中科大郭光灿院士团队磁光力混合系统、浙大戴道锌教授团队超110 GHz超紧凑型铌酸锂微腔电光调制器
中国科学技术大学郭光灿院士团队磁光力混合系统研究
近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在磁光力混合系统研究方面取得新进展。该团队的董春华教授研究组将光力微腔与磁振子微腔直接接触，证明该混合系统支持磁子-声子-光子的相干耦合，进而实现了可调谐的微波-光波转换。
该研究成果于12月9日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（Physics Review Letters）。沈镇、徐冠庭、张劢为该论文的共同第一作者，董春华为该论文的通讯作者。
光辐射压力、静电力、磁致伸缩效应、压电效应已被广发用于机械振子与光学光子、微波光子或磁子的耦合。这些相互作用机制促进了光机械领域和磁机械领域的快速发展。在前期工作中，研究组利用YIG微腔中的磁振子具有良好的可调谐特性，结合磁光效应实现了可调谐的单边带微波-光波转换(Photonics Research 10, 820 (2022))。但是由于目前磁光晶体微腔的模式体积大、品质因子难以进一步突破，从而限制了磁光相互作用强度，导致微波-光波转换效率较低。相比之下，腔光力系统虽已实现高效的微波-光波转换，但由于缺乏可调谐性，在实际应用中会受到限制。
图a-b.磁光力混合系统示意图，支持磁子-声子-光子相干耦合
图c.微波-光波转换
该工作中，研究组开发了一种由光力微腔和磁振子微腔组成的混合系统。系统中可以通过磁致伸缩效应对声子进行电学操控，也可以通过光辐射压力对声子进行光学操控，而且不同微腔内的声子可以通过微腔的直接接触实现相干耦合。基于高品质光学模式对机械状态的灵敏测量，课题组实现了调谐范围高达3GHz的微波-光学转换，转换效率远高于以往的磁光单一系统。此外，研究组观测了机械运动的干涉效应，其中光学驱动的机械运动可以被微波驱动的相干机械运动抵消。总体而言，该磁光力系统提供了一种有效进行操控光、声、电、磁的混合实验平台，有望在构建混合量子网络中发挥重要作用。
该研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金委、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等单位的支持。
论文链接：
[1]https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.243601 [2]http://news.ustc.edu.cn/info/1048/81414.htm浙大戴道锌教授团队超过110 GHz的超紧凑型铌酸锂微腔电光调制器
近日，浙江大学戴道锌团队以「Ultra-compact lithium niobate microcavity electro-optic modulator beyond 110 GHz」¹为题在Chip上发表研究论文，第一作者为潘炳呈，通讯作者为俞泽杰、戴道锌。本篇文章被选为本期Featured in Chip编辑特选文章。
超大带宽电光调制器是超高容量光互连、太赫兹无线通信和传感系统等应用中的核心器件。近年来，薄膜铌酸锂因其高电光系数、强光场限制和低传输损耗等优点已成为实现高性能电光调制器的最佳选择之一²⁻³。其挑战在于如何实现超紧凑尺寸、超低低功耗及超高速度等优异特性。
与马赫-泽德干涉仪调制器相比，微腔型调制器在器件尺寸、调制功耗等方面具有明显优势，还可同时实现波分复用和电光调制等功能。然而，基于薄膜铌酸锂波导实现微腔型电光调制器仍然具有非常高的挑战性。首先，铌酸锂晶体的各向异性可能造成模式杂化，难以实现紧凑弯曲波导⁴。相应地，铌酸锂薄膜环形腔通常需要数百微米的大弯曲半径。其次，由于各向异性，环形腔中铌酸锂弯曲波导的电光调制被削弱，因此已报道的铌酸锂微腔调制器通常利用环形跑道结构，利用两个长直波导部分进行电光调制。此时，铌酸锂电光调制器尺寸往往很大。因此，发展一种无弯曲结构的铌酸锂波导微腔尤为重要。最简单直观的设计是采用法布里-珀罗谐振腔（FP腔）。然而，对于传统FP腔，存在光反射回到输入端口，通常需要外接隔离器或者环行器，使得整体结构复杂。
戴道锌团队提出并实现了一种基于2×2 FP腔的新型铌酸锂电光调制器。该调制器巧妙地利用多模波导光栅中TE0-TE1模式转换以及TE0-TE1模式解复用，有效地将反射光与输入光相分离，无需外接隔离器或者环行器，极大地简化了总体结构⁵。论文对FP腔电光调制器进行了深入理论分析，讨论了其调制带宽和调制效率与微腔Q值及工作波长失谐的相关性，并研制了等效腔长仅~ 50 μm的2×2 FP腔调制器。理论表明，利用峰值增强效应⁶，该器件调制带宽可超过200 GHz。实验测得其3 dB带宽超过110 GHz（受限于实验设备），实现了首个带宽超110 GHz的微腔型薄膜铌酸锂电光调制器，并进一步实验演示了100 Gbps 开关键控（on-off keying, OOK）和140 Gbps PAM4信号产生，其能耗仅4.5 fJ bit⁻¹。理论和实验表明：该器件具有超小尺寸、超高带宽、超低能耗等优点，具有突出的应用潜力。
图1 | (a)提出的2×2 FP腔调制器示意图；(b)模式（解）复用器；(c)多模波导光栅。
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