Elektrooptische Hochgeschwindigkeitsmodulation in topologischen Grenzflächenzuständen eines eindimensionalen Gitters

Elektrooptische Modulatoren, die Signale vom elektrischen in den optischen Bereich umwandeln, sind das Herzstück der optischen Kommunikation, der drahtlosen Terahertz-Kommunikation, der Mikrowellensignalverarbeitung und der Quantentechnologie. Elektrooptische Modulatoren der nächsten Generation erfordern eine hohe Integrationsdichte, kompakte Abmessungen, große Bandbreiten und einen geringen Stromverbrauch. Sie sind mit etablierten integrierten Mach-Zehnder-Interferometern (MZI) oder Mikroringgeräten nur schwer zu erreichen.

Dank der einzigartigen Eigenschaften der topologischen Photonik, darunter ein enger optischer Einschluss, ein robuster Lichttransport und eine Immunität gegenüber Defekten, können integrierte Lithiumniobat (LN)-Wellenleiter mit topologischen Grenzflächenzuständen dazu beitragen, die Herausforderungen elektrooptischer Modulatoren der nächsten Generation zu bewältigen.

Der topologische Phasenübergang wurde genutzt, um integrierte photonische Geräte einschließlich nichtlinearer und Quantengeräte zu demonstrieren, aber die Reaktionszeiten der topologischen Geräte waren auf die Größenordnung von Mikrosekunden beschränkt. Topologische Hochgeschwindigkeitsmodulatoren wurden noch nicht genutzt.

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Licht: Wissenschaft und Anwendungen, hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Yikai Su und Prof. Yong Zhang von der Shanghai Jiao Tong University und Co-Autoren einen ultrakompakten, schnellen, energieeffizienten elektrooptischen Modulator mit großer Bandbreite und einer Topologie entwickelt Grenzflächenzustand in einem 1D-Mikrostrukturgitter auf einer mit Siliziumnitrid beladenen Lithiumniobat-auf-Isolator-Plattform (SiN-LN). Der topologische 1D-Hohlraum weist eine kürzere Länge auf als die herkömmlichen 1D-Bragg-Gitterstrukturen.

Im Gegensatz zum photonischen Kristall-Nanostrahlhohlraum mit mehreren Resonanzmoden ermöglicht der topologische Hohlraum eine flexible Steuerung des Q-Faktors und des Modenvolumens unter strikter Beibehaltung des Einzelmodenbetriebs und Vermeidung der Kontrolle der Modenzahl. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Länge des elektrooptischen Hochgeschwindigkeitsmodulators nur 140 μm beträgt, bei einem extrem niedrigen Stromverbrauch von 5,4 fJ/bit und einer großen Modulationsbandbreite von 104 GHz.

Der topologische Modulator basiert auf dem topologischen Grenzflächenzustand, der zwischen zwei topologischen photonischen Kristallen mit unterschiedlichen topologischen Invarianten und Oberflächenimpedanz im 1D-Gitter basierend auf dem klassischen Su-Schrieffer-Heeger (SSH)-Modell gebildet wird. Um einen topologischen Grenzflächenzustand bei einer photonischen Bandlücke zu erhalten, sind die topologischen Lückeninvarianten am linken und rechten topologischen photonischen Kristall erforderlich, um eine Differenz von π sicherzustellen.

Um das Vorzeichen der topologischen Invariante zu ändern, wird eine Methode zum Überqueren eines topologischen Übergangspunkts verwendet. Das Gerät weist eine hervorragende Leistung in Bezug auf ultrakleine Größe, hohe Geschwindigkeit und Energieeffizienz auf. Diese Wissenschaftler fassen das Funktionsprinzip ihres topologischen Modulators zusammen:

„Der Grenzflächenzustand ermöglicht den ersten topologischen Modulator mit einer kompakten Größe von nur 1,6 × 140 μm2, der der kompakteste Dünnschicht-LN-Modulator mit einer Bandbreite über 20 GHz ist. Es wird eine Peaking-Verstärkung in der elektrooptischen Reaktion des topologischen Hohlraums genutzt.“ um die durch die Photonenlebensdauer begrenzte Bandbreite zu durchbrechen, was zu einer großen Bandbreite von 104 GHz führt.“

„Aufgrund des kleinen elektrooptischen Modalvolumens und der kurzen Elektrodenlänge werden geringe Hochfrequenzverluste und eine kleine Kapazität erreicht, was zu einem extrem niedrigen Energieverbrauch von 5,4 fJ/Bit führt.“ Sie fügten hinzu.

„Die vorgestellten Geräte können 100-Gbit/s-Non-Return-to-Zero-Signale (NRZ) und 100-Gbit/s-Vierstufen-Pulsamplitudenmodulationssignale (PAM4) erzeugen. Nach unserem besten Wissen haben wir die ersten hochentwickelten Geräte implementiert. „Topologischer elektrooptischer Geschwindigkeitsmodulator unter Verwendung des topologischen Schnittstellenzustands. Der topologische Modulator ist vielversprechend für Anwendungen der Hochgeschwindigkeitsmodulation in der vollständig integrierten LN-Photonik und fördert Anwendungen topologischer Geräte in der optischen Kommunikation, Mikrowellenphotonik und Quanteninformationsverarbeitung“, so The Autoren sagten.