摘要

具有高調制效率和寬帶寬的電光（EO）馬赫-曾德爾調制器（MZM）對大容量光通信系統至關重要。迄今為止，薄膜鈮酸鋰（TFLN）MZM因其卓越的電光帶寬和緊湊性而成為極具前景的解決方案。然而，受限于電場與光場的限制效率不足而導致的低調制效率，集成TFLN MZM的長度仍然長達數毫米至數厘米。這一缺陷既阻礙了其在并行或復用領域的大規模集成，也妨礙了其與緊湊電子元件進行經濟且高效地集成。

本研究通過將亞波長等離子體槽波導與TFLN平臺融合，突破光學衍射極限形成強場限制，從而增強電光重疊和光—物質相互作用，成功攻克了該難題。在僅15微米的超短長度下，實現了0.070 V cm的創紀錄調制效率。該等離子體TFLN MZM展現出超過110 GHz的3dB電光帶寬，可傳輸110 Gbaud二進制相移鍵控信號，其比特誤碼率低至2.5×10??。本文展示的等離子體TFLN MZM提供了一種極具前景的解決方案，可應用于未來光互連、光計算及光傳感功能所需的超高速、大規模光子集成系統。

1.引言

電光調制器是光電信息系統中的關鍵組件之一，用于將電信號編碼到光載波上。在眾多結構中，馬赫-曾德爾調制器（MZM）憑借其在推挽結構中實現線性振幅調制與無頻移數據編碼的卓越能力，已成為光通信、模擬光子學及光子計算領域廣泛應用的核心器件。

過去數十年間，隨著制造技術與應用場景的快速發展，MZM已在多種材料平臺上實現。體鈮酸鋰（LN）MZM作為商用長途光纖通信系統中電光調制器的主流選擇，其優勢源于Pockels效應賦予的固有線性電光特性、高光學透過率及長期可靠性。然而體材料的固有特性限制了器件尺寸微型化，進而阻礙電光帶寬提升。通過先進微/納米制造技術已實現集成調制器，例如基于硅的MZM可提供高集成密度且兼容成熟CMOS工藝，而基于III-V族材料的MZM雖因高載流子遷移率支持寬電光帶寬，卻存在溫度敏感性高的問題。

然而，這些緊湊型集成調制器面臨共同的根本性挑戰：其固有線性電光調制響應不足——源于Free-carrier色散或Franz-Keldysh效應、quantum-confined Stark效應、Pockels effect效應的綜合影響——實現超過100GHz的模擬調制帶寬始終是長期未解難題，直至近期才通過slow-light效應、time-frequency均衡以及光波導與電極的協同優化等手段獲得零星報道。

近年來，薄膜鈮酸鋰（TFLN）作為突破現有性能瓶頸的潛力平臺嶄露頭角，它能夠同時兼顧塊體鈮酸鋰（LN）卓越的電光特性與可擴展的光子集成技術。TFLN MZM器件性能持續突破：實測3dB電光帶寬突破170GHz，線性度顯著提升，無雜散動態范圍達120.04 dB Hz?/?，近期更實現8英寸晶圓級制造，為高速光通信與微型化毫米波雷達系統的大規模應用鋪平道路。

然而，由于調制效率Vπ?L約為2Vcm，傳統的TFLN MZM通常具有毫米至厘米級的物理長度。這種尺寸限制嚴重阻礙了其在大規模高密度光子集成中的應用，也妨礙了與微尺度電子元件及其他組件在新興共封裝光學系統中進行經濟地共集成——該領域嚴苛的尺寸要求迫切需要超緊湊型高速TFLN調制器。

為提升調制效率，研究者已開展多項重要工作：通過包層材料工程增強電場，或利用光學諧振結構強化光-物質相互作用。但性能提升與體積縮減僅實現數倍增長，最高調制效率達0.21伏0.21Vcm，器件長度為360μm。長程表面等離激元技術有望在LN基板和金屬帶線的材料界面處實現電場與光場的強限制。初步研究顯示其調制效率達0.23Vcm，電光調制帶寬受限于固有阻抗失配為3GHz。迄今，在TFLN MZMs中同時實現超緊湊占用面積、高調制效率與大電光帶寬仍難以實現。相比之下，采用金屬-絕緣體-金屬結構的等離子體槽波導（PSW）不僅能實現優異的電場——光場限制與重疊，其帶寬更可延伸至太赫茲頻段。然而，如何構建兼具高效率與寬帶寬的PSW TFLN MZM仍屬未開發領域。

