電光調變器（EOM）是現代光子系統的核心元件，負責高速數據傳輸、波形生成及量子光操控。然而，在頻寬、驅動電壓、光功率處理與低損耗等多項指標上，傳統積體光子技術平台表現有限。本文簡介將薄膜鋰鈮酸鋰（TFLN）與矽及氮化矽光子技術混合整合的創新方法，展現如何在現有光子電路中實現高效能EOM。
高效能EOM的需求
矽光子技術因其可延伸性和低成本成為整合光子學的主流，但原生矽調製器存在以下限制：
頻寬不足：難以超過50-60 GHz。
非理想調製效果：出現振幅-相位耦合（chirp）問題。
光功率處理能力有限：僅能處理幾毫瓦的光功率。
波長範圍受限：無法在1 μm以下波長運行。
相比之下，鋰鈮酸鋰具有出色的電光效能，透過混合整合，能克服矽光子平台的這些局限。
混合整合技術：TFLN與矽光子平台的結合
核心概念
此混合整合方法採用低溫直接鍵合技術，將TFLN薄膜整合到矽或氮化矽光子電路上。TFLN層保持未刻蝕狀態，保留了其優異的電光特性。光透過TFLN區域與基底波導（矽或氮化矽）形成的混合模式進行傳輸，透過調整波導寬度實現高效的電光調製。
結構與製程
光子電路設計：在矽或氮化矽平台上構建彎曲波導和耦合器等元件。
TFLN層鍵合：將TFLN層鍵合到特定區域，並形成行波電極以支持高速調製。
圖案化電極：電極設計確保RF與光學模式在大頻寬範圍內的高效匹配。
這種方法結合矽光子技術的成熟工藝與TFLN的高效能，使混合整合EOM具備優秀的可延伸性與功能性。
應用與成果
傳統光子應用
混合整合EOM在1.3 μm、1.55 μm及780 nm等多個波長段表現出色：
高頻寬：3-dB調製頻寬超過100 GHz。
低驅動電壓：1.55 μm波段下，半1.55 μm波段下，半波電壓（Vπ）約2-3 V。
高光功率處理：能調製超過100 mW的光功率。
這些效能遠超傳統矽光子調製器，在光通訊、類比鏈路以及波形產生等領域展現出巨大的技術優勢。
量子光子學的突破
混合TFLN技術也推動了量子光子學的發展。例如，藉由整合TFLN與矽光子技術，一款單晶片裝置實現了純度最佳化的1550 nm光子對產生，免除了外部鎖模雷射產生短脈衝的需求。這標誌著在積體化平台中，首次透過波導間無縫互連達成高純度量子光源。
結論
薄膜鈮酸鋰與矽光子技術的混合整合，是提升積體電光調變器性能的有效路徑。此技術結合兩種平台的優勢，不僅在經典光子學應用中展現價值，亦為量子光子學開啟新的可能性。
參考資料
[1]S. Mookherjea, "Hybrid Integration of Thin-film Lithium Niobate and Silicon Photonics," Department of Electrical & Computer Engineering, University of California, San Diego, La Jolla, CA 92093-0407, USA, 2024, pp. 1-6, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2024 IEEE.
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