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铌酸锂调制器——具有飞秒量级响应速度的电光调制器
2022-11-10 14:47:52 | 新闻中心 浏览量：4316
随着5G、物联网、人工智能、云计算等新一代信息技术的不断发展，全球通信流量呈指数增长，光通信网络面临巨大压力。当今光通信网络面临两大危机：一是由全球IP流量持续指数增长带来的容量/带宽危机，二是由通信技术日益增长的耗电量带来的能耗危机。电光调制器在光通信系统中的角色是“承上启下”——承接电域信号处理和光域信息传输，将数据从电域编码至光域。
由于铌酸锂（lithium niobate, LN）具有飞秒量级响应速度的线性电光效应(泡克尔斯效应)，宽的透明窗口等物理特性，它已成为最受欢迎的电光调制器制造材料之一。基于体铌酸锂晶体的调制器在三十年前已实现商用化，表现出优良的性能。然而传统铌酸锂电光相位调制器依赖于弱光学限制的钛扩散或质子交换光波导，这使得它在调制效率、尺寸和带宽上已无法进一步提升。通过在薄膜铌酸锂(thin-film lithium niobate)集成平台刻蚀形成强光学限制的波导，为高性能、小型化电光调制的研发奠定了基础，是助力光通信网络突破带宽和瓶颈的关键技术。
（一）铌酸锂电光调制器发展历程✦
传统的LN调制器的调制效率较低(∼ 10 V·cm)，这主要归因于以下两点：(1) 离子扩散型光波导具有弱的光学约束（%u394n≈ 0.1），因此电极需要远离光波导以获得一个较小的金属吸收损耗；(2) 电极和LN之间的缓冲层进一步降低了调制效率。缓冲层对于Gb/s调制的体LN调制器是不可缺少的，它往往是低折射指数的材料（如二氧化硅），用于降低LN晶体上的微波模式指数（%u3F5LN = 4.6, 4.9），使其与光群指数（∼ 2.2）相匹配。
由于LN波导工艺制备难度较高：采用物理刻蚀的波导侧壁粗糙度较大，而采用化学刻蚀工艺难以去除重新沉积的副产物。因此，在TFLN 平台出现之初，研究者们仍倾向不直接加工铌酸锂薄膜。传统的质子交换波导被直接应用于TFLN 平台，并实现了较低的光传播损耗（0.2 dB/cm），但由于波导的横向光限制较弱，因此弯曲半径往往需要几个毫米。接着，在TFLN平台出现了各种脊加载型混合集成波导。脊加载的材料和尺寸需要仔细设计，以实现光模式与LN材料的最大化重叠因子（%u393LN）。更高的%u393LN意味着更多的光功率位于有效电光材料中，它也代表着光场和微波场重叠的上限，是影响调制效率的关键。大部分基于脊加载型波导的%u393LN < 0.7，且波导的弯曲半径仍较大。
如今，干法刻蚀工艺成为实现高限制、低损耗TFLN波导的最可靠的技术之一。电子束光刻技术或光刻技术被用来定义TFLN的波导图案，然后这些图案通过电感耦合等离子体刻蚀系统中的等离子体(例如氩气的Ar+) 转移到TFLN中。目前，干法刻蚀工艺制备的光波导的传输损耗可实现6 dB/m（637 nm）[1]。利用化学机械抛光光刻技术，可以进一步提高波导侧壁的光滑度，实现了4.2 dB/m（1550 nm）[2]。虽然目前TFLN 波导的传输损耗仍高于LN 材料的极限（1550 nm 时约0.2 dB/m），但它对于厘米尺寸的TFLN 调制器来说是可忽略不计的。
基于离子扩散波导的传统LN调制器，以及基于干法刻蚀脊波导的TFLN 调制器的各项关键参数的对比展示在表1中。明显可见，强束缚、低损耗TFLN 光波导的发展极大推动了TFLN 调制器综合性能的突破，将LN调制器推向了一个新的快速发展阶段。
（二）正蓬勃发展的铌酸锂薄膜电光调制器✦
2018 年哈佛大学Marko Loncar 课题组展示了基于干法刻蚀工艺TFLN 脊波导的高性能强度调制器，实现了半波电压低至1.4 V，3 dB 带宽为45 GHz，调制速度可以上至210 Gbit/s [3]。电压-带宽表现由传统调制器的∼ 3 GHz/V2大幅提升至23 GHz/V2。2019 年，有科学家团队演示了高性能Si/TFLN 异质集成调制器，演示了带宽70 GHz，调制效率2.2 V·cm，调制速率112 Gbit/s 的高性能电光调制器，该混合集成结构将硅光CMOS 兼容和LNOI高性能调制的优势充分融合。
