上海交大在一维拓扑边界态的高速电光调制芯片方面取得重要进展

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院苏翼凯教授课题组张永副研究员联合兰州大学田永辉教授和中山大学董建文教授，通过研究基于氮化硅加载薄膜铌酸锂平台的一维拓扑边界态模式生成原理，提出一种基于一维拓扑晶格波导的超紧凑、大带宽、低能耗高速电光调制器。得益于一维拓扑晶格波导的强约束性和鲁棒性，该拓扑光子微腔的长度短，并且严格保持单模工作，避免了多模式控制的问题。相关成果以“High-speed electro-optic modulation in topological interface states of a one-dimensional lattice”（一维晶格拓扑界面态的高速电光调制）为题发表于国际著名光学期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

电光调制器将电信号转变为光信号，是光通信、太赫兹无线通信、微波信号处理和量子技术的核心器件。下一代电光调制器需要小尺寸、大带宽、低功耗和高密度集成，现有基于马赫-曾德尔干涉仪或微腔结构的电光调制器难以满足这些需求。

拓扑光子结构具有抑制后向散射、强光学约束能力和对缺陷免疫的鲁棒性光传输特点，近年来受到很大关注，被用于实现多种高性能集成光电子器件、非线性器件与量子器件。当前大多数拓扑光子器件的响应时间较慢，约在微秒量级，高速拓扑调制器鲜有报导。将拓扑边界态与薄膜铌酸锂结合有望大幅加快拓扑器件的响应时间，应对下一代电光调制器的挑战。

创新成果

针对拓扑光子的优势和现有电光调制器存在的问题，团队研究了一维拓扑光子晶体组成的拓扑边界态的相位变化，并以此映射到薄膜铌酸锂沉积氮化硅平台上的一维拓扑光子晶格波导，如图1所示。

图1 一维拓扑高速电光调制器示意图

如图2 (a) ~ (h)所示，根据Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 理论模型和数值仿真，计算出左右两个拓扑光子晶体的扎克相和拓扑不变量的符号，当符号相反时，在带隙的中间处获得拓扑边界态。为利用拓扑腔长度短及其光场强约束性的优点，研究人员在薄膜铌酸锂沉积氮化硅平台上的一维拓扑光子晶格波导两侧制备了金属电极，从而在拓扑边界态上实现了大带宽、低能耗的高速电光调制，器件的显微镜照片和扫描电镜图 (SEM) 如图2 (i) ~ (k)所示。调制器面积为1.6x140 μm²，所测得的拓扑腔谐振波长调谐效率为11 pm/V。利用拓扑腔的峰值增强效应打破光子寿命的限制，调制器的调制带宽可以达到104 GHz。为进一步展示调制器的数据调制性能，研究人员进行了片上高速数据调制传输实验。实验结果显示，所制备的调制器最高可支持100 Gbps的非归零 (NRZ) 信号和四电平脉冲调幅 (PAM4) 信号传输，其误码率低于7%的硬判决前向纠错阈值3.8x10⁻³，验证了该调制器可以用作片上的高速数据通信调制器件。

图2 拓扑相变的基本原理与应用。(a, b, c, d) 一维拓扑光子晶体介质层能带和拓扑边界态仿真及其扎克相计算。(e, f, g, h) 基于薄膜锂铌酸锂上沉积氮化硅平台的一维拓扑光子晶格波导能带和拓扑边界态仿真。(i, j, k) 所制备器件的光学显微镜图和SEM照片

通过研究基于拓扑边界态的高速电光调制，研究人员发现与传统结构波导相比，超紧凑的拓扑腔具有强光场约束性和鲁棒性，不仅长度小，而且拓扑腔允许灵活控制Q值和模式体积，同时严格保持单模工作，避免多模式控制。因此，调制器在尺寸、带宽、速度和能耗方面表现优异，在全集成薄膜铌酸锂光子学中展示出高速调制的巨大前景。研究人员将拓扑器件的响应时间提升到皮秒量级，有望促进拓扑集成器件在光通信、微波光子学和量子信息处理等领域的应用。