薄膜铌酸锂光电融合芯片

导读

近年来，随着电子芯片技术与光子芯片技术的深度融合，基于电光调制的光电调控已成为构建下一代高速、低功耗系统的关键技术。借助薄膜铌酸锂（TFLN）这一突破性平台，集成光电调控不仅实现了强耦合、极低光损耗与宽带微波响应，还促使传统的体材料器件向芯片级集成方向迈出了决定性步伐。近日，北京大学物理学院、哈佛大学应用科学学院，新加坡国立大学材料科学与工程系联合在Nature Reviews Physics发表综述文章 “Integrated electro-optics on thin-film lithium niobate”。

文章结合最新综述成果，以“基本原理”、“电光器件”、“异质集成”以及“新兴应用”四大部分为主线，全面解析TFLN在电光调制与集成光电调控领域取得的重大突破以及未来发展前景，展示了它在通信、计算、量子信息、激光雷达等领域的广阔应用前景。文章第一作者为北京大学物理学院研究员胡耀文，通讯作者为北京大学物理学院研究员胡耀文、新加坡国立大学助理教授朱迪、哈佛大学讲席教授Marko Lončar。

一、基本原理：从电光效应到器件演进

电光效应作为电子与光子两大领域间的纽带，一直是现代通信、传感与量子应用的核心技术。传统电光调制主要基于Pockels效应——在外加电场作用下，材料的折射率发生改变，从而使传输光信号获得附加相位调制。TFLN具备高达31 pm/V的Pockels系数以及低光学损耗和宽微波带宽，使得光子与微波场之间实现了更高效的耦合。

随着器件设计和纳米制造技术的迅猛发展，科研人员提出了多种电光调制建模与分析方法，以便深入研究不同频率与空间模式之间的交互过程。在电光调制的建模中，传统的相位变化理论描述光场因电场作用而获得的调制效应，模式耦合理论将调制过程视为不同频率模式间的能量交换，从而更准确地描述复杂系统中多模耦合的特性。理论与技术的双重驱动，使得TFLN平台在集成光电调控中迅速崛起，成为实现高带宽、低功耗调制方案的重要技术基石。

图1：电光调制的形式化理论

图2：薄膜铌酸锂的基本原理与器件结构

二、电光器件：超越常规的光电调控

01
波导器件——实现高速、低耗调制

在集成光子学领域，TFLN波导调制器以其出色的性能成为最为广泛应用的电光器件之一。从相位调制器到幅度调制器，再到IQ调制器，TFLN技术通过在微尺度波导中嵌入精心设计的微波电极，实现了光信号的连续调控。采用行波式Mach–Zehnder调制器方案，不仅使半波电压降低至接近1V，而且突破了100 GHz以上的调制带宽；而双路IQ调制器则使得单波长数据传输速率达到了记录水平，为高速数据互连和大容量通信提供了有力支撑。这些成果充分证明了TFLN平台在实现低功耗与超高速调制方面的独特优势。

02
谐振腔及耦合腔器件——激发电光新物理

在单腔调制器件中，通过采用Fabry–Pérot和微环谐振腔等经典结构，光在腔内经过多次循环，实现了电光调制效应的显著增强。当微波信号作用于谐振腔时，腔内共振峰会发生微小偏移，从而实现频率调制及频率梳生成。最新研究表明，借助于对谐振腔的精细设计，单腔电光频梳不仅可达到80 nm以上的光谱跨度。同时，通过“频谱剪切”技术，利用单一正弦调制信号对脉冲光进行频移处理，为量子通信和高精度传感等宽带调制应用提供了有效技术支撑。

而在耦合腔器件方面，多个光学腔体间通过微波调制实现能级耦合，不仅使得光能在各腔之间得以精准传递，同时构成了多能级结构，能级之间的跃迁可以被电光效应激发。这种通过电光调制实现的能级跃迁，为高效频率转换、频移器件及微波光子系统开辟了全新的实现思路。尤其在采用“广义临界耦合”原理之后，人们成功克服了诸多非线性难题，使得频率转换效率与频梳生成效率实现数量级上的飞跃，展示了极高的实用价值和应用潜力。

图3：基于波导的薄膜铌酸锂电光器件

图4：基于光学腔的薄膜铌酸锂电光器件

三、异质集成：融合多种材料实现系统级突破

尽管TFLN在电光器件方面展现出卓越性能，但单一材料平台在器件集成度和制造工艺上依然面临一定瓶颈。为此，异质集成成为当前解决方案的热点。异质集成的核心目标在于将TFLN与硅、硅氮、III–V族半导体等成熟平台结合，既发挥各自优势，又克服单一材料制约，最终实现全功能、系统级的光电芯片。