2021年，Marko Loncar 课题组在之前工作的基础上，采用容性加载行波电极，在石英衬底的TFLN平台上实现了微波损耗降低约3倍的高性能调制器，再次打破了LNOI带宽-电压的上限[5]。次年一月，又有科学家团队在铌酸锂薄膜平台首次实现了面向相干光通信的双偏振同向-正交(IQ)调制器，该调制器实现了CMOS兼容的驱动电压和高达110 GHz的电光带宽。得益于器件优异的带宽-电压表现，在电功耗仅1.04 fJ/bit时，实现了单载波1.96 Tb/s的净比特速率[6]。
（三）不止于高速电光调制器✦
3.1 偏振操控
2022年，基于偏振分立旋转器和级联多级马赫曾德尔干涉仪的结构，在TFLN平台上实现了集成的光学偏振操控芯片，包括了偏振发生器、扰偏器、偏振分析器、偏振控制器等主要功能。由于TFLN平台集低能耗、快速响应、无寄生调制损耗、低驱动电压、低光插耗等多种优势于一身，使得基于该平台的光学偏振操控器件在电压、长度、响应时间、损耗和工作带宽等方面均表现出优异的性能。
3.2 频率梳的产生
光学频率梳是一种具有离散、相干、等距的频率线组成的多波长光源。近几十年来，光频梳在计量学、光谱学、原子钟、光通信和微波光子学等不同领域得到应用并迅速发展。由于铌酸锂同时具有三阶非线性系数(n2= 1.8휐−19 m2/W)和泡克尔斯效应，因此在TFLN平台上可以实现克尔光频梳和电光频梳的产生。克尔频梳的产生需要超高质量因子的微腔，而TFLN平台正好可以提供超低的传输损耗。已有研究团队在TFLN平台展示了覆盖700 nm宽频谱范围的克尔频梳[7]。
电光频梳在微波光子学和光通信领域具有独特的优势。基于TFLN平台的微环谐振型电光频梳已展示了高重复频率，900根梳齿以及宽达80 nm的梳齿谱[8]。基于级联相位调制器和强度调制器的方案，可以提供平坦的梳齿谱，较高的梳齿功率和自由可调的梳齿间隔，可作为一个片上的密波分复用源[9]。
由于铌酸锂（lithium niobate, LN）具有飞秒量级响应速度的线性电光效应(泡克尔斯效应)，宽的透明窗口等物理特性，它已成为最受欢迎的电光调制器制造材料之一。基于体铌酸锂晶体的调制器在三十年前已实现商用化，表现出优良的性能。然而传统铌酸锂电光相位调制器依赖于弱光学限制的钛扩散或质子交换光波导，这使得它在调制效率、尺寸和带宽上已无法进一步提升。通过在薄膜铌酸锂(thin-film lithium niobate)集成平台刻蚀形成强光学限制的波导，为高性能、小型化电光调制的研发奠定了基础，是助力光通信网络突破带宽和瓶颈的关键技术。
（一）铌酸锂电光调制器发展历程✦
传统的LN调制器的调制效率较低(∼ 10 V·cm)，这主要归因于以下两点：(1) 离子扩散型光波导具有弱的光学约束（%u394n≈ 0.1），因此电极需要远离光波导以获得一个较小的金属吸收损耗；(2) 电极和LN之间的缓冲层进一步降低了调制效率。缓冲层对于Gb/s调制的体LN调制器是不可缺少的，它往往是低折射指数的材料（如二氧化硅），用于降低LN晶体上的微波模式指数（%u3F5LN = 4.6, 4.9），使其与光群指数（∼ 2.2）相匹配。
由于LN波导工艺制备难度较高：采用物理刻蚀的波导侧壁粗糙度较大，而采用化学刻蚀工艺难以去除重新沉积的副产物。因此，在TFLN 平台出现之初，研究者们仍倾向不直接加工铌酸锂薄膜。传统的质子交换波导被直接应用于TFLN 平台，并实现了较低的光传播损耗（0.2 dB/cm），但由于波导的横向光限制较弱，因此弯曲半径往往需要几个毫米。接着，在TFLN平台出现了各种脊加载型混合集成波导。脊加载的材料和尺寸需要仔细设计，以实现光模式与LN材料的最大化重叠因子（%u393LN）。更高的%u393LN意味着更多的光功率位于有效电光材料中，它也代表着光场和微波场重叠的上限，是影响调制效率的关键。大部分基于脊加载型波导的%u393LN < 0.7，且波导的弯曲半径仍较大。
