基于石墨烯的光电探测器因其带宽大、占地面积小、与硅基光子学平台兼容等优点，在高速光通信领域引起了人们的极大关注。大带宽硅基相干光接收机（OCR）是采用先进调制格式的大容量光通信网络的关键器件。在这里，我们提出并用实验证明了一种基于90度光混合和石墨烯等离子体缝隙波导光电探测器的集成相干光接收器，其具有占地面积小、大带宽远超过67 GHz的特点。结合均衡检测，接收到的90 Gbit/s二元相移键控信号具有较高的信噪比。此外，在单极化载波上实现了200 Gbit/s正交相移键控和240 Gbit/s 16正交振幅调制信号的接收，附加功耗低于14 fJ/bit。这种基于石墨烯的相干光接收器在400千兆以太网和800千兆以太网技术中具有潜在的应用前景，为未来的高速相干光通信网络铺平了另一条道路。

图1. PSW上带有石墨烯的OCR。(a)所提出的基于石墨烯的OCR示意图。GS电极：接地信号电极。(b,c)分别在(b)端口4和(c)端口2的光输入下MMI耦合器模式图。(d) MMI耦合器的伪色SEM图像（90度光混合）。(e)所提出的OCR的光学显微镜图像。在将石墨烯转移到器件之前拍摄的图像。(f)PSW PD上石墨烯的伪色SEM图像。

图2. 90度光混合性能。(a)混合动力中四个输出端口的测量传输。CH表示输出通道，该数字与输出端口数字对应。插图：测量混合动力的相位偏差。(b)测量混合动力的功率失衡。蓝线(红线)表示输出通道1和4(通道2和3)之间的功率失衡。

图3.石墨烯-PSW PDs的性能。(a)四个PDs在1550 nm处的偏置电压函数的响应度。(b)四个PDs的频率响应。VNA：矢量网络分析器。

图4. 平衡检测测试。(a)平衡检测的测量装置。AWG:任意波形发生器，TL：可调谐激光器，EDFA：掺铒光纤放大器，PC：偏振控制器，ATT：光衰减器，EA：电放大器，RTO：实时示波器。(b,f) (b)50Gbit/s和(f)90Gbit/s BPSK信号的实时信号波形(蓝线代表I+分支，红线代表I−分支)。(c-e) (c)I+分支，(d)I−分支以及(e)平衡检测的50 Gbit/s BPSK眼图。(g–i) (g)I+分支，(h)I−分支以及(i)平衡检测的90 Gbit/s BPSK眼图。

图5.相干检测的实验演示。(a)相干检测的测量设置。(b-e) (b)25 Gbaud、(c)50 Gbaud、(d)90 Gbaud和(e)100 Gbaud的QPSK信号星座图。(f)50 Gbaud QPSK信号的测量BERs与接收光功率的关系。SD:软判决。(g-h) (g)40 Gbaud和(h)60 Gbaud的16QAM信号星座图。

相关研究成果由华中科技大学光电信息学院、武汉光电国家实验室Yilun Wang等于2021年发表在nature communications (https://doi.org/10.1038/s41467-021-25374-0)上。原文：Ultrahigh-speed graphene-based optical coherent receiver。