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封面解析
封面形象地展示了采用人工表面等离激元金属电极的电光调制器的工作原理：入射光分为相同的两束进入调制区域，由于人工表面等离激元的场限制与增强效应，使得电光耦合强度与调制效率大幅提升，在出射端携带数字格式调制信号的两束光相互干涉，从而实现了对光波振幅的超高速调制。
《光学学报》2023年第19期封面文章 | 徐光耀; 马晓飞; 盛冲; 刘辉. 采用人工表面等离激元电极的慢光铌酸锂电光调制器[J]. 光学学报, 2023,43(19):.
导读
高速率、低功耗的小型化电光调制器是现代电通信网络和微波光子系统的关键组成部分。本文基于人工表面等离激元结构的慢光效应，设计了一种利用金属光子晶体电极的马赫-曾德尔干涉仪电光调制器，在薄膜铌酸锂光子芯片上调控微波色散与群速度，增强了微波与光波之间的相互耦合作用。相较条形电极，本文设计的电光调制器可以通过更短的传播长度得到相同的相移，实现超高效的调制过程。
一.
研究背景
随着现代社会的计算机网络与多媒体技术的进步，数据通信的业务流量呈指数型增长，这对所有层级光网络中的收发器提出了严峻的挑战。电光调制器可以将高速的电信号编码转换到光信号中，显著提高数据速率的同时，降低了功耗与成本，是现代光通信链路的核心部分。
近些年来，研究人员已经在各类材料平台针对电光调制器共面传输线的空间结构进行设计，优化了电磁波的传输与色散特性。目前人们仍在寻求各种方式以实现兼具低电压与大带宽且更紧凑化的电光调制器。
人工表面等离激元波导和光子晶体等金属超材料的亚波长结构可以将微波电场束缚在较小尺寸内，相应空间内的电场能够被大幅压缩与增强。若能使得调制微波电场增强，提升光波导内微波与光波的耦合强度，则可以显著提高电光调制效率，同时减小器件尺寸与损耗，增大电光带宽。目前将具有人工表面等离激元微结构的金属电极与光波导异质集成设计电光调制器的研究鲜有报道。
二.
采用人工表面等离激元电极的电光调制器
南京大学刘辉教授课题组提出了一种采用锯齿状的金属光子晶体作为电极的单片集成薄膜铌酸锂()马赫-曾德尔干涉仪(MZI)电光调制器调制器，其结构如图1所示，入射光通过Y结分为相同的两束进入到位于锯齿金属电极间隙中的波导，在外加微波场的作用下，通过发生线性电光效应使光波导模式的有效折射率发生改变，且由于在输出端的Y结处存在相位差，两束光发生相互干涉作用，从而实现对输出光信号振幅的调制。
图1薄膜上采用人工表面等离激元金属电极的MZI电光调制器结构图
首先，分别对电光调制器的光学与微波模式进行模场分布与色散曲线的仿真计算，微波与光波模式的模场分布如图2(a)所示，二者在波导内相互交叠。此外，利用金属光子晶体在带边位置较强的慢光效应，局域在亚波长金属齿中的微波模场大幅增强，提高了光波与微波之间的相互耦合作用与重叠体积，使得薄膜波导内发生的电光效应更加强烈，实现更加高效的电光调制。
根据一维光子晶体的特性，如图2(b)所示，微波色散曲线的频率值逐渐趋于平缓，并在带边处形成带隙，且在逐渐靠近带边时，微波模式TE0的有效折射率值也相应迅速增大，因此可以根据需求灵活调控金属光子晶体的几何参数，实现完美速度匹配，从而避免单一地调控SiO2缓冲层的厚度。
图2 慢光效应薄膜电光调制器的（a）微波模场与（b）色散特性
最后，为了探究调制微波的慢光效应对于波导的线性电光效应强度大小的影响程度，需要合理地对不同结构参数器件的结果进行对比，定义G=g+d，保持G=11 μm的大小固定不变，分析不同d的器件结构所展示的物理效应。在相同的频率f=220 GHz时，d增大对应的群速度先缓慢后急剧减小，因此金属锯齿宽度较大的结构对应的慢光效应更强。在发生线性电光效应的波导内部，慢光效应越强带来的调制微波场增强与局域效果越明显，在图3(a)中，展示了在单个周期性元胞内沿传播方向y不同位置处的电光重叠程度，慢光效应增强使得微波电场更加局域在金属齿的部分，槽部分的电场交叠程度则逐渐减弱。如图3(b)所示调制器，三维空间中的电光重叠体积分因子随着d的增大而增大，与无周期单元结构的直波导调制器相比，调制效果显著，具体体现在当实现相同的相移量时，对于慢光效应越强的结构，所需要的传播长度越短，因此调制效率更高。并且，在满足器件更趋于集成化的同时，器件的总损耗值减小，增大了电光带宽，真正实现了兼顾低电压与大带宽的小型化调制器。
图3 慢光效应电光调制器的（a）电光重叠面积分因子（b）体积分因子结果
三.
后续工作展望
人工表面等离激元结构的慢光效应为提高薄膜铌酸锂电光调制器芯片的调制效率提供了新的思路与方法。在未来的工作中，研究团队将会继续针对人工表面等离激元波导结构进行优化，将电光调制带宽拓展至与未来6G通信相关的太赫兹频段，同时将设计思路应用于光子芯片上的差频与四波混频等非线性过程中；
高效率的器件也将进一步降低与CMOS技术兼容的难度，实现多功能与多元化的光子回路。
通讯作者简介
刘辉，南京大学物理学院教授，博士生导师
南京大学物理学院副院长，固体微结构物理国家重点实验室副主任，《光学学报》副主编。2003年南京大学博士毕业；2004-2005年美国加州大学伯克利分校博士后；2008年德国斯图加特大学访问学者；2009年香港科技大学访问学者；2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”；2012年入选南京大学登峰人才计划B层次；2014年获得杰出青年基金资助；2014年获得中国光学学会王大珩光学奖；研究成果入选中国光学杂志社评选的2013年“中国光学重要成果”；2019年获得中国光学学会光学科技奖一等奖。
刘辉教授主要从事光学超构材料，金属表面等离激元，光子晶体中的非线性光学和量子光学研究。主要学术成果包括金属等离激元的共振耦合与杂化效应，超构材料中的变换光学波导，金属微腔与纳米激光器等。发表SCI文章70多篇，其中包括 , , Phys.Rev.Lett., Phys. Rev.X, Phys.Rev.B, Appl. Phys. Lett.等。主持多个863重点项目，自然基金重大项目课题，科技部重大专项课题等。担任 , JOSAB审稿人。发表英文综述文章三篇，参与撰写英文专著两部，在国际光学会议做邀请报告20多次。
科学编辑｜徐光耀; 刘辉
编辑｜李笑玲
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