如今，干法刻蚀工艺成为实现高限制、低损耗TFLN波导的最可靠的技术之一。电子束光刻技术或光刻技术被用来定义TFLN的波导图案，然后这些图案通过电感耦合等离子体刻蚀系统中的等离子体(例如氩气的Ar+) 转移到TFLN中。目前，干法刻蚀工艺制备的光波导的传输损耗可实现6 dB/m（637 nm）[1]。利用化学机械抛光光刻技术，可以进一步提高波导侧壁的光滑度，实现了4.2 dB/m（1550 nm）[2]。虽然目前TFLN 波导的传输损耗仍高于LN 材料的极限（1550 nm 时约0.2 dB/m），但它对于厘米尺寸的TFLN 调制器来说是可忽略不计的。
基于离子扩散波导的传统LN调制器，以及基于干法刻蚀脊波导的TFLN 调制器的各项关键参数的对比展示在表1中。明显可见，强束缚、低损耗TFLN 光波导的发展极大推动了TFLN 调制器综合性能的突破，将LN调制器推向了一个新的快速发展阶段。
表1 传统铌酸锂调制器与薄膜铌酸锂调制器的关键性能对比
（二）正蓬勃发展的铌酸锂薄膜电光调制器✦
2018 年哈佛大学Marko Loncar 课题组展示了基于干法刻蚀工艺TFLN 脊波导的高性能强度调制器，实现了半波电压低至1.4 V，3 dB 带宽为45 GHz，调制速度可以上至210 Gbit/s [3]。电压-带宽表现由传统调制器的∼ 3 GHz/V2大幅提升至23 GHz/V2。2019 年，有科学家团队演示了高性能Si/TFLN 异质集成调制器，演示了带宽70 GHz，调制效率2.2 V·cm，调制速率112 Gbit/s 的高性能电光调制器，该混合集成结构将硅光CMOS 兼容和LNOI高性能调制的优势充分融合。
2021年，Marko Loncar 课题组在之前工作的基础上，采用容性加载行波电极，在石英衬底的TFLN平台上实现了微波损耗降低约3倍的高性能调制器，再次打破了LNOI带宽-电压的上限[5]。次年一月，又有科学家团队在铌酸锂薄膜平台首次实现了面向相干光通信的双偏振同向-正交(IQ)调制器，该调制器实现了CMOS兼容的驱动电压和高达110 GHz的电光带宽。得益于器件优异的带宽-电压表现，在电功耗仅1.04 fJ/bit时，实现了单载波1.96 Tb/s的净比特速率[6]。
（三）不止于高速电光调制器✦
3.1 偏振操控
2022年，基于偏振分立旋转器和级联多级马赫曾德尔干涉仪的结构，在TFLN平台上实现了集成的光学偏振操控芯片，包括了偏振发生器、扰偏器、偏振分析器、偏振控制器等主要功能。由于TFLN平台集低能耗、快速响应、无寄生调制损耗、低驱动电压、低光插耗等多种优势于一身，使得基于该平台的光学偏振操控器件在电压、长度、响应时间、损耗和工作带宽等方面均表现出优异的性能。
3.2 频率梳的产生
光学频率梳是一种具有离散、相干、等距的频率线组成的多波长光源。近几十年来，光频梳在计量学、光谱学、原子钟、光通信和微波光子学等不同领域得到应用并迅速发展。由于铌酸锂同时具有三阶非线性系数(n2= 1.8휐−19 m2/W)和泡克尔斯效应，因此在TFLN平台上可以实现克尔光频梳和电光频梳的产生。克尔频梳的产生需要超高质量因子的微腔，而TFLN平台正好可以提供超低的传输损耗。已有研究团队在TFLN平台展示了覆盖700 nm宽频谱范围的克尔频梳[7]。
电光频梳在微波光子学和光通信领域具有独特的优势。基于TFLN平台的微环谐振型电光频梳已展示了高重复频率，900根梳齿以及宽达80 nm的梳齿谱[8]。基于级联相位调制器和强度调制器的方案，可以提供平坦的梳齿谱，较高的梳齿功率和自由可调的梳齿间隔，可作为一个片上的密波分复用源[9]。
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