在本研究中，我們通過利用具有強電場與光場限制特性（低于光學衍射極限）的PSW，實驗性地演示了等離子體TFLN強度調制器。我們實現了創紀錄的0.070Vcm調制效率——較傳統介質波導TFLN調制器降低兩個數量級，并在僅15微米的超短長度下實現了超過110GHz的電光帶寬?；谠撔滦偷入x激元槽式TFLN調制器，我們成功實現110Gbaud BPSK信號傳輸，其比特誤碼率(BER)達2.5×10??，能耗僅為0.82pJ·bit?1。該等離激元MZM首次將LN固有的大、快速Pockels EO系數與納米尺度PSW中前所未有的增強光-物質相互作用相結合。此類新型器件及其卓越性能，非常適合用于未來高速、高密度光子集成系統，可應用于光計算、光通信或光傳感功能。

2.結果

2.1器件設計與制備

所提出的等離子體TFLN調制器由兩個PSW-LN移相器構成，其采用馬赫-曾德爾干涉布局嵌套排列（圖1a）。我們采用推挽驅動方案，向兩個移相器臂施加等幅反相射頻信號，從而有效抑制電光調制中的chirp效應，實現比單移相器高兩倍的調制效率。該PSW利用Au-LN界面間的表面等離激元，實現電場與光場的強限制與重疊，從而顯著提升調制效率，其增強效果可通過公式量化描述。

其中λ為光學波長，n為LN折射率，??為電光系數，G為電極間隙寬度，Γ表示等離子體-LN槽中電場（射頻）與光場的電光重疊因子（Γ的詳細計算見實驗部分）。我們優化了結構參數，包括150納米厚的金層（  ）、180納米寬的PSW上間隙（  ）以及70度的側壁傾斜角（見圖1a插圖）。射頻場（圖1b）和光場（圖1c）均在亞波長plasmonic-LN槽中受到強限制。這些限制和重疊導致EO重疊因子Γ為0.91，與傳統的TFLN MZM相比提高了2倍。同樣重要的是，PSW的金屬結構同時充當集總電極。得益于強烈的場限制效應，電極間隙寬度G可縮小至180納米，約為傳統TFLN MZMs的20分之一。參考公式(1)，這種增強的場相互作用(Γ)以及與納米級電極間隙(G)相對應的大電場強度顯著提高了調制效率，并使MZM在器件緊湊性方面超越了以往的工作。

圖 1 a) 等離子體 TFLN MZM 的示意圖。插圖：無金屬沉積的槽波導的彩色 SEM 截面圖像。b) 相移器兩臂上的電場 E RF 。c) 相移器兩臂上的光場 E opt 。d) PSW MZM 的簡化制造過程。EBE：電子束蒸發，EBL：電子束光刻，ICP：感應耦合等離子體。彩色 SEM 圖像顯示等離子體 e) TFLN MZM，f) 相移器，以及 g

為驗證該方案，我們自主制備了等離子體TFLN MZM（圖1d）。在180納米寬的等離子體槽上方進行傳統單步剝離工藝時，會導致金屬同時沉積在窄光刻膠的兩側壁上，在剝離過程中無法完全去除。相比之下，我們采用兩步剝離工藝，分別定義每個電極，在每次金屬化步驟中保持電極尺寸的剝離區域，從而能夠可靠地制造具有高結構保真度的納米間隙等離子體電極（詳見方法部分的詳細制造工藝）。圖1e展示了所制備MZM的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。器件采用多模干涉（MMI）實現光束合分，并通過不對稱馬赫-曾德爾干涉儀構建推挽結構，兩臂路徑差達100微米，從而獲得10.4納米的自由光譜范圍（FSR）。

在實驗中，我們將激光器波長對準正交偏置點，以確保線性和高效率的EO調制。與此同時，我們采用地-信號-地（GSG）集總電極布局以實現寬帶電響應。移相器的長度僅為15微米（圖1f），較傳統TFLN MZM縮小兩個數量級。通過光子/等離子體模式轉換器將LN波導的光學模式轉換為相移器的PSW模式（圖1g）。此外，PSW中緊湊的Au電極天然具有低RC常數特性，可支持太赫茲帶寬的電光調制。因此，經PSW增強的TFLN MZM有望實現超高效率、超緊湊尺寸及超寬帶寬。

我們優化了PSW TFLN MZM的設計，包括PSW的橫截面尺寸（圖2a）、光子/等離子體模式轉換器（圖2b）以及MMI（圖2c）。圖2a展示了PSW的橫截面尺寸，其上層間隙寬度為180納米，金層厚度為150納米。調制效率與插入損耗之間存在權衡關系。我們通過有限元法模擬了調制效率與插入損耗的變化，并采用這兩項指標的乘積來評估Vπ效應及其相關損耗的綜合影響。如圖2d所示，為了實現高效的模式轉換，槽高度被選擇為150nm，這也被用于光柵耦合器（GC）、LN脊波導、MMI和PSW的相同刻蝕深度，以簡化制造工藝。至于槽寬，該品質因數隨著槽寬的減小而降低，因為當槽寬減小時，調制效率值（Vπ?L）的下降速度快于損耗的增加速度。這表明減小槽寬是提高損耗和調制效率性能的一種可行方法。然而，更窄的槽寬會增加槽的電容，從而限制調制器的帶寬。然而，更窄的槽寬會增加槽孔引起的電容效應，從而限制調制器帶寬。

