综述nature reviews physics｜薄膜铌酸锂上的集成电光器件
本帖最后由 hdy 于 2025-5-13 23:20 编辑电光技术连接了电子学与光子学，是通信、计算、传感以及量子信息等众多应用领域的基础。特别是集成电光方法，不仅为光子学提供了必不可少的高速电子控制能力，还为电子学引入了光子的并行处理特性。近年来，薄膜铌酸锂光子学的进展推动了其在电光领域的应用。这项技术不仅具备强电光耦合能力，还具有超低光学损耗和高微波带宽。其强场约束特性以及与现有纳米制造技术的兼容性，使其在可重构性与可扩展性方面表现出色，有助于实现传统块体系统中几乎不可能实现的器件和系统。
在这一平台的基础上，各类新型电光器件相继出现，不仅在性能上超越了当前先进水平，还引入了此前尚不存在的新功能。薄膜铌酸锂为探索多个物理前沿领域提供了独特的平台，包括光子非厄米合成维度、主动拓扑物理以及量子电光学等。在本综述将介绍电光学的基本原理，建立基础科学与前沿技术之间的联系，并探讨由薄膜铌酸锂平台推动的集成电光学的发展成就与未来前景。
[*]作为一种集成电光平台，薄膜铌酸锂实现了全集成的电子–光子电路，将光子的高并行性与低延迟优势与电子学的高速控制能力和强非线性特性相结合。
[*]薄膜铌酸锂平台的主要优势包括：强电光相互作用、低光学损耗、高微波带宽以及可扩展的可重构性。
[*]电光调制通过向光子添加或移除一个微波光子来介导不同模式之间的相互作用。
[*]电光相互作用受能量守恒、相位匹配和选择定则的约束，其相互作用形式在不同的调制机制下各不相同。
[*]薄膜铌酸锂独特地集成了电光效应与非线性特性，为探索复杂的非线性动力学提供了新机遇。
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综述
述
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图1：薄膜铌酸锂的基本原理与器件结构：a. 当光进入电光（EO）材料时，其相位会发生偏移，且该偏移量与施加在材料上的电压成正比。b. 薄膜铌酸锂（TFLN）晶圆示意图及其制备所用的“智能剥离（smart cut）”技术。坐标轴表示铌酸锂（LN）晶体的晶轴方向。c. 几种主要类型的TFLN电光平台的横截面结构。图中白色虚线箭头表示微波电场的分布方向。d. 三类主要电光器件示意图：波导型、谐振腔型以及耦合谐振腔型。虚线框标示了电极区域，在该区域内可实现电光调制。
图2：基于薄膜铌酸锂的波导型电光器件：Aa. 相位调制器（Phase modulators）将薄膜铌酸锂（TFLN）波导嵌入一对电极之间，即构成最基本的相位调制器。Ab.当电极上施加电压时，会改变铌酸锂（LN）的折射率，从而在输出的光场中引入相位变化。Ac.如果以正弦射频信号驱动该相位调制器，输入光谱将产生边带，这种结构也可作为频率混频器使用。Ad.通过各种动态调制方式，还可对输入光实现光谱控制。例如，线性增加的相位调制可实现输入光场的频率偏移。Ba. 幅度调制器（Amplitude modulators）将两个相位调制器组合成马赫–曾德尔干涉仪结构，即可实现幅度调制。Bb.典型的TFLN幅度调制器采用推–拉（push–pull）结构，在干涉仪两臂产生相反的相位变化，从而有效降低半波电压（Vπ）。Ca. 同相与正交调制器（IQ调制器）IQ调制器由一对幅度调制器构成，能够对输入光场的两个正交分量（同相分量和正交分量）进行独立调制，是相干通信系统中的关键器件（见图Cb）。Cc.通过合理设置相位偏置或直流偏置，IQ调制器还可实现单边带（SSB）调制，能够抑制不需要的边带，这对于光传射频（radio-over-fibre）、传感和微波光子学等应用至关重要。
图3：Fabry–Pérot型单腔器件（A部分）Aa.示意图展示了构建于薄膜铌酸锂（TFLN）上的Fabry–Pérot型单腔结构。Ab.两个光子晶体作为反射镜，形成包含电光（EO）材料的谐振腔。Ac.通过调控光子晶体的色散关系，可以借助带隙设计控制谐振模的出现位置，从而实现对谐振频率的灵活调节。
