具有相位偏置和缓冲层设计的可扩展薄膜铌酸锂电光开关，具备高开关效率

《Optics & Laser Technology》：Phase-biased and buffer-layer engineered channel scalable thin-film lithium niobate electro-optic switch with high switching effciency

　　

摘要

低功耗、高速度且可扩展的光电开关是实现灵活高效的数据中心以及可重构光加解复用器的重要基础。本文提出了一种基于薄膜铌酸锂平台的低功耗、高速度的1×4可扩展光电开关，并通过实验进行了验证。该光电开关采用了余弦形非平衡马赫-曾德尔干涉仪波导结构，通过引入π/2的相位偏置，将设备的静态工作点置于传输曲线的峰值或谷值处，从而提升了开关的消光比和抗干扰能力。同时，通过优化电极与铌酸锂薄膜之间的100纳米厚二氧化硅缓冲层，减少了金属电极带来的光学吸收损耗，这使得电极间隙可以更小，进而增强了电光重叠效应，显著提升了开关效率，且无需复杂的电极或波导结构。实验结果表明，在1550纳米的工作波长下，该开关的半波电压长度积低于1.5伏特·厘米，所有端口的上升时间和下降时间分别低于7纳秒和6.8纳秒，消光比超过20.5分贝。我们认为这项工作将为可扩展、低功耗、高速度光开关的应用发展做出贡献。

引言

随着信息社会的快速发展，人们对数据传输容量、速度和处理效率的要求日益提高[1]。作为下一代信息系统的核心技术，光通信、光计算和光子集成技术严重依赖于能够快速、灵活且智能地控制光路径的能力[2][3]。在各种光子控制元件中，光开关起着关键的“交通枢纽”作用，它能够动态地将光信号在不同通道之间路由，为实现光交叉连接、路由选择、网络重配置和系统保护等功能提供基础。光开关的性能直接决定了整个光网络的灵活性、效率及可靠性[4][5]。为了满足高速化和高度集成的光网络需求，人们对光开关的关键指标提出了更高要求，包括功耗、开关速度以及多端口扩展能力[6]。

微机电系统光开关在技术上已经相对成熟，能够支持大规模阵列式网络的部署。不过，这类开关存在驱动电压高、开关速度较慢（约几毫秒）的缺点[7]。相比之下，基于波导的光开关可以利用热光效应或光电效应来实现开关功能，并且可以集成到大规模的多端口结构中[8][9][10]。其中，热光开关的开关时间通常在微秒级，这会在动态可重构网络中造成不可忽视的累积延迟，因此难以满足高速通信的需求[11][12][13]。而光电开关则具有超快的响应时间（约皮秒级）和低功耗的优点，非常适合用于高速、高密度的光网络通信系统[14]。铌酸锂绝缘体材料具有优异的物理特性，如较大的电光系数、低光学损耗、宽透明窗口以及出色的热稳定性[15][16]，因此迅速成为实现高速、高性能光子集成电路的理想平台[17]。在铌酸锂绝缘体平台上，研究人员已经成功开发出一系列关键器件，包括高速光电调制器[18][19][20][21]、可调谐微环谐振器[22][23][24][25]、频率梳[26][27]以及光谱仪[28][29]，这些器件的性能指标都达到了新的水平。

此前已有在铌酸锂平台上实现光开关的报道。在块状铌酸锂平台上，一种基于折射率棱镜效应并采用锯齿形电极的1×2光电开关，其开关时间为22纳秒，半波电压长度积为40伏特·厘米[30]。在铌酸锂绝缘体平台上，一种采用马赫-曾德尔干涉仪结构的2×2光电开关，其开关时间为134.4纳秒，半波电压长度积为3.65伏特·厘米，消光比为16分贝[31]。同样，一种采用马赫-曾德尔干涉仪结构的1×4光电开关，其半波电压长度积为2.25伏特·厘米，消光比为15分贝[32]。然而，这类器件的性能潜力仍未得到充分挖掘，尤其是在低功耗与高速运行的协同优化方面。通过优化调制结构，可以进一步提升性能，从而充分利用铌酸锂绝缘体平台在低功耗、高速调制方面的优势。

