华中科技大学讯 1月8日，《Nature Communications》期刊在线发表了华中科技大学、复旦大学与中国科学院半导体研究所联合研究团队的最新研究成果，题为 Ultra-broadband near- to mid-infrared electro-optic modulator on thin-film lithium niobate 。该研究成功研制出一款覆盖近红外至中红外波段的超宽带高速薄膜铌酸锂电光调制器。利用单个调制器，在O-U波段和2微米波段均实现了单波速率超过200 Gbps和170 Gbps的高速信号传输，突破了高速电光调制器在宽光谱工作范围上的瓶颈，为光通信系统的频谱资源扩展提供了有效途径。
随着传统近红外通信波段容量危机的日益凸显，向中红外拓展的宽带光通信系统已成为很有潜力的研究方向，从而推动了对大带宽、高速光电子器件的迫切需求。然而，受限于波导色散及电极速度失配等因素，当前集成光调制器在实现宽波长工作范围方面仍面临显著挑战。为突破这一瓶颈，研究团队通过协同设计宽带端面耦合器、功率分束器以及高速行波电极，成功研制出一款覆盖近红外至中红外的超大带宽（800nm）高速薄膜铌酸锂电光调制器。如图1所示，该器件工作波长范围为1260–2060 nm，覆盖O-U波段及2 μm波段。该调制器的研制不仅拓展了全频谱光通信系统的应用潜力，未来结合多波长光源与多波段光放大器的集成，有望实现覆盖从O波段至2 μm波段的宽带光发射机。
图1. 全频谱范围的薄膜铌酸锂电光调制器。（a）拓展光通信系统的全频谱范围的概念与架构，通过宽带电光调制器、多波长光源、多波段光放大器、宽带光纤和光电探测器来实现，插图为调制区域截面；（b）制备的薄膜铌酸锂电光调制器显微镜图像，插图为端面耦合器和功率分束器的电镜图像。
制备的宽带薄膜铌酸锂电光调制器具有优异的性能，在O-U波段均测得>67 GHz的3-dB带宽，在2-μm波段测得>50 GHz的3-dB带宽，其中在O-、S-、C-和L-波段（1310 nm、1485 nm、1550 nm、1590 nm）测得了~100 GHz的3-dB带宽。另外，该调制器验证了O-、E-、S-、C-、L-、U-和2-μm波段的高速信号传输，如图2所示，1310/1450/1485/1550/1590/1653/1970/2000 nm波长下PAM-4信号的数据传输速率分别为260/260/260/280/280/240/170 Gbps。这一成果首次在实验上实现了全频谱（O至U波段）单波长速率超过240 Gbps（PAM‑4信号）的光通信，同时在2‑μm波段实现的170 Gbps单波长速率也显著突破了该波段以往的记录。这一突破展现了大带宽高速薄膜铌酸锂电光调制器在构建超宽带光通信系统中的变革性潜力，并将为下一代数据中心及高性能计算设施持续增长的带宽需求提供关键技术支撑。
图2. 数据传输测试结果。（a）高速数据传输测试装置图和OOK信号眼图；（b）覆盖近红外至中红外波段的一些典型波长下的PAM-4信号的误码率随接收光功率变化关系曲线，插图为PAM-4信号眼图；（c）OOK和PAM-4信号在不同波长下随数据速率增加的误码率曲线；（d）误码率在HD-FEC阈值下的OOK和PAM-4信号的数据传输速率。
武汉光电国家研究中心博士研究生李启元、衣启源、武汉安湃光电有限公司潘安博士和复旦大学博士研究生孙奥龙为论文共同第一作者，沈力副教授、曾成教授、张俊文教授和郑军副研究员为论文共同通讯作者。论文第一单位为华中科技大学。该研究获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和湖北省光学基础研究中心开放项目等的资助。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67902-2
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