微环型单腔器件（B部分）Ba.微环谐振腔是另一种常见的单腔电光器件结构。Bb.通过调节谐振腔的本征频率，可实现幅度调制功能。Bc.此类电光谐振腔也可用于产生频率梳和构建合成晶体。
耦合腔器件（C部分）Ca.多级光学耦合腔可构建所谓的“光子分子”，用于频率调控。Cb.两级耦合构成的两能级光子分子结构。Cc.三腔耦合构成的三能级光子分子结构。这些结构可用于实现频率转换、非互易传输（如光隔离）等功能。
耦合光学腔与微波腔的混合系统（D部分）Da.当微波腔的本征频率与两个光学模式之间的模间隔匹配时，可构建光–微波混合谐振腔系统。Db.在红失谐泵浦下，可实现微波–光学信号的转换。Dc.在蓝失谐泵浦下，可产生微波–光子的成对激发，用于量子光子学研究。
总结与讨论随着最近 TFLN 上 EO 器件的快速发展，该领域正在从关注单个器件过渡到全面的片上系统方法。尽管这一平台的预期应用很多，包括电信、数据通信和微波光子学等领域，下面总结了几个新兴应用和未来机遇：
光子计算与加速器（Photonic computing and accelerators）集成电子-光子系统在TFLN平台上具有紧凑、低功耗、高带宽的优势，能有效应对AI和深度神经网络对计算速度和功耗的挑战。近年来，基于硅光子芯片、频率梳、相变材料、Mach-Zehnder干涉仪网络等多种架构的光子神经网络加速器被提出。TFLN平台的优势包括：高速EO调制器：兼容CMOS电压，具备高计算能力和可重构性。频率梳+EO调制器：实现大规模频分复用。III-V光电探测器集成：实现光学非线性激活和电-光转换。潜力：TFLN有望实现全光计算系统，并在未来形成与电子方案竞争甚至超越的光子神经网络架构。
量子光子学（Quantum photonics）TFLN具备低损耗、可扩展集成以及可实现光子-光子相互作用的特性，使其在量子通信与量子计算中极具吸引力。其关键应用包括：线性光量子计算：依赖于光束分离器与高带宽EO相位调制器。频域量子计算：通过频率梳和调制器实现高效的频域协议。准确定频与压缩光生成：基于周期极化的非线性过程，可用于光子对产生、量子频率转换、压缩态生成等。稀土离子掺杂：如铒或镱，进一步拓展量子存储与操控功能。声-光-电转导：通过压电耦合实现微波-光子或声子之间的信息互通。
主动拓扑光子学与非厄米物理（Active topological photonics and non-Hermitian physics）TFLN中微波耦合频率域光学晶格成为研究拓扑光子学和非厄米系统的理想平台：高灵敏微腔传感器：结合EO调制与压电效应提升性能。调制诱导规范场：EO调制可在光子中引入类规范场，为光子器件提供更多控制维度。频率晶体构建：实现合成频域维度中非平凡能带结构的探索。
非线性光子学（Nonlinear photonics）TFLN平台中强 的χ^(2) 和χ^(3) 非线性响应，为基础物理和应用器件开发提供了广阔空间：合成EO晶格中的非线性交互：通过Kerr效应引入强关联物理模型的模拟。非线性频率梳：在TFLN平台上可实现EO-Kerr梳、EO调谐Kerr梳等新型结构。集成增益与掺杂技术：如掺铒TFLN波导或反射式半导体光放大器，用于集成激光器、脉冲放大器或超连续谱源。应用场景：涵盖光学频率合成、天文光梳、毫米波/微波源、光学测距等。
超快调控（Ultrafast control）得益于TFLN的高EO系数、宽带宽与低损耗，其在超快调控领域表现出显著优势：光束控制与频率调谐：无机械部件实现高分辨率、高速的光束偏转。LiDAR应用：TFLN波导中强的光场约束提升调相效率，使其成为下一代激光雷达系统的重要候选材料。实时控制系统：在自动驾驶、遥感、机器人等场景下，TFLN光控器件实现了高精度、快速响应和可扩展性。
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