铌酸锂光子晶体电光调制器

高速电光调制在许多领域拥有重要的应用，从光通信，微波光子学，频率计量到量子光子学。目前很多方法被用于电光调制，比如载流子等离子体色散、电吸收和Pockels效应。其中，Pockels效应在一个极宽频段内提供了超快和纯折射率调制，而没有引入额外的损耗。最著名的电光Pockels效应材料可能是铌酸锂(LiNbO3/LN)，它已广泛应用于电信领域。近年来，铌酸锂薄膜单片作为一种很有前景的实验平台，其低损耗、高质量的光子集成以及强大的Pockels效应促成了优越的调制性能，显示出作为光子集成电路和未来光子互连的优良介质的巨大潜力。能量效率对于电光调制器(EOM)的应用是至关重要的，它非常依赖于设备的物理尺寸。将电光调制器缩到较小的空间会降低器件电容，从而降低开关能量，而开关能量对于所有实际应用都是必不可少的。为此研究人员已经探索了多种方法，包括等离子体结构、开槽介质波导、光子微/纳米谐振器等。其中，凭借其在调控光局域以及光-物质相互作用的出色性质，光子晶体纳米谐振腔在这方面具有独特优势。尽管已经有很多工作研究LN光子晶体，但是器件质量不高，光电子集成性能差，严重限制了运行速度。到目前为止，在单片LN平台上实现波长尺度上的高速节能调制器仍然是一个开放的挑战。 

       最近，来自罗彻斯特大学的研究人员提出了一种高速度和高能量效率的LN光子晶体EOMs，它的电光模式体积只有~0.58μm3，在迄今报道的高速LN EOMs中是最小的。这个亚波长尺寸的EOM腔能够实现紧密的光电集成，不仅能达到远高于其他LN EOM谐振腔的高至16.0pm V-1（对应于1.98GHz V-1）的电光调节效率，还能实现一个17.5GHz的较大带宽，达到EOM腔光子寿命的极限。全片上设计实现了11.5 dB的全频消光比。该调制器能够在绝热和非绝热条件下高效率地实现高Q值光子腔模式的电光驱动，并能够实现11 Gb s-1的电光开关，而位开关能量低至22 fJ。在这个波长尺度上实现高效、高速的电光调制，为实现大规模LN光子集成电路奠定了重要基础，在数据通信、微波光子学、量子光子学等领域具有重要的应用价值。该工作以“Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator”为题发表在《Nature Communications》上。（华金国）

文章链接：DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17950-7