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華中科技大學張新亮團隊Nature Commun.

2021.8.24

　　8月20日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表了華中科技大學武漢光電國家研究中心、光學與電子信息學院張新亮教授、葉鐳副教授與國家信息光電子創新中心肖希博士合作研究成果：超高速石墨烯相干光接收機“Ultrahigh-speed graphene-based optical coherent receiver”。這是國際上首例可用于數字相干光通信的高速石墨烯相干光接收芯片，為未來超高速相干光通信網絡提供了新的可能。

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　　移動互聯網的飛速發展，數據量呈爆炸式增長，需要光纖通信網絡容量不斷增長。相干光通信技術基于高級調制格式和數字信號處理，具有頻譜效率高、數據傳輸容量大等優勢，是過去十年推動光傳輸網絡演進的劃時代光通信技術。其中，相干光接收機是相干光通信系統中的核心關鍵器件之一，可以同時探測高速信號上攜帶的相位和幅度信息。另外得益于平衡探測，相干光接收機相比直接探測光接收機具有更高的探測靈敏度。

　　石墨烯材料具有超高載流子遷移率、超寬帶光譜響應以及易于片上集成等優點，過去十年在光電探測器領域得到了廣泛的研究，而大帶寬（~500 GHz）、高響應度和小尺寸的片上石墨烯光電探測器在光通信系統中有著重要的應用價值。從目前研究進展來看，利用表面等離子體結構的強光場局域以及高速特性，表面等離子體石墨烯光電探測器具有約10 μm量級的尺寸、高達0.7 A/W的響應度、110 GHz的帶寬以及超100 Gbit/s的接收容量。然而，基于直接探測模式的單個石墨烯光電探測器，難以有效應用于200 Gbit/s、400 Gbit/s甚至800 Gbit/s的高速光通信互連中。因此，結合大帶寬的石墨烯光電探測器以及相干探測技術，石墨烯相干光接收機有望實現大帶寬和超高容量的數據接收。同時，相較于傳統的III-V或鍺硅相干光接收機，石墨烯相干光接收機結合了高速探測以及CMOS工藝兼容的優點。

　　此前，張新亮教授團隊已研制了高速的表面等離子體狹縫波導上的石墨烯光電探測器（ECOC 2019），并與偏振復用技術結合，實現了接收容量高達224 Gbit/s的光接收芯片（Adv. Opt. Mater. 9, 2001215, 2021）。在此基礎上，團隊進一步提出了表面等離子體石墨烯相干光接收芯片的概念（圖1a），結合90°光混頻器和四通道表面等離子體狹縫波導上的石墨烯光電探測器，首次實現了可探測高級調制格式的石墨烯相干光接收芯片（圖1e）。利用4×4多模干涉耦合器作為90°光混頻器（圖1b~1d），無需額外的相位控制單元即可實現滿足相干光接收機所需的四通道輸出端口相位關系，具有工藝簡單、操作方便等優點。通過采用表面等離子體狹縫波導上的石墨烯光電探測器（圖1f），石墨烯相干光接收芯片有效探測區域僅為4×15 μm×100 nm、響應度為0.1 A/W（圖2a）、響應帶寬大于67 GHz（圖2b）。

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圖1 （a）石墨烯相干光接收機原理圖；（b/c）90°光混頻器光場傳輸分布圖；（d）光混頻器掃描電鏡圖；（e）相干光接收機金相圖；（f）石墨烯光電探測器掃描電鏡圖

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圖2 （a）四通道石墨烯光電探測器響應度隨偏置電壓變化；（b）四通道石墨烯光電探測器頻率響應曲線

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圖3 （a）高速信號接收實驗裝置圖；（b）~（e）QPSK信號星座圖；（f）50 Gbaud QPSK信號誤碼率曲線；（g）~（h）16 QAM信號星座圖

　　利用如圖3a所示的實驗裝置，分別驗證了石墨烯相干光接收芯片的平衡探測和相干探測功能。其中，通過采用零差相干探測技術以及離線數字信號處理算法，該器件成功演示了單偏振態、超高速率下高階調制信號的接收，比如200 Gbit/s的QPSK（100 Gbaud）以及240 Gbit/s16 QAM（60 Gbaud）（圖3e、3h）。

　　本文報道的超高速石墨烯相干光接收機，有機結合了石墨烯光電子學、表面等離子體光子學以及硅基光子學的優勢，具有大帶寬、低功耗、微米量級尺寸等特點，為實現高速、高效率及小型化相干光接收機探索了新的思路，有望在數據中心等下一代高速光互連應用中發揮其獨特的競爭力。

　　該研究工作得到了科技部重點研發計劃項目（2019YFB2203102）、國家自然科學基金委重點項目（61735006）等項目的資助。華中科技大學張新亮教授、葉鐳副教授和國家信息光電子創新中心肖希博士為論文共同通訊作者，華中科技大學博士生王逸倫和劍橋大學博士后李響為論文共同一作。此外，華中科技大學余宇教授、博士后周海龍、博士生姜志濱、童磊、鄧文韜、高曉巖、黃鑫宇為共同作者參與相關工作。

　　Yilun Wang?, Xiang Li?, Zhibin Jiang, Lei Tong, Wentao Deng, Xiaoyan Gao, Xinyu Huang, Hailong Zhou, Yu Yu, Lei Ye*, Xi Xiao*, and Xinliang Zhang*. Ultrahigh-speed graphene-based optical coherent receiver. Nature Communications, 12, 5076 (2021).

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-25374-0

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