随着当前互联网、大数据、人工智能技术的快速发展，人们对信息处理能力、信息容量的需求逐渐提升。为了能够有效提升数据传输带宽、数据传输速度，光通信技术逐渐成为发展主流，它可以在全频谱范围内实现高速通信，避免集成电路存在的传输损耗大、电磁干扰等问题，其在短距离的光互连、跨洋超远距离信息传输、5G通信、生物传感等领域发挥着巨大的作用。电光调制器作为当前光通信领域的核心部件，它可以通过对光信号的相位、幅值进行调制从而实现信息的传输，它的性能决定着系统数据的传输能力，调制速率决定了数据传输的速率。接下来，小编将为大家介绍在AI时代常用于制备电光调制器的几种材料。

电光调制器（图源：苏州波弗光电科技有限公司）

Ⅲ-Ⅴ半导体电光调制器

Ⅲ-Ⅴ半导体电光调制器是利用Ⅲ-Ⅴ族材料的电光效应（Pockels或Frange-Kohn）来实现对光信号的调制的。通常会选择具有较高电光系数的材料，如砷化镓、磷化铟。当在它们外部施加电场时，材料的能带结构边界会发生倾斜，从而导致带隙缩小、电荷载流子的相关波函数发生变化、量子阱中载流子的空间重新得到分配且离散能级会产生位移，进而使光吸收增加。Ⅲ-Ⅴ半导体电光调制器在工作时，产生的损耗比较高，不仅有光损耗，还有因光吸收而产生的热量，但整体的调制效率还是非常的优异的。

研究进展：

（1）日本的OgisoY等人提出了一种基于InP的超高带宽和低半波电压的马赫·曾德尔调制器。该调制器具有新型n-i-p-n异质结构，显示出超过67GHz的3dB电光调制带宽以及小于1.5V的V_π，获得了在100Gb/s的NRZ-OOK调制信号，其高阶比超过10dB，以及120Gbaud速率的清晰正交调制信号，无需光学预均衡。

（2）日本的HirakiT等人演示了一个带有调制长度为250μm的InGaAsP/Si金属氧化物半导体电容移相器的马赫·曾德尔调制器，在累积模式下获得0.09V·cm的V_πL，插入损耗约为1dB，耗尽模式下的截止频率为∼2.2GHz，具有信号预加重的32-Gbits^-1调制。

异质集成电容式硅基磷化铟马赫·曾德尔调制器（图源：文献1）

铌酸锂电光调制器

铌酸锂电光调制器是一种利用铌酸锂晶体的线性电光（Pockels）效应来实现光信号调制的高性能电光调制器。因为铌酸锂具有较高的电光系数，当外部施加电场的情况下，晶体的折射率会发生变化，通过这种方式可以有效调制通过晶体的光波的相位、振幅，其调制速率主要取决于微波电极的性能，能够实现更快的调制速度、更高的线性度以及更低的功耗。

研究进展：

（1）2019年，中山大学He等实现了一种基于薄膜铌酸锂的双偏振同向-正交（DP-IQ）调制器，该调制器由两个并联的马赫-曾德尔调制器组成的双IQ调制器构成。该器件不仅具有1V的低驱动电压，还展示了高达110GHz的电光带宽，以及通过400正交振幅调制（QAM）实现的1.96Tbit/s信号传输速率。

（2）2023年，浙江大学采用新型2×2法布里-珀罗腔电光调制器阵列与4通道多模波导光栅波分复用器，实现了单片集成的薄膜铌酸锂光发射芯片。其功能区尺寸为0.3mm×2.8mm，各通道具有出色的均匀性，演示了320Gbit/s OOK信号和400Gbit/s PAM4信号的大容量传输。

薄膜铌酸锂电光调制器工作原理图（图源：文献5）

硅基电光调制器

硅基电光调制器是利用硅材料的光电性质来实现光信号调制的一种器件，它主要通过改变光传播的折射率从而实现光信号相位的控制。基于等离子体色散效应，光在波导中传输的折射率与载流子浓度相关，为了获得足够的相位改变能力，硅基电光调制器主要分为载流子注入、载流子耗尽和载流子累积三种工作模式。其中，载流子耗尽模式的结区电容小，故调制带宽最大；载流子累积模式在PN结中加入了氧化物隔离层，累积载流子浓度高，调制效率最大。相较其他电光调制器，硅基电光调制器可以在标准的互补金属氧化物半导体工艺线上制造，有效降低生产成本，有望在光通信领域实现大规模应用。但是由于等离子体色散效应固有的非线性，较低的无杂散动态范围会限制调制器上加载的微波信号功率。

研究进展：

（1）2023年，北京大学C.Han等提出并实现了基于硅波导光栅结构的慢光调制器，带宽高达110GHz，支持NRZ格式112Gbit/s的高速调制，且移相器长度仅有124μm。该结构由多个布拉格光栅波导串联组成。通过合理设计光栅的结构参数，使光子晶体波导在1550nm附近具有8nm的光学带宽，群折射率达到6.1。因此，光能以更慢的速度在波导中传输，增强了与硅材料以及驱动电信号的相互作用，移相器长度得以从mm量级缩短至百μm量级，显著减少了电信号的损耗，大幅增加了电学带宽和电光带宽。