在薄膜铌酸锂马赫-曾德尔干涉仪高速调制器中，二氧化硅缓冲层和相位偏置技术已经被广泛研究。以往关于二氧化硅缓冲层的研究主要集中在调整微波折射率以实现超高带宽下的群速匹配[33][34]，或是减少金属电极带来的光学吸收损耗[35]。至于相位偏置，通常是通过加热电极来实现的[36][37]。在本研究中，我们同时将二氧化硅缓冲层用作射频相位匹配介质和金属吸收抑制层。通过与余弦形不等臂波导的协同设计，我们在不增加额外制造步骤的情况下，实现了低功耗、快速开关时间以及π/2的相位偏置。

在本研究中，我们在薄膜铌酸锂平台上设计并制造了一种快速切换、低功耗的两级级联非平衡马赫-曾德尔干涉仪1×4光电开关。通过余弦形波导引入π/2的相位差，使得设备的静态工作点位于传输曲线的峰值或谷值处，从而提升了光电开关的消光比和抗干扰能力。此外，设计中还对100纳米厚的二氧化硅缓冲层进行了优化。与没有二氧化硅缓冲层的结构相比，这种配置可将电极金属的吸收损耗降低两个数量级，从而使电极间隙更小，增强电光重叠效应，同时降低光电开关的驱动电压。所制造的1×4光电开关在4毫米的光电调制长度上，半波电压长度积低于1.5伏特·厘米，展现了出色的低功耗性能。同时，所有端口的上升时间和下降时间分别低于7纳秒和6.8纳秒，证明了其快速的切换能力。

章节要点

器件设计及工作原理

图1展示了所提出的基于X切割铌酸锂绝缘体平台的1×4光电开关的示意图。该器件主要由三个典型的非平衡马赫-曾德尔干涉仪行波调制器组成。为了提升开关速度，调制部分采用了共面波导行波电极（接地-信号-接地结构）来进行驱动。当施加驱动电压后，会在两个非平衡铌酸锂波导之间产生极性相反的电场，从而引发相应的光学效应。

器件制备与特性分析

这款1×4光电开关是在厚度为600纳米的铌酸锂顶层薄膜的X切割铌酸锂绝缘体晶圆上制备的。首先，使用电子束光刻技术在薄膜铌酸锂上绘制出所需的波导结构，随后通过感应耦合等离子体刻蚀技术将结构蚀刻出来。接着，通过等离子体增强化学气相沉积技术沉积100纳米厚的二氧化硅层作为上层包层。最后，通过定义10纳米铬/800纳米金的双层结构来形成行波电极。

结论

综上所述，我们在铌酸锂绝缘体平台上提出了一种高效能的1×4光电开关，并通过实验验证了其高速、低功耗的特性。该开关由两级级联的非平衡马赫-曾德尔干涉仪结构组成。通过采用行波推挽电极来调节两臂之间的相位差，实现了高速开关功能。此外，还通过引入具有π/2相位偏置的余弦形非平衡波导，将设备的静态工作点定位在传输曲线的峰值或谷值处，进一步提升了开关的性能。

作者贡献说明

傅芳恒：原文撰写、可视化处理、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思。梁金豪：文章审阅与编辑、结果验证、软件相关工作。陈华江：结果验证。马晓：结果验证。邓世耀：结果验证。欧阳旭：文章审阅与编辑。魏玉明：文章审阅与编辑。杨铁峰：文章审阅与编辑。关贺渊：文章审阅与编辑、概念构思。陆慧慧：文章审阅与编辑、项目监督、资金支持相关工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的支持：中国国家重点研发计划（编号：2023YFA1407200），国家自然科学基金（编号：62575130、62405114、12404577、12504445、21324102），NSAF（编号：U2330113、U2230111、U2030103），广东省基础与应用基础研究基金（编号：2025B1515020096、2023A0505050159、2023A1515110626），珠海市产教融合项目（编号：2320004002614），以及国家创新创业计划。

Fangheng Fu|Jinhao Liang|Huajiang Chen|Xiao Ma|Shiyao Deng|Xu Ouyang|Yuming Wei|Tiefeng Yang|Heyuan Guan|Huihui Lu