a, 基于拓扑界面状态的调制器的三维视图。插图显示了基于 SiN-LN 混合平台的一维拓扑晶格波导。b, 不同失谐点下的电光 S21 响应测量结果。c, 数据速率为 100 Gb/s 的 PAM4 信号眼图测量结果。作者：张勇、沈健、李景驰、王宏伟、冯成龙、张磊、孙璐、徐健、刘敏、王颖、田永辉、董建文、苏一凯

电光调制器将信号从电域转换到光域，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。下一代光电调制器需要高密度集成、紧凑的尺寸、大带宽和低功耗。现有的集成马赫-泽恩德干涉仪（MZI）或微栅器件很难实现这些要求。

拓扑光子学的独特特性包括紧密的光学约束、光的稳健传输和对缺陷的免疫，因此，具有拓扑界面态的集成铌酸锂（LN）波导有助于应对下一代电光调制器的挑战。

拓扑相变已被用于演示集成光子器件，包括非线性和量子器件，但拓扑器件的响应时间仅限于微秒量级。高速拓扑调制器尚未得到利用。

在最近发表于《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇论文中，由上海交通大学苏义凯教授和张勇教授领导的科学家团队及其共同作者在氮化硅-负载铌酸锂-绝缘体（SiN-LN）平台上开发出了一种超小型、高速、大带宽和高能效的电光调制器，该调制器在一维微结构晶格中具有拓扑界面态。与传统的一维布拉格光栅结构相比，一维拓扑腔的长度更短。

与具有多个谐振模式的光子晶体纳米束腔不同，拓扑腔可以灵活控制 Q 因子和模式体积，同时严格保持单模工作并避免模式数控制。实验结果表明，高速电光调制器的长度仅为 140 μm，功耗超低，仅为 5.4 fJ/bit，调制带宽高达 104 GHz。

拓扑调制器基于拓扑界面态，这种界面态是在一维晶格中两个具有不同拓扑不变性和表面阻抗的拓扑光子晶体之间形成的，基于经典的苏-施里弗-希格（SSH）模型。要在一个光子带隙处获得拓扑界面态，左右拓扑光子晶体上的隙拓扑不变式必须确保π的差异。

利用跨越拓扑转变点的方法来改变拓扑不变量的符号。该装置在超小尺寸、高速度和能效方面表现出卓越的性能。这些科学家总结了他们的拓扑调制器的工作原理：

"界面态实现了首个拓扑调制器，其尺寸仅为 1.6 × 140 μm2，是带宽超过 20 GHz 的最紧凑薄膜 LN 调制器。拓扑腔电光响应的峰值增强被用来打破光子寿命限制带宽，从而实现了 104 GHz 的大带宽。"

"由于电光模态体积小、电极长度短，实现了低射频损耗和小电容，产生了 5.4 fJ/bit 的超低能耗"。他们补充道。

他们补充说："所演示的器件可以产生 100 Gb/s 的非归零（NRZ）和 100 Gb/s 的四级脉冲幅度调制（PAM4）信号。据我们所知，我们已经利用拓扑界面态实现了第一个高速拓扑电光调制器。该拓扑调制器为全集成 LN 光子技术中的高速调制应用展示了巨大前景，并促进了拓扑器件在光通信、微波光子学和量子信息处理中的应用。
 

参考资料

Yong Zhang et al, High-speed electro-optic modulation in topological interface states of a one-dimensional lattice, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01251-x​

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