基于非局域铌酸锂超表面的GHz线性与非线性电光调制技术突破

研究人员针对自由空间电光调制器效率低、速度慢的瓶颈，通过设计支持高品质因子(>8000)准连续域束缚态(quasi-BIC)的铌酸锂(LiNbO3)超表面，实现了1.4 GHz带宽下0.01 V-1的线性调制效率和110%的二次谐波(SHG)强度调制，为高速光子学和可重构通信系统提供了新范式。

　　

在光信号处理和激光技术领域，电光调制器是实现高速信息控制的核心元件。传统基于Pockels效应的平面光学调制器长期面临调制效率低、工作带宽受限的挑战，尤其在自由空间光学系统中，亚波长尺度下光与物质相互作用弱、折射率调制幅度小等问题更为突出。铌酸锂(LiNbO₃)因其优异的非线性光学特性(r₃₃≈35 pm/V)和宽光谱透明窗口，成为解决这一问题的理想材料，但如何在其超薄结构中实现高效GHz级调制仍是未解难题。

瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的Agostino Di Francescantonio团队与意大利米兰理工大学(Politecnico di Milano)合作，通过设计非对称铌酸锂绝缘体上(LNOI)纳米线阵列超表面，利用品质因子高达8000的准BIC共振，在通信C波段(1530-1565 nm)同时实现了线性反射率(ΔR≈0.1)和二次谐波(>10倍)的电光调制。该成果发表于《Nature Communications》，标志着自由空间电光调制器性能的重要突破。

研究采用三项关键技术：(1)电子束光刻结合氩离子刻蚀制备非对称纳米线阵列，通过打破平移对称性将对称保护BIC转化为可调控的准BIC；(2)平面金电极设计优化静电场分布，增强与光学模式的场重叠；(3)共面波导电极结构将带宽提升至1.4 GHz。实验使用可调谐连续波激光器(10 pm精度)和锁相放大技术，实现了亚纳米级共振位移的精确测量。

线性电光调制特性
通过有限元仿真优化几何参数(周期p=800 nm，填充因子FF=0.3，不对称度α=0.19)，超表面在1553 nm处产生线宽仅0.2 nm的TE₂₁模式共振。施加9 V偏压时，观测到0.05 nm共振位移，对应5.6 pm/V的调谐灵敏度。在20 V_pp交流驱动下，反射率相对调制深度达24%，效率η=0.015 V^-1，远超此前有机-无机杂化超表面的报道值。

非线性信号调制突破
利用连续波泵浦(12 kW/cm²)激发d₃₃非线性效应，SHG激发谱线宽δλ_SHG=0.14 nm，较基波更窄。通过偏压调控共振位置，在斜率最大处实现ΔP_SHG/P_SHG>1.1(9 V偏压)，效率η>0.12 V^-1，这是首次在亚波长器件中实现连续波驱动的电控SHG调制。

该研究通过单片集成铌酸锂超表面与CMOS兼容电极，同时攻克了高效率(>10%)与高带宽(>1 GHz)的调制难题。非线性调制效率较线性信号提升8倍，证实了共振增强对非线性过程的显著放大作用。这种兼具线性与非线性调控能力的平台，为高速全光信号处理、可重构非线性光学元件及量子光源调控提供了新思路，有望推动自由空间光通信、激光雷达和集成量子光学系统的发展。