非常適合未來在低溫環境中高速、可擴展和節能的光子互連。

2.用于未來RoF系統的全無源亞太赫茲對光接收機的等離子體片上天線（Plasmonic On-Chip Antenna Enabling Fully Passive sub-THz-to-optical receiver for Future RoF Systems），H. Ibili, et al (OFC, 2024)

摘要：我們演示了一種全無源片上天線集成等離子調制器接收器，內置在235GHz左右的場增強為10,000，使射頻電子冗余。在無線亞太赫茲鏈路中傳輸高達80Gbit/s。

3.在1400米范圍內實現160 Gbps直接亞太赫茲到光轉換的雙向帶接收器（Dual-Sideband Receiver Enabling 160 Gbps Direct subThz-to-optical Conversion over 1400 m），T. Blatter et al (OFC, 2024)

摘要：介紹了一種用于射頻鏈路的雙向帶接收方案，可提供高達3db的靈敏度改進，并測試了在226 GHz射頻下160 Gbps光纖網絡之間架橋1400 m的無線距離。

4.單載波網絡400 Gbit/s IM/DD超過400 m光纖實現等離子體馬赫-曾德調制器（Single carrier net 400 Gbit/s IM/DD over 400 m Fiber enabLED by Plasmonic Mach-Zehnder Modulator），L. Kulmer, et al(OFC, 2024)

摘要：我們利用等離子體MZM編碼的178GBd PAM8信號演示了437.1Gbit/s的IM/DD鏈路。符號速率高達256GBd，傳輸超過400m，同時保持凈速率>400Gbit/s已成功演示。

5.共振微波-光子協同設計的調制增強（modulation Enhancement Through Resonant Microwave-Photonic Co-Design），D. Moor, et al(ECOC, 2023)

摘要：傳統的光子學設計導致器件對環境和缺陷非常敏感，體積龐大，效率低下，因此禁止縮放。光子學逆設計可以產生比許多優點的器件，完全兼容基于代工的制造，甚至可以實現光子學的新功能。示例包括片上和片對片光學互連中的無錯誤傳輸，速度超過Tb/s，片上非線性光學隔離器，色散工程緊湊和高Q諧振器，可擴展量子光子學，甚至芯片上的激光驅動粒子加速器。

6.未來高速度自由空間光通信的等離子調制器（Plasmonic Modulators for Future Highest-Speed Free Space optical communications），L. Kulmer, et al.(OFC, 2023)

摘要：等離子體調制器已被評估為在53公里踹流的自由空間光鏈路中高達200Gbaud的運行。它們被證明能夠承受空間輻射和大溫度范圍，使其成為空間應用的理想選擇。

7.片上系統光子集成電路在硅光子學和等離子體的作用（System-on-Chip Photonic Integrated Circuits in Silicon Photonics and the Role of plasmonics），C. Hoessbacher, et al. (OFC, 2023)

摘要：本文回顧了硅光子學上的光子集成電路。我們重點討論了光通信、傳感和量子技術應用中的芯片上系統，并概述了等離子體在硅光子學中的作用。

8.由相干調制和全自適應光學實現的Tbit/s線速率衛星饋線鏈路（Tbit/s line-rate satellite feeder links enabled by coherent modulation and full-adaptive optics），Y. Horst, et al. (Light: Science & Applications, 2023)

摘要：自由空間光通信技術是滿足未來星地網絡帶寬需求的一種解決方案。它們可以克服射頻瓶頸，僅用少數地面站就能達到Tbit/s的數據速率。在這里，我們展示了在瑞士阿爾卑斯山的少女峰山頂(3700米)和伯爾尼市附近的齊默爾瓦爾德天文臺(895米)之間53.42公里的自由空間信道上的單載波Tbit/s線速率傳輸，實現了高達0.94 Tbit/s的凈速率。在這種情況下，模擬了湍流條件下的衛星-地面饋線連接。盡管條件不利，但通過采用全自適應光學系統來糾正信道的畸變波前和使用偏振復用高階復雜調制格式，實現了高吞吐量。研究發現，自適應光學系統不會對相干調制格式的接收產生畸變。此外，我們還介紹了星座調制——一種新的四維BPSK (4D-BPSK)調制格式，作為在很低信噪比下傳輸高數據速率的技術。通過這種方式，我們展示了53公里FSO傳輸速率為13.3 Gbit/s和210 Gbit/s，每比特分別只有4.3和7.8光子，誤碼率為1?10-3。實驗表明，相干調制編碼與全自適應光濾波相結合是實現下一代Tbit/s衛星通信實用化的有效手段。

9.反向納米聚焦波導中鉺的發射增強（Emission enhancement of erbium in a reverse nanofocusing waveguide），N. Güsken, et al. (Nature Communications, 2023)

摘要：自75年前珀塞爾發表開創性報告以來，電磁諧振器已被用于控制光-物質相互作用，以制造更亮的輻射源，并對光和物質的量子態進行控制。事實上，光學諧振器如微腔和等離子體天線提供了很好的控制，但只能在有限的光譜范圍內。通常需要相互調諧和匹配發射和諧振器頻率的策略，這是復雜的，并且排除了同時增強多個躍遷的可能性。在這封信中，我們報告了基于Purcell效應的Er3+離子在單等離子體波導中穿越電信C波段的強輻射發射率增強。我們的間隙波導采用反向納米聚焦方法，有效地增強、提取和引導納米尺度的發射到光子波導，同時保持等離子體損耗小。值得注意的是，大的寬帶Purcell增強使我們能夠解決斯塔克分裂電偶極子躍遷，這通常只在低溫條件下觀察到。多量子態同時輻射發射增強是光子量子網絡和片上數據通信的重要研究方向。

