电光调制器能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要求。
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，高速拓扑调制器几乎还未得到研究。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。
创新研究
近日，上海交通大学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、低功耗、大带宽高速电光调制器。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。实验结果表明，该高速电光调制器具有5.4fJ/bit的超低能耗和104GHz的大带宽，而长度仅为140μm。
图1 一维拓扑高速电光调制器示意图
该工作中，研究团队研究了一维拓扑光子晶体中拓扑边界态的相位变化，并以此映射到氮化硅加载薄膜铌酸锂平台上的一维拓扑光子晶格波导中，如图2 (a)~(h)所示。根据Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型理论和仿真，计算出左右两个拓扑光子晶体的扎克相和拓扑不变量和的符号，当符号相反时，在带隙的中间位置可获得拓扑边界态。
得益于拓扑腔长度短和光场强约束性，研究人员通过在该一维拓扑光子晶格波导两侧制备金属电极，利用拓扑边界态实现了大带宽、低能耗的高速电光调制，器件的显微镜照片和和扫描电镜图 如图2(i)~(k)所示。调制器的面积为1.6×140μm2，实验测得的拓扑腔谐振波长移动效率为11pm/V。微腔型电光调制器的电光带宽会受腔内光子寿命长的限制，本工作利用拓扑腔的峰值增强效应打破光子寿命的限制，3-dB调制带宽可以达到104GHz。为进一步展示调制器的信号调制性能，研究人员进行了片上高速信号调制传输实验。实验结果显示，所制备的调制器可产生100Gbps的非归零 (NRZ)信号和四电平脉冲调幅 (PAM4)信号，其误码率低于7%的硬判决前向纠错阈值（3.8×10-3），验证了该调制器可以用作片上高速光信号的产生。
图2 拓扑相变的基本原理与应用。(a, b, c, d) 一维拓扑光子晶体能带和拓扑边界态仿真及其扎克相计算。(e, f, g, h) 集成薄膜铌酸锂平台上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。
前景展望
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，不仅尺寸小，而且能够灵活控制Q值和模式体积，同时严格保持单模工作，避免了多模式控制的问题。该拓扑调制器在尺寸、带宽、速度和能耗方面表现出优异的性能，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。研究人员将拓扑光子器件的响应时间从微秒量级提升到皮秒量级，促进了拓扑结构在光通信，微波光子学和量子信息处理等领域的应用。
该研究成果以"High-speed electro-optic modulation in topological interface states of a one-dimensional lattice"为题在线发表在Light: Science & Applications。上海交通大学是第一单位，张永副研究员是论文的第一作者，通讯作者是上海交通大学电子信息与电气工程学院张永副研究员和苏翼凯教授。田永辉教授和董建文教授为该项研究提供了宝贵的建议和指导，上海交通大学先进电子材料与器件校级平台（AEMD）提供了重要的工艺支撑。该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点/面上等项目的资助。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01251-x
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