將電信號轉換為光信號的電光調制器是長距離電信網絡的關鍵組成部分。幾十年來，鈮酸鋰(LN)調制器已成為主力技術，但是這些體積龐大，耗電量大的器件已經證明不適合集成在芯片級的電路上。這對于推動低功耗，超低損耗光子電路的發(fā)展非常不利，而且還阻礙了下一代通信、數(shù)據(jù)密集型傳統(tǒng)計算和量子信息處理技術的進步。
圖1 哈佛——諾基亞貝爾實驗室的工作已將傳統(tǒng)鈮酸鋰(LN)電光調制器(右)所體現(xiàn)的技術縮小為芯片級器件(中心)，據(jù)報道其效率提高了20倍
現(xiàn)在，由哈佛大學的OSA研究員Marko Lon?ar和諾基亞貝爾實驗室的Peter Winzer領導的研究小組已經設計出一種從根本上縮小LN調制器的尺寸和驅動電壓的方法(Nature，doi：10.1038 / s41586-018-0551-y)。結果是器件比現(xiàn)有的調制器小100倍，效率高20倍，而且還有一個用于片上集成的器件。研究人員設想新的調制器在從微波信號處理到光子神經網絡計算的高帶寬數(shù)據(jù)通信和其他領域的可重構光學電路中具有廣闊的應用空間。
多年來，由于鈮酸鋰具有優(yōu)異的電光性能，LN調制器得到了認可。特別地，LN晶體中的對稱特性導致強烈的Pockels效應(即，隨著外加電場，材料的光學性質發(fā)生變化)。反過來，這些材料特性意味著微小的施加電壓變化可以在超快，飛秒時間尺度上改變晶體的折射率。當您嘗試將現(xiàn)有電信網絡中常見的鋼筆大小的LN調制器縮小到可安裝在芯片上大小時，就會出現(xiàn)問題。由于將波導蝕刻到鈮酸鋰中的基本挑戰(zhàn)，因此電流產生型NB調制器必須依賴于具有相對大的模式尺寸和較小的光限制波導。這個缺點反過來又對其他設計細節(jié)施加了限制，迫使調制器在3到5 V的驅動電壓下工作，遠遠超過通常CMOS電路正常工作所需的大約1 V電平。因此，LN調制器需要電放大，就要保持其大尺寸和大功耗。研究人員已經研究了其他材料，包括硅，磷化銦，聚合物和彈性表面，以開發(fā)芯片級調制器。不幸的是，這些替代方案都沒有將LN調制器所具有的引人注目的電光特性組合在一起。
這項新工作背后的團隊決定再次嘗試制造芯片級LN調制器。為此，他們借鑒了Marko Lon?ar實驗室以前的工作，該實驗室采用了一種完全不同的方法來蝕刻鈮酸鋰(Optica，doi：10.1364 / OPTICA.4.001536)。在之前的工作中，也涉及當前研究的兩位共同主要作者，Cheng Wang(現(xiàn)在香港城市大學)和Mian Zhang團隊使用的技術，包括包括在CMOS兼容的絕緣層上鋪設單晶600nm厚的LN薄膜。這種更易于蝕刻的材料組合，加上優(yōu)化標準等離子蝕刻工藝的調整，使得研究小組能夠對低損耗的LN亞波長波導進行干蝕刻，并將其制作成高質量的微環(huán)諧振器。
圖2 集成調制器由Mach-Zehnder干涉儀配置的鈮酸鋰(LN)波導組成。隨著電信號進入調制器，由于LN的強Pockels效應，周圍電場的變化被轉換為波導中折射率的變化，從而允許將電信號轉換為光信號
對于這項新研究，該團隊采用相同的技術在行波Mach-Zehnder干涉儀配置中制造集成調制器，其中LN波導作為干涉儀臂。在施加的電壓時波導穿過介電間隙，在兩個干涉儀臂上施加相反符號的微波電場。該場通過鈮酸鋰中的Pockels效應，以相反的方式改變兩個干涉儀臂中的光學相位，將電壓信號變?yōu)楣鈱W信號。
通過他們改進的蝕刻鈮酸鋰方法，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠制造出一個長1厘米，寬0.5厘米的調制器，比傳統(tǒng)的LN調制器小100倍。調制器要求的驅動電壓僅為1.4 V，在CMOS電路直接驅動的范圍內，無需大體積放大器。而且這種器件可以支持高達210 Gbit / s的數(shù)據(jù)傳輸速率，采用更先進的調制器設計，速率高達1 Tbit / s?！斑@就像蟻人一樣”，主要作者王在新聞發(fā)布會上說?！霸叫≡娇煸胶??！备鶕?jù)Peter Winzer的說法，這種新調制器的一個關鍵優(yōu)勢是它將加速在單個芯片上移動光學和電子設備的發(fā)展——為未來的光纖輸入，光纖輸出光電處理引擎鋪平道路，其結果可能是各種快速，低損耗的光子電路和應用。
特別令人感興趣的是，該研究得出結論，該器件具有低光損耗，良好的電光響應，集成和可擴展性的優(yōu)勢，可以幫助創(chuàng)建“新一代有源集成光電子電路，可以使用焦耳的電能在皮秒時間尺度上重新配置電能的焦耳?！霸搱F隊認為，這些電路可用于微波光子學，量子網絡，拓撲光子電路和光子神經網絡等領域。
哈佛大學的技術開發(fā)辦公室與Marko Lon?ar的實驗室一起創(chuàng)建了一家初創(chuàng)公司HyperLight，以將與此項工作相關的基礎知識產權組合商業(yè)化。
信息來源：Optics Photonics