此外，在制造中實現小槽寬器件相當具有挑戰性，因為它需要高精度的光刻、蝕刻和定位?？紤]到這些因素，我們制備了一個能夠兼顧調制效率、帶寬與制造可行性的槽寬結構。最終制備的PSW具有180nm的Wgap，模擬調制效率為0.075Vcm，模擬損耗為0.56dBμm?1。我們使用時域有限差分法（FDTD）優化了模式轉換器和MMI結構（圖2b,c）。模式轉換器在z方向上的電場分量Ez如圖2e所示，展示了從波導模式到等離子體模式的有效耦合。當LN錐形長為490nm、Au錐形長為980nm時，單個模式轉換器在1550nm波長下實現6.4dB插入損耗。因此，有效電極Pad長度約為17μm。圖2f展示了MMI結構的相應電場傳輸分布。該結構尺寸為6.9×28μm，在1550nm波長下模擬插入損耗為0.2dB，實現了高效的50:50分路/合束。圖2g展示了波長1520nm至1580nm范圍內模式轉換器與MMI的模擬損耗曲線。

基于上述設計方案，我們成功制備了MZM并測量其傳輸特性。圖2h展示了MZM的實驗傳輸特性（扣除光柵耦合器損耗），其消光比超過15dB，總插入損耗為24.5dB。在理想模擬條件下，移相器貢獻約8.4dB插入損耗，兩個模式轉換器貢獻12.8dB，兩個MMI貢獻0.4dB，總損耗為21.6dB。這意味著制備過程導致了額外2.9dB的損耗。此外，在1520nm至1580nm的寬波長范圍內，測量響應保持均勻，彰顯了該器件的寬帶光學工作能力。未來改進措施（如引入高耦合效率邊緣耦合器和模式轉換器）將進一步降低PSW TFLNMZM的整體插入損耗。

圖 2 a) PSW橫截面尺寸示意圖，b) 模式轉換器示意圖，c) MMI示意圖。d) 調制效率與損耗的乘積與橫截面尺寸的關系。e) 模式轉換器的模擬Ez分量。f) MMI的模擬E分量。g) 模式轉換器與MMI的模擬插入損耗。h) 測得的所提MZM傳輸光譜（已扣除GCs插入損耗4.9 dB/端面）。

2.2器件電光特性

圖3a展示了用于測量調制效率和電光帶寬的實驗裝置，分別采用峰值與邊帶功率比法和矢量網絡分析儀（VNA）的  曲線測量法（詳見實驗部分）。首先，通過110GHz矢量網絡分析儀（Keysight PNA N5227B配合N5293AX03擴頻器）進行  曲線測量，直接測量電光帶寬。其頻率響應在10MHz至110GHz范圍內衰減小于3dB，展現出卓越的高速性能（圖3b）。該寬帶特性主要歸功于超緊湊PSW結構的低電容與低電感特性，以及LN Pockels效應的瞬態響應（詳見實驗部分）。

隨后為了分析調制信號的光譜特性，我們采用光譜分析儀（OSA）進行測量，其結果與S21曲線吻合（圖3b）。但頻率受限于矢量網絡分析儀的帶寬。我們將激光器波長設置在正交點，并選擇矢量網絡分析儀生成的15至35GHz范圍內的多個射頻頻率來獲得調制效率。參考載波與第一階邊帶的光譜（圖3c），通過貝塞爾函數計算得出15至35GHz頻率范圍內的調制效率為0.070～0.083Vcm（詳見實驗部分），該值與模擬結果高度吻合。實驗室測量在20GHz處出現的突然下降源于VNA輸出功率的急劇下降（詳見實驗部分）。通過結合電光S21參數與絕對射頻調制效率，計算得出10MHz時低頻調制效率為0.061Vcm。這些實驗結果表明，PSW TFLN MZM在實現高效率、大帶寬、高密度集成光子系統方面具有廣闊前景。

圖 3 a) 調制效率與頻率響應測量實驗裝置。TLS：可調諧激光源，EDFA：摻鉺光纖放大器，PC：偏振控制器，OSA：光譜分析儀，PD：光探測器，VNA：矢量網絡分析儀。b) 通過VNA和OSA測量射頻頻率下的頻率響應特性。c) 直接從OSA獲取的射頻信號對應的光譜圖。

