等离子体BTO-on-SiN平台：突破200 GBd调制速率的集成光通信新方案

《Light-Science & Applications》：The plasmonic BTO-on-SiN platform – beyond 200 GBd modulation for optical communications

本期推荐一项突破性光通信研究。为应对Tbit/s级光通信链路对高速调制器的迫切需求，研究人员开发了等离子体BTO-on-SiN集成光子平台。该研究首次实现256 GBd C波段马赫-曾德尔调制器、224 GBd IQ调制器（首个基于BTO和SiN的IQ调制器）以及200 GBd O波段环形谐振器调制器，最高传输速率达448 Gbit/s。这项技术通过结合氮化硅的低损耗特性、钛酸钡的超强非线性效应和等离子体纳米结构，为人工智能系统和下一代光通信提供了高速、紧凑的解决方案。

　　

在人工智能爆发和全球数据流量激增的时代，光通信网络正面临着前所未有的带宽需求。传统硅基光子器件虽然具有CMOS兼容优势，但受限于材料本身缺乏电光效应，难以实现高速调制。而新兴的薄膜铌酸锂（TFLN）平台虽具备优良的电光特性，却与主流的硅工艺兼容性存在挑战。正是在这样的技术背景下，苏黎世联邦理工学院Manuel Kohli团队在《Light: Science & Applications》发表的研究，提出了一种革命性的等离子体BTO-on-SiN集成光子平台。

这项研究的创新之处在于巧妙结合了三重优势：氮化硅（SiN）波导的超低传输损耗（低于2 dB）、钛酸钡（BTO）的强Pockels效应（电光系数达180 pm/V），以及等离子体纳米结构的高速调制能力。研究人员通过晶圆级异质集成技术，在同一个硅基衬底上成功制备了三种不同类型的调制器，分别针对长距离相干通信和短距离强度调制/直接检测（IM/DD）应用场景。

关键技术方法包括：采用等离子体金属-绝缘体-金属（MIM）波导结构实现110 GHz电光带宽；通过垂直定向耦合器（VDC）实现SiN与BTO波导间的低损耗光耦合（0.14 dB/过渡）；利用光子-等离子体转换器（PPC）将光场压缩至150纳米等离子体间隙；基于电子束光刻和等离子增强化学气相沉积（PECVD）等芯片级后端工艺实现异质集成。

BTO-on-SiN平台构建

研究团队设计的核心创新点在于构建了多功能集成光子平台。如Fig.1所示，该平台采用分层结构：底层为800×800 nm²截面的SiN波导层，负责低损耗光路由；上层为BTO活性材料层，通过垂直定向耦合器实现光场转移。最关键的等离子体相移器采用金-BTO-金的三明治结构，槽宽仅100-150纳米，长度可缩短至5微米。这种设计使得光场被高度局域在BTO介质中，充分发挥其Pockels效应，同时金属电极直接与活性材料接触，大幅降低电阻电容（RC）延迟。

C波段MZ调制器性能

Mach-Zehnder调制器采用多模干涉仪（MMI）分光结构，等离子体相移段长15微米。测试显示其直流半波电压（V_π）低至1.8 V（推挽配置），3 dB电光带宽达110 GHz。虽然当前制备的器件插入损耗为20.3 dB，但模拟表明通过优化制备工艺，该值可降至8.1 dB。频率响应曲线显示在10 GHz至110 GHz范围内具有平坦响应，仅在75 GHz处出现轻微LC谐振峰，这归因于测试探针的寄生电感。

C波段IQ调制器突破

该研究实现了首个基于BTO材料和SiN平台的IQ调制器，芯片尺寸仅0.75×2.15 mm²。如Fig.3所示，该器件包含两个并行MZ调制器和一个相位调谐器，等离子体段长17.5微米。虽然更长的调制器长度导致带宽降至70 GHz，但通过4QAM调制实现了224 GBd符号速率，传输速率达448 Gbit/s。值得注意的是，该器件在简化数字信号处理（DSP）条件下（仅线性均衡）仍能实现192 GBd传输，大幅降低了实时处理能耗。

O波段RT调制器创新

针对低成本IM/DD应用开发的环形谐振器（RT）调制器展现出独特优势。如Fig.4所示，该器件通过水平定向耦合器（HDC）将总线波导与环形谐振腔耦合，仅需5微米长等离子体段即可实现200 GBd操作。器件损耗低至2 dB，品质因数Q=1931，消光比超过6 dB。直流调谐效率达0.3 nm/V，其小尺寸结构赋予优异的热稳定性，有望解决传统微环调制器的温漂问题。

数据传输实验验证

在系统级验证中，研究团队采用两种DSP策略：简化版（仅时序恢复和21抽头前馈均衡器）和完整版（增加非线性均衡）。C波段MZ调制器在256 GBd 2PAM调制下，误码率（BER）为2.67×10^-2，低于软判决前向纠错（SD-FEC）门限。通过400米光纤传输实验证实，该技术具备实际部署能力。特别值得关注的是，线性均衡即可支持196 GBd传输，这为低功耗实时处理开辟了道路。

IQ调制器在相干传输实验中表现同样亮眼，224 GBd 4QAM调制实现448 Gbit/s线速率，创造了BTO材料和SiN平台的速率纪录。O波段RT调制器虽受放大器噪声和探测器响应度限制，仍实现200 GBd传输，其低损耗特性特别适合数据中心内短距离互联。

这项研究的核心价值在于首次将BTO-on-SiN提升为完整的调制器平台，可根据应用场景灵活配置调制器类型。所有器件采用同一芯片、同一工艺制备，证明了该技术路线的可扩展性。与现有技术相比，该平台兼具CMOS兼容性、高线性度、宽光谱透明度和高功率处理能力等多重优势。尤其值得注意的是，器件在1.13 V_pp驱动电压下即可实现200 GBd操作，为"无驱动器"解决方案奠定了基础。

研究团队还特别强调了能效优化策略。通过简化DSP算法，大幅降低了实时处理的计算复杂度。据估算，MZ调制器的能耗低至10 fJ/bit，这种能效优势对于大规模数据中心应用至关重要。未来通过优化等离子体槽宽和BTO材料质量，进一步降低插入损耗和驱动电压，该平台有望成为Tbit/s光互连的首选方案。

这项工作不仅推动了集成光子学的发展，更重要的是提供了一种平台化解决方案。通过单一技术路线满足从长距离相干通信到短距离数据互联的多样化需求，为下一代光通信系统提供了全新的技术路径。随着制备工艺的成熟和规模化生产，BTO-on-SiN平台有望在人工智能计算、微波光子和量子接口等领域发挥更重要作用。