隨著當前互聯網、大數據、人工智能技術的快速發展，人們對信息處理能力、信息容量的需求逐漸提升。為了能夠有效提升數據傳輸帶寬、數據傳輸速度，光通信技術逐漸成為發展主流，它可以在全頻譜范圍內實現高速通信，避免集成電路存在的傳輸損耗大、電磁干擾等問題，其在短距離的光互連、跨洋超遠距離信息傳輸、5G通信、生物傳感等領域發揮著巨大的作用。電光調制器作為當前光通信領域的核心部件，它可以通過對光信號的相位、幅值進行調制從而實現信息的傳輸，它的性能決定著系統數據的傳輸能力，調制速率決定了數據傳輸的速率。接下來，小編將為大家介紹在AI時代常用于制備電光調制器的幾種材料。

電光調制器（圖源：蘇州波弗光電科技有限公司）

Ⅲ-Ⅴ半導體電光調制器

Ⅲ-Ⅴ半導體電光調制器是利用Ⅲ-Ⅴ族材料的電光效應（Pockels或Frange-Kohn）來實現對光信號的調制的。通常會選擇具有較高電光系數的材料，如砷化鎵、磷化銦。當在它們外部施加電場時，材料的能帶結構邊界會發生傾斜，從而導致帶隙縮小、電荷載流子的相關波函數發生變化、量子阱中載流子的空間重新得到分配且離散能級會產生位移，進而使光吸收增加。Ⅲ-Ⅴ半導體電光調制器在工作時，產生的損耗比較高，不僅有光損耗，還有因光吸收而產生的熱量，但整體的調制效率還是非常的優異的。

研究進展：

（1）日本的OgisoY等人提出了一種基于InP的超高帶寬和低半波電壓的馬赫·曾德爾調制器。該調制器具有新型n-i-p-n異質結構，顯示出超過67GHz的3dB電光調制帶寬以及小于1.5V的V_π，獲得了在100Gb/s的NRZ-OOK調制信號，其高階比超過10dB，以及120Gbaud速率的清晰正交調制信號，無需光學預均衡。

（2）日本的HirakiT等人演示了一個帶有調制長度為250μm的InGaAsP/Si金屬氧化物半導體電容移相器的馬赫·曾德爾調制器，在累積模式下獲得0.09V·cm的V_πL，插入損耗約為1dB，耗盡模式下的截止頻率為～2.2GHz，具有信號預加重的32-Gbits^-1調制。

異質集成電容式硅基磷化銦馬赫·曾德爾調制器（圖源：文獻1）

鈮酸鋰電光調制器

鈮酸鋰電光調制器是一種利用鈮酸鋰晶體的線性電光（Pockels）效應來實現光信號調制的高性能電光調制器。因為鈮酸鋰具有較高的電光系數，當外部施加電場的情況下，晶體的折射率會發生變化，通過這種方式可以有效調制通過晶體的光波的相位、振幅，其調制速率主要取決于微波電極的性能，能夠實現更快的調制速度、更高的線性度以及更低的功耗。

研究進展：

（1）2019年，中山大學He等實現了一種基于薄膜鈮酸鋰的雙偏振同向-正交（DP-IQ）調制器，該調制器由兩個并聯的馬赫-曾德爾調制器組成的雙IQ調制器構成。該器件不僅具有1V的低驅動電壓，還展示了高達110GHz的電光帶寬，以及通過400正交振幅調制（QAM）實現的1.96Tbit/s信號傳輸速率。

（2）2023年，浙江大學采用新型2×2法布里-珀羅腔電光調制器陣列與4通道多模波導光柵波分復用器，實現了單片集成的薄膜鈮酸鋰光發射芯片。其功能區尺寸為0.3mm×2.8mm，各通道具有出色的均勻性，演示了320Gbit/s OOK信號和400Gbit/s PAM4信號的大容量傳輸。

薄膜鈮酸鋰電光調制器工作原理圖（圖源：文獻5）

硅基電光調制器

硅基電光調制器是利用硅材料的光電性質來實現光信號調制的一種器件，它主要通過改變光傳播的折射率從而實現光信號相位的控制。基于等離子體色散效應，光在波導中傳輸的折射率與載流子濃度相關，為了獲得足夠的相位改變能力，硅基電光調制器主要分為載流子注入、載流子耗盡和載流子累積三種工作模式。其中，載流子耗盡模式的結區電容小，故調制帶寬最大；載流子累積模式在PN結中加入了氧化物隔離層，累積載流子濃度高，調制效率最大。相較其他電光調制器，硅基電光調制器可以在標準的互補金屬氧化物半導體工藝線上制造，有效降低生產成本，有望在光通信領域實現大規模應用。但是由于等離子體色散效應固有的非線性，較低的無雜散動態范圍會限制調制器上加載的微波信號功率。

研究進展：

（1）2023年，北京大學C.Han等提出并實現了基于硅波導光柵結構的慢光調制器，帶寬高達110GHz，支持NRZ格式112Gbit/s的高速調制，且移相器長度僅有124μm。該結構由多個布拉格光柵波導串聯組成。通過合理設計光柵的結構參數，使光子晶體波導在1550nm附近具有8nm的光學帶寬，群折射率達到6.1。因此，光能以更慢的速度在波導中傳輸，增強了與硅材料以及驅動電信號的相互作用，移相器長度得以從mm量級縮短至百μm量級，顯著減少了電信號的損耗，大幅增加了電學帶寬和電光帶寬。

