将电信号转换为光信号的电光调制器是长距离电信网络的关键组成部分。几十年来，铌酸锂(LN)调制器已成为主力技术，但是这些体积庞大，耗电量大的器件已经证明不适合集成在芯片级的电路上。这对于推动低功耗，超低损耗光子电路的发展非常不利，而且还阻碍了下一代通信、数据密集型传统计算和量子信息处理技术的进步。

　　图1 哈佛——诺基亚贝尔实验室的工作已将传统铌酸锂(LN)电光调制器(右)所体现的技术缩小为芯片级器件(中心)，据报道其效率提高了20倍

　　现在，由哈佛大学的OSA研究员Marko Lončar和诺基亚贝尔实验室的Peter Winzer领导的研究小组已经设计出一种从根本上缩小LN调制器的尺寸和驱动电压的方法(Nature，doi：10.1038 / s41586-018-0551-y)。结果是器件比现有的调制器小100倍，效率高20倍，而且还有一个用于片上集成的器件。研究人员设想新的调制器在从微波信号处理到光子神经网络计算的高带宽数据通信和其他领域的可重构光学电路中具有广阔的应用空间。

　　多年来，由于铌酸锂具有优异的电光性能，LN调制器得到了认可。特别地，LN晶体中的对称特性导致强烈的Pockels效应(即，随着外加电场，材料的光学性质发生变化)。反过来，这些材料特性意味着微小的施加电压变化可以在超快，飞秒时间尺度上改变晶体的折射率。当您尝试将现有电信网络中常见的钢笔大小的LN调制器缩小到可安装在芯片上大小时，就会出现问题。由于将波导蚀刻到铌酸锂中的基本挑战，因此电流产生型NB调制器必须依赖于具有相对大的模式尺寸和较小的光限制波导。这个缺点反过来又对其他设计细节施加了限制，迫使调制器在3到5 V的驱动电压下工作，远远超过通常CMOS电路正常工作所需的大约1 V电平。因此，LN调制器需要电放大，就要保持其大尺寸和大功耗。研究人员已经研究了其他材料，包括硅，磷化铟，聚合物和弹性表面，以开发芯片级调制器。不幸的是，这些替代方案都没有将LN调制器所具有的引人注目的电光特性组合在一起。

　　这项新工作背后的团队决定再次尝试制造芯片级LN调制器。为此，他们借鉴了Marko Lončar实验室以前的工作，该实验室采用了一种完全不同的方法来蚀刻铌酸锂(Optica，doi：10.1364 / OPTICA.4.001536)。在之前的工作中，也涉及当前研究的两位共同主要作者，Cheng Wang(现在香港城市大学)和Mian Zhang团队使用的技术，包括包括在CMOS兼容的绝缘层上铺设单晶600nm厚的LN薄膜。这种更易于蚀刻的材料组合，加上优化标准等离子蚀刻工艺的调整，使得研究小组能够对低损耗的LN亚波长波导进行干蚀刻，并将其制作成高质量的微环谐振器。

　　图2 集成调制器由Mach-Zehnder干涉仪配置的铌酸锂(LN)波导组成。随着电信号进入调制器，由于LN的强Pockels效应，周围电场的变化被转换为波导中折射率的变化，从而允许将电信号转换为光信号

　　对于这项新研究，该团队采用相同的技术在行波Mach-Zehnder干涉仪配置中制造集成调制器，其中LN波导作为干涉仪臂。在施加的电压时波导穿过介电间隙，在两个干涉仪臂上施加相反符号的微波电场。该场通过铌酸锂中的Pockels效应，以相反的方式改变两个干涉仪臂中的光学相位，将电压信号变为光学信号。

　　通过他们改进的蚀刻铌酸锂方法，研究人员发现他们能够制造出一个长1厘米，宽0.5厘米的调制器，比传统的LN调制器小100倍。调制器要求的驱动电压仅为1.4 V，在CMOS电路直接驱动的范围内，无需大体积放大器。而且这种器件可以支持高达210 Gbit / s的数据传输速率，采用更先进的调制器设计，速率高达1 Tbit / s。“这就像蚁人一样”，主要作者王在新闻发布会上说。“越小越快越好。”根据Peter Winzer的说法，这种新调制器的一个关键优势是它将加速在单个芯片上移动光学和电子设备的发展——为未来的光纤输入，光纤输出光电处理引擎铺平道路，其结果可能是各种快速，低损耗的光子电路和应用。

　　特别令人感兴趣的是，该研究得出结论，该器件具有低光损耗，良好的电光响应，集成和可扩展性的优势，可以帮助创建“新一代有源集成光电子电路，可以使用焦耳的电能在皮秒时间尺度上重新配置电能的焦耳。“该团队认为，这些电路可用于微波光子学，量子网络，拓扑光子电路和光子神经网络等领域。

　　哈佛大学的技术开发办公室与Marko Lončar的实验室一起创建了一家初创公司HyperLight，以将与此项工作相关的基础知识产权组合商业化。

　　信息来源：Optics Photonics