10.高帶寬、耐高溫的諧振等離子體微跑道調制器（Resonant plasmonic micro-racetrack modulators with high bandwidth and high temperature tolerance） ，M. Eppenberger, et al(Nature, 2023)

摘要：諧振調制器將電數據編碼到波長復用的光載波上。今天，硅微環調制器被認為有希望實現這種鏈接；然而，它們提供的帶寬有限，并且需要熱穩定系統。在這里，我們提出了等離子體微跑道調制器作為硅微環的潛在繼任者：它們同樣緊湊，與互補金屬氧化物半導體級驅動電壓兼容，但提供176 GHz的電光帶寬，對工作溫度變化的穩定性提高了28倍，并且沒有自熱效應。這種耐溫度的有機電光材料可以在85°C的設備溫度下工作。我們展示了用單個諧振調制器以12.3fJ/bit的速度傳輸高達408 Gbps的強度調制傳輸。等離子體微跑道調制器提供了一種解決方案，以小的占地面積編碼高數據速率(例如，下一代通信鏈路設想的1.6 Tbps)，具有低功耗和邊際(如果沒有)溫度控制。

11.基于硅光子學的雙驅動等離子體-有機混合I/Q調制器產生和傳輸160 Gbaud QPSK相干信號（Generation and transmission of 160-Gbaud QPSK Coherent Signals using a Dual-Drive Plasmonic-Organic Hybrid I/Q modulator on Silicon Photonics），H. Mardoyan, et al(IEEE, 2022)

摘要：本文報道了基于等離子體技術的100Gbd以上信號的相干傳輸。利用硅光子學平臺上的雙驅動等離子體-有機混合I/Q調制器，我們演示了160-GBaud QPSK和140-GBaud 16QAM調制的成功傳輸。

12.利用等離子體馬赫曾德調制器的超高凈比特率363 Gbit/s PAM-8和279 Gbit/s多二進制光傳輸（Ultrahigh-Net-Bitrate 363 Gbit/s PAM-8 and 279 Gbit/s Polybinary Optical Transmission Using Plasmonic Mach-Zehnder Modulator），H. Qian, et al (Journal of Lightwave Technology, 2022)

摘要：我們總結了超寬帶等離子體馬赫-曾德爾調制器(MZM)在強度調制和直接檢測(IM/DD)系統中的實驗探索，用于高達10公里的短距離光傳輸。我們研究了超高符號速率(高達304 GBd)的多電平光信號的調制、傳輸和接收，采用兩種不同的信號方案:脈沖幅度調制(PAM)，具有多達8個幅度級和部分響應編碼的二進制(多二進制)調制，存儲長度高達4。通過將性能映射到連接的軟判決(SD)和硬判決(HD)前向糾錯(FEC)編碼方案，在10公里標準單模光纖傳輸后，PAM-8信令的凈比特率可達363.4 Gbit/s，四二進制(多二進制)信令的凈比特率可達279.0 Gbit/s。考慮到純高清編碼方案，PAM-6的凈比特率為318.0 Gbit/s，四二進制的凈比特率為277.1 Gbit/s。

13.提高諧振跑道等離子體-有機混合調制器的穩定性（Enhanced Stability of Resonant Racetrack Plasmonic-Organic-Hybrid Modulators），M. Eppenberger, et al(IEEE, 2022)

摘要：與基于等離子體色散效應的諧振調制器相比，高速緊湊的等離子體有機跑道調制器在保持熱可調性的同時，對工作條件變化的魯棒性要高幾個數量級。在80°C下穩定運行，無退化。

14.Tbit/s單通道53公里自由空間光傳輸——評估GEO衛星光學饋線鏈路的可行性（Tbit/s Single Channel 53 km Free-Space Optical Transmission — Assessing the Feasibility of Optical GEO-Satellite Feeder Links），B. Bitachon, et al (Optica Publishing Group, 2022)

摘要：演示了1 Tbps 53km單通道自由空間光(FSO)鏈路。采用了高帶寬、高階調制格式和先jin的自適應光學技術。我們表明，非線性香農極限的缺失與自適應光學相結合，可以以低鏈路故障記錄數據傳輸。

15.等離子體光子晶體——微米尺度上的太比特調制（Plasmonic PICs — Terabit Modulation on the Micrometer Scale） ，W. Heni, et al (ECOC, 2022)

摘要：等離子體PICs提供緊湊的高速光子和等離子體元件，實現新一代可擴展的光子系統解決方案。我們解釋底層技術，重點介紹關鍵應用，回顧技術演示，并討論未來的機會。

16.>500 GHz帶寬石墨烯光電探測器實現高容量等離子體到等離子體鏈路（>500 GHz Bandwidth Graphene Photodetector Enabling Highest-Capacity Plasmonic-to-Plasmonic Links），S. K?pfli, et al(ECOC, 2022)

摘要：介紹了一種新型垂直入射超材料增強石墨烯光電探測器，其光譜窗口為200nm，設置限制帶寬為500GHz。光電探測器已經在提供的250 GHz帶寬的全等離子體EOE鏈路中進行了數據傳輸測試。

17.低溫應用的等離子體100 GHz電光調制器（Plasmonic 100-GHz Electro-Optic Modulators for Cryogenic Applications），P. Habegger, et al(ECOC, 2022)

摘要：我們展示了一種節能的100 GHz等離子體調制器，工作在4 K，在0.1 V的超低驅動電壓下實現超過128 GBd的數據調制。低溫下的高速元件是可擴展的下一代量子計算系統的重要組成部分。

審核編輯 黃宇