（2）2024年，中國科學院半導體研究所A.Li等報道了基于45nm的CMOS工藝硅基單片集成光收發芯片，包含了驅動器、調制器、探測器等所有相關的光電器件。該芯片使用了4個微環調制器，每個微環分別支持64Gbit/s的高速調制，聚合速率達到256Gbit/s，誤碼率小于10-12。

高調制效率硅基電光調制器（圖源：文獻4）

石墨烯電光調制器

石墨烯作為一種二維材料，具有非常獨特的電學性質和光學性質，擁有非常高的載流子遷移率以及可見光到遠紅外的寬光譜吸收能力。石墨烯電光調制器通常由一個光波導和石墨烯層構成，石墨烯層覆蓋在光波導的頂部或嵌入到波導結構中，光波導用于引導光信號，石墨烯層作為調制介質。作為一種零帶隙材料，石墨烯可以通過外加電場移動費米能級，從而改變其導電性。其自身無法形成PN結，所以常通過氧化物隔離層形成的電容器結構來調控石墨烯中的載流子濃度。當光信號通過光波導時，部分光會被耦合到石墨烯層中，在施加外部電場的情況下，石墨烯的載流子濃度會發生變化，從而影響石墨烯的折射率和光的吸收能力。目前常見的石墨烯調制器有電折射調制器和電吸收調制器兩種，分別改變復介電常數的實部和虛部。

研究進展：

（1）意大利烏迪內大學的SorianelloV等人研究設計了一種基于石墨烯-絕緣體-硅電容器的緊湊型電光調制器，其結構基于馬赫·曾德爾結構。他們在設計時為了可以大幅提高調制器的調制速率，采用了具有較快載流子遷移率的石墨烯材料。調制器性能參數為半波電壓長度積達到0.28V·cm，但是由于受到RC時間常數的影響，調制器的調制帶寬只有5GHz。

（2）2021年LeeBS等人提出了一種石墨烯-氮化硅電吸收環形調制器，該器件因在低溫下石墨烯載流子的遷移率的改進，其在溫度為4.9K時3dB帶寬達到14.7GHz，在溫度為293K時3dB帶寬達到12.6GHz。調制器的帶寬僅受高接觸電阻限制，其固有的RC限制帶寬在4.9K時為200GHz。

基于單層石墨烯的集成式硅基波導型電光調制器結構（圖源：文獻7）

聚合物電光調制器

聚合物電光調制器是利用聚合物材料的電光效應來實現光信號調制的裝置。聚合物材料通常包含特殊的分子結構生色團，它們在電場的作用下會發生極化，使材料的折射率發生變化。當外部電壓施加到聚合物上時，電場會使聚合物內部的生色團重新排列，折射率從而發生變化，折射率的變化與施加的電場強度成正比。

研究進展：

（1）瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Haffner等將金屬slot結構與電光聚合物材料結合組成Plasmonic調制器。他們將電光聚合物填充到金屬狹縫中，使得電場和光場都能夠集中分布在金屬狹縫中，進一步增強了電光的相互作用，實現了電光聚合物與金屬等離子基元相結合的MZI型電光調制器。該調制器的有效相移長度僅為6μm，對應的半波電壓V_π=10V，調制帶寬為70GHz。雖然光與金屬直接接觸產生了比較大的光損耗，但是器件的整體尺寸較小，整個器件的損耗能夠控制在3dB以下。

（2）日本九州大學的Qiu課題組實現了在105℃下能夠連續工作的超薄硅與電光聚合物相結合的電光調制器。2020年，他們將超薄硅與電光聚合物相結合，制備得到了3dB調制帶寬為70GHz、調制速率可達200Gb/s的調制器，并且該電光聚合物調制器能夠在110℃的高溫下穩定工作，克服了電光聚合物調制器在高溫下不穩定的棘手問題。

以電光聚合物為光波導芯層的電光調制器結構示意圖（圖源：文獻2）

小結

當前電光調制器的開發和制造已達到較高的水平，可以在保證高數據傳輸速率的情況下，保持低損耗和高穩定性，諸如磷化銦、聚合物等新材料的開發，將會不斷拓寬電光調制器的應用范圍和性能，為未來高速光通信、光互連應用場景增添更多助力。

參考文獻：

1、王義.高性能超緊湊薄膜鈮酸鋰電光調制器研究[D].江南大學.

2、邱楓.電光聚合物調制器的發展（特邀）[J].光學學報.

3、田永輝,袁明瑞,秦士敬,等.薄膜鈮酸鋰片上集成多維復用光子器件（特邀）[J].激光與光電子學進展.

4、夏鵬輝.高速硅光調制器及其集成芯片研究[D].浙江大學.

5、楊鵬毅.一種并行多路薄膜鈮酸鋰電光調制器[J/OL].光通信研究.

6、陳必更,李科,趙奕儒,等.硅基電光調制器研究進展[J/OL].激光與光電子學進展.

7、張曉穎.基于氧化石墨烯電光調制器的光纖鎖模激光器的研究[D].南京信息工程大學.

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