（2）2024年，中国科学院半导体研究所A.Li等报道了基于45nm的CMOS工艺硅基单片集成光收发芯片，包含了驱动器、调制器、探测器等所有相关的光电器件。该芯片使用了4个微环调制器，每个微环分别支持64Gbit/s的高速调制，聚合速率达到256Gbit/s，误码率小于10-12。

高调制效率硅基电光调制器（图源：文献4）

石墨烯电光调制器

石墨烯作为一种二维材料，具有非常独特的电学性质和光学性质，拥有非常高的载流子迁移率以及可见光到远红外的宽光谱吸收能力。石墨烯电光调制器通常由一个光波导和石墨烯层构成，石墨烯层覆盖在光波导的顶部或嵌入到波导结构中，光波导用于引导光信号，石墨烯层作为调制介质。作为一种零带隙材料，石墨烯可以通过外加电场移动费米能级，从而改变其导电性。其自身无法形成PN结，所以常通过氧化物隔离层形成的电容器结构来调控石墨烯中的载流子浓度。当光信号通过光波导时，部分光会被耦合到石墨烯层中，在施加外部电场的情况下，石墨烯的载流子浓度会发生变化，从而影响石墨烯的折射率和光的吸收能力。目前常见的石墨烯调制器有电折射调制器和电吸收调制器两种，分别改变复介电常数的实部和虚部。

研究进展：

（1）意大利乌迪内大学的SorianelloV等人研究设计了一种基于石墨烯-绝缘体-硅电容器的紧凑型电光调制器，其结构基于马赫·曾德尔结构。他们在设计时为了可以大幅提高调制器的调制速率，采用了具有较快载流子迁移率的石墨烯材料。调制器性能参数为半波电压长度积达到0.28V·cm，但是由于受到RC时间常数的影响，调制器的调制带宽只有5GHz。

（2）2021年LeeBS等人提出了一种石墨烯-氮化硅电吸收环形调制器，该器件因在低温下石墨烯载流子的迁移率的改进，其在温度为4.9K时3dB带宽达到14.7GHz，在温度为293K时3dB带宽达到12.6GHz。调制器的带宽仅受高接触电阻限制，其固有的RC限制带宽在4.9K时为200GHz。

基于单层石墨烯的集成式硅基波导型电光调制器结构（图源：文献7）

聚合物电光调制器

聚合物电光调制器是利用聚合物材料的电光效应来实现光信号调制的装置。聚合物材料通常包含特殊的分子结构生色团，它们在电场的作用下会发生极化，使材料的折射率发生变化。当外部电压施加到聚合物上时，电场会使聚合物内部的生色团重新排列，折射率从而发生变化，折射率的变化与施加的电场强度成正比。

研究进展：

（1）瑞士苏黎世联邦理工学院的Haffner等将金属slot结构与电光聚合物材料结合组成Plasmonic调制器。他们将电光聚合物填充到金属狭缝中，使得电场和光场都能够集中分布在金属狭缝中，进一步增强了电光的相互作用，实现了电光聚合物与金属等离子基元相结合的MZI型电光调制器。该调制器的有效相移长度仅为6μm，对应的半波电压V_π=10V，调制带宽为70GHz。虽然光与金属直接接触产生了比较大的光损耗，但是器件的整体尺寸较小，整个器件的损耗能够控制在3dB以下。

（2）日本九州大学的Qiu课题组实现了在105℃下能够连续工作的超薄硅与电光聚合物相结合的电光调制器。2020年，他们将超薄硅与电光聚合物相结合，制备得到了3dB调制带宽为70GHz、调制速率可达200Gb/s的调制器，并且该电光聚合物调制器能够在110℃的高温下稳定工作，克服了电光聚合物调制器在高温下不稳定的棘手问题。

以电光聚合物为光波导芯层的电光调制器结构示意图（图源：文献2）

小结

当前电光调制器的开发和制造已达到较高的水平，可以在保证高数据传输速率的情况下，保持低损耗和高稳定性，诸如磷化铟、聚合物等新材料的开发，将会不断拓宽电光调制器的应用范围和性能，为未来高速光通信、光互连应用场景增添更多助力。

参考文献：

1、王义.高性能超紧凑薄膜铌酸锂电光调制器研究[D].江南大学.

2、邱枫.电光聚合物调制器的发展（特邀）[J].光学学报.

3、田永辉,袁明瑞,秦士敬,等.薄膜铌酸锂片上集成多维复用光子器件（特邀）[J].激光与光电子学进展.

4、夏鹏辉.高速硅光调制器及其集成芯片研究[D].浙江大学.

5、杨鹏毅.一种并行多路薄膜铌酸锂电光调制器[J/OL].光通信研究.

6、陈必更,李科,赵奕儒,等.硅基电光调制器研究进展[J/OL].激光与光电子学进展.

7、张晓颖.基于氧化石墨烯电光调制器的光纤锁模激光器的研究[D].南京信息工程大学.

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