当前，TFLN与硅/硅氮平台的集成技术已取得重大突破。利用“smart-cut”技术和硅基微纳加工工艺，成功突破了铌酸锂在刻蚀及CMOS兼容性方面的难题。同时，通过异质集成，还能将激光器、光探测器等关键器件引入系统。例如，将III–V族激光芯片与TFLN进行有机贴合，可实现微波注入锁模、窄线宽激光器及外腔激光器的高功率输出；此外，通过直接粘合工艺，还能集成超高速光探测器，为高速光通信系统提供强有力的硬件支持。尽管目前异质集成后的整体性能在某些指标上仍略逊于单片TFLN器件，但借助于波导设计优化、模场耦合效率提升和大规模工艺标准化，未来异质集成技术必将成为推动TFLN平台产业化和大规模应用的关键突破口。

四、新兴应用：开辟光电融合芯片新纪元

TFLN不仅在传统的光通信、数据中心和微波光子学等领域表现优异，其在新兴科技应用中的潜力也日益凸显。伴随着互联网、人工智能和大数据的快速发展，全球对高速、低能耗和高集成度光电融合芯片的需求持续攀升，而TFLN平台正逐步引领这一领域的技术革新。

01
光子计算与加速器

在人工智能及大数据时代，传统的电子器件逐渐暴露出功耗高、运算速度受限等瓶颈。基于TFLN的集成电光系统，通过高速低耗调制器件、超宽带频率梳以及极低延时的光传输通道，为构建全光神经网络及光子计算平台提供了全新方案。利用频分复用技术，将多个传输通道集成到单一芯片内，实现大规模并行处理，将极大提升光子计算系统的整体效率，并有望在深度学习和图像处理等领域掀起变革。

02
量子光子学——探索量子世界的新窗口

在量子信息领域，TFLN平台以其低损耗、宽带宽和多模式耦合的独特优势，为量子通信、量子计算及量子传感提供了坚实技术保障。通过基于TFLN的频率梳和多腔耦合器件，研究者能够构建可调控、可重构的量子态网络，进一步实现单光子调控及量子纠缠传输。即使在极低温环境下，TFLN电光接口依然保持优异性能，为未来室温光学与超冷量子系统之间架设了一座“桥梁”，使得远距离量子网络互联成为现实的可能。

04
拓扑光子学与非厄米物理

依托于强大的电光调制效应，TFLN平台在主动拓扑光子学领域也正展现出无限潜力。通过引入微波调制构建光学上的合成维度，研究者不仅实现了拓扑边界态的观测，还开创了研究非厄米系统动态特性的新途径。这种全新的物理实验平台为高精度光传感器、无反射光学器件的设计提供了理论基础，并为未来高速光通信和精密测量技术的革新奠定了技术支撑。

05
超快调控与激光雷达

凭借其宽带和超快调控特性，在激光雷达及光学扫描系统中也展现出巨大应用前景。利用高精度电光调制器件，可以在极短时间内实现实时的光束偏转和频率扫描，为自动驾驶、环境监测以及机器人导航等领域提供了极具竞争力的技术解决方案。TFLN在低能耗和高效率调制方面的突出表现，有望推动下一代激光雷达系统向着更高精度、更低延时的方向发展，实现从微观光子调控到宏观系统应用的无缝衔接。

展望与结语

综上所述，TFLN引领的电光调制技术与光电融合芯片正以跨越式的发展步伐，深刻改变着集成光子学、电信、量子信息及光子计算等多个前沿领域。从最基本的Pockels效应出发，到多模式耦合与先进器件结构的不断演进，再到异质集成带来的系统级突破，TFLN平台无疑展示了其不可替代的优势与应用潜力。在理论与技术的双重驱动下，无论是高速低能耗的波导调制器，还是实现超高效率频移转换的多腔系统，均为未来全光信息处理、量子网络构建以及光子计算提供了坚实基础。随着工艺的不断优化和产业链的日益完善，TFLN有望在传统光通信领域持续突破，并在光子计算、量子信息、激光雷达等新兴应用中引领技术革新。各界研究者与产业精英正积极探索TFLN平台的无限可能，共同勾勒出一幅基于高效电光调制技术支撑的智能、绿色、互联未来图景。可以预见，凭借其综合性能优势和持续创新能力，TFLN将在全球信息技术革命中扮演举足轻重的角色，推动下一代电子与光子融合技术迈向更加广阔的前沿领域。