上海交大张永、苏翼凯课题组在一维拓扑鸿沟态的高速电光调制芯片方面取得重要发展

  近来，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讨员联合兰州大学田永辉教授和中山大学董建文教授，经过研讨依据氮化硅加载薄膜铌酸锂渠道的一维拓扑鸿沟态形式生成原理，提出一种依据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束缚性和鲁棒性，该拓扑光子微腔的长度短，并且严厉坚持单模作业，防止了多形式操控的问题。相关效果以“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）为题发表于世界闻名光学期刊《Light: Science & Applications》。\

  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能的中心器材。下一代电光调制器需求小尺度、大带宽、低功耗和高密度集成，现有依据马赫-曾德尔干涉仪或微腔结构的电光调制器难以满意这些需求。

  拓扑光子结构具有按捺后向散射、强光学束缚才能和对缺点免疫的鲁棒性光传输特色，近年来遭到很大重视，被用于完结多种高功能集成光电子器材、非线性器材与量子器材。当时大多数拓扑光子器材的呼应时刻较慢，约在微秒量级，高速拓扑调制器鲜有报道。将拓扑鸿沟态与薄膜铌酸锂结合有望大幅加速拓扑器材的呼应时刻，应对下一代电光调制器的应战。

  针对拓扑光子的优势和现有电光调制器存在的问题，团队研讨了一维拓扑光子晶体组成的拓扑鸿沟态的相位改变，并以此映射到薄膜铌酸锂堆积氮化硅渠道上的一维拓扑光子晶格波导，如图1所示。

  如图2 (a) ~ (h)所示，依据Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 理论模型和数值仿真，核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，在带隙的中心处取得拓扑鸿沟态。为使用拓扑腔长度短及其光场强束缚性的长处，研讨人员在薄膜铌酸锂堆积氮化硅渠道上的一维拓扑光子晶格波导两边制备了金属电极，从而在拓扑鸿沟态上完结了大带宽、低能耗的高速电光调制，器材的显微镜相片和扫描电镜图 (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功率为11 pm/V。使用拓扑腔的峰值增强效应打破光子寿数的束缚，调制器的调制带宽能够到达104 GHz。为进一步展现调制器的数据调制功能，研讨人员进行了片上高速数据调制传输试验。试验成果为，所制备的调制器最高可支撑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%的硬判定前向纠错阈值3.8x10⁻³，验证了该调制器能够用作片上的高速数据通信调制器材。

  图2 拓扑相变的根底原理与使用。(a, b, c, d) 一维拓扑光子晶体介质层能带和拓扑鸿沟态仿真及其扎克相核算。(e, f, g, h) 依据薄膜锂铌酸锂上堆积氮化硅渠道的一维拓扑光子晶格波导能带和拓扑鸿沟态仿真。(i, j, k) 所制备器材的光学显微镜图和SEM相片

  经过研讨依据拓扑鸿沟态的高速电光调制，研讨人员发现与传统结构波导比较，超紧凑的拓扑腔具有强光场束缚性和鲁棒性，不只长度小，并且拓扑腔答应灵敏操控Q值和形式体积，一起严厉坚持单模作业，防止多形式操控。因而，调制器在尺度、带宽、速度和能耗方面体现优异，在全集成薄膜铌酸锂光子学中展现出高速调制的巨大远景。研讨人员将拓扑器材的呼应时刻提升到皮秒量级，有望促进拓扑集成器材在光通信、微波光子学和量子信息处理等范畴的使用。

  论文首要完结人：上海交通大学是论文的榜首完结单位，张永副研讨员是仅有榜首作者，通讯作者为张永副研讨员和苏翼凯教授。田永辉教授和董建文教授为该项研讨供给了名贵的建议和辅导，上海交通大学先进电子资料与器材（AEMD）校级渠道供给了重要的工艺支撑。

  赞助信息：该作业得到国家要点研制方案、国家天然科学基金要点/面上等项目的赞助。

  期刊信息：《Light: Science & Applications》创刊于2012年3月29日，是由中国科学院长春光机所与英国天然出书集团(NPG)协作出书的世界光学范畴全英文敞开获取学术期刊。2013年10月先后被世界闻名检索系统SCI及Scopus录入。2022-2023年影响影子19.4。