為展示其在高速光通信方面的潛力，我們利用實驗裝置（圖4a）驗證了MZM的高速數據傳輸性能。數據傳輸實驗采用由70GHz任意波形發生器（AWG，Keysight M8199A）生成的BPSK信號，數據速率高達110Gbaud，輸入波長調諧至MZM的零點（參見實驗部分）。圖4b–g分別展示了由光調制分析儀（OMA，Keysight N4391B）接收的60–110Gbaud BPSK信號的眼圖和誤碼率（BER），以及由59GHz實時示波器（Keysight UXR0594A）捕獲的眼圖和BER。如圖4h所示，所有測試數據速率下的BER均遠低于2×10?4的5.8%KP4前向糾錯（FEC）閾值。

值得注意的是，在110Gbaud時測得的BER為2.5×10  ，表明其在高速數據傳輸方面表現出色。此外，通過將測量的  曲線與帶寬測試期間加載的微波功率進行擬合，計算得出MZM的能量消耗為0.82pJ bit  （參見實驗部分中的詳細計算）。值得注意的是，大面積接觸電極Pad將電容增加到29fF，導致PSW MZM的帶寬和能量效率受限。仿真結果表明，將電極Pad尺寸減小到17×1.5μm的面積，可將電容進一步降低到11fF，并將帶寬擴展到≈300GHz，同時將能量消耗減少到0.31pJ bit  。這些結果驗證了TFLN與PSW結構的結合對于高容量、低能耗的光通信系統具有巨大的潛力。

圖 4 a) MZM數據傳輸實驗裝置。OMA：光調制分析儀，ATT：衰減器，AWG：任意波形發生器，EA：電放大器。b) 60、c) 70、d) 80、e) 90、f) 100、g) 110 Gbaud BPSK信號的測量眼圖與誤碼率。h) BPSK信號誤碼率隨數據速率變化的曲線。所有BPSK信號測量結果均遠低于5.8% KP4前向糾錯閾值。

3.討論與結論

在本研究中，我們首次將PSW結構引入TFLN平臺，顯著提升了TFLN MZM的調制效率至0.070Vcm，實現了15微米長的調制區域和超過110GHz的3dB帶寬。如表1所示，相較于現有最先進的TFLN MZM，本設計大幅縮小了調制區域尺寸，為更高密度的大規模光子集成奠定了堅實基礎。

同時，不同于工作帶寬受諧振波長限制的諧振輔助或慢光結構，本PSW MZM支持更寬的光學帶寬，展現出卓越的效率與高速性能。盡管受測試設備限制，我們已驗證調制器帶寬可突破110GHz，通過優化電學結構可進一步提升性能以探索太赫茲帶寬工作。盡管當前相位調制器表現出相對較高的插入損耗和47V的Vπ值，后續研究可聚焦于制備工藝優化：提升液氮的刻蝕質量、最小化金屬接觸側壁粗糙度、縮小間隙寬度，并采用銀等低損耗等離子體金屬材料。

由于在電信波段具有更低的固有吸收特性，銀相較于金可將傳播損耗從0.56dB/μm降至0.14dB/μm。此外，光刻分辨率與對準精度目前限制著電極間隙尺寸，進而制約了可實現的電場強度。若將槽寬縮減至50或100納米，相移器的Vπ損耗積可分別降低至當前器件值的50%或75%。結合兩種方法，損耗-效率乘積可降至≈50dB·V，對應插入損耗5dB且Vπ值<10V，已接近實際應用的電壓要求。未來工作將探索其他可行方案，包括幾何結構與材料工程優化。

綜上所述，我們基于TFLN平臺實現了PSW MZM調制器，該器件在高密度光子集成領域展現出顯著優勢，可同時實現高調制效率、寬帶寬與緊湊尺寸。該調制器有望突破傳統TFLN介質波導調制器毫米/厘米級尺寸限制——此類器件至今仍占據光子集成電路芯片的大部分空間。

本研究將TFLN調制器尺寸大幅縮減至可與緊湊型電子器件匹配的水平，從而從根本上實現了光子學與電子學的經濟化大規模協同集成。除尺寸微型化優勢外，該調制器在保持足夠寬帶寬的同時實現了迄今最高的調制效率，完全能夠滿足高速通信系統及微波/太赫茲光子學領域高性能器件的需求。該等離子體-TFLN技術兼容更先進的IQ調制方案，可用于相干光通信系統中的先進調制格式信號傳輸；同時適用于多維復用器件，能充分發揮緊湊布局優勢，構建高容量、高密度集成光信號生成與處理系統。

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參考文獻

1.J. Zhao, Y. Wang, X. Gao, et al. “ An Ultra-Efficient Integrated Plasmonic Lithium Niobate Electro-Optic Mach-Zehnder Modulator.” Laser Photonics Rev (2025): e01067. https://doi.org/10.1002/lpor.20