M O O D T A P E | 十二月上
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《在绝望之巅》
E.M.齐奥朗
>> 我倒希望有一阵温暖的光从我身上落下，改造着整个世界，这阵光悠然迸发，保留了光明的永恒特有的平静。它远离狂喜的浓度，它会是优雅的轻盈和欢快的温暖。整个世界应当漂浮在这场光的梦里，在这明晰而虚幻的喜悦状态中。障碍和物质、形式和限制将不复存在。就让我在这样的风景中死于光明吧。
E.M.齐奥朗
>> 我倒希望有一阵温暖的光从我身上落下，改造着整个世界，这阵光悠然迸发，保留了光明的永恒特有的平静。它远离狂喜的浓度，它会是优雅的轻盈和欢快的温暖。整个世界应当漂浮在这场光的梦里，在这明晰而虚幻的喜悦状态中。障碍和物质、形式和限制将不复存在。就让我在这样的风景中死于光明吧。
香港城市大学（以下简称“港城大”）王骋团队的两篇论文于 9 月 27 日，在 Photonics Research上“背靠背”发表。王骋直言：“这两项研究可以作为我们的薄膜铌酸锂平台进军微波与毫米波领域的‘宣言’。”
这两项研究利用集成光学手段，初步解决了从微波/毫米波到光波的转换（调制）问题，分别为薄膜铌酸锂平台应用在微波光子学和毫米波光子学的重要瓶颈提供了解决方案。
在第一项研究中，港城大与中国科学院西安光学精密机械研究所团队合作将薄膜铌酸锂调制器的线性度提高近两个数量级。另一项研究中，港城大与美国哈佛大学、弗吉尼亚理工大学等团队合作，利用自建的电光测试平台系统性地对薄膜铌酸锂调制器进行了精确的超高频测试和建模。
并且，还利用这一模型实现了带宽覆盖整个毫米波波段（30-300GHz）的集成电光调制器，有望应用于未来 5G 通信、雷达和集成毫米波光子学系统。
相关论文题目分别为《超高线性度集成铌酸锂电光调制器》（Ultra-high-linearity integrated lithium niobate electro-optic modulators）[1]，以及《铌酸锂薄膜中毫米波-光调制性能的系统研究》（Systematic investigation of millimeter-wave optic modulation performance in thin-film lithium niobate）。
一，将薄膜铌酸锂调制器的线性度提高近两个数量级
该团队在铌酸锂材料固有的线性电光效应和线性调制方案的完美结合，将薄膜铌酸锂调制器的线性度提高了 18dB（即接近两个数量级）。
其重要性体现在哪里呢？其实在微波光子学领域，电光调制器的线性度是重要的参数之一，它直接决定了模拟信号传输的保真度，最终影响整个微波光子链路的性能。
值得关注的是，对于已报道的薄膜铌酸锂调制器，其线性度均受限于器件架构带来的非线性传输函数。而对于目前现有的其他光子集成平台，如硅、磷化铟等，真实的线性度则受限于材料本身的非线性的电光效应。
王骋表示：“我们的工作将材料线性度与架构线性度相结合，不仅大幅提升了线性度性能指标，而且也再次证明了铌酸锂光子平台在实用场景的优势。”
根据论文内容，该团队采用微环辅助的马赫-曾德尔型（RA-MZI）结构，通过微环的相位响应补偿 MZI 的非线性传输函数。王骋认为，其中最关键的步骤是微环与 MZI 的耦合系数需要“恰到好处”，才能获得理想的线性响应。
在已报道的文献中，微环大多数采用耦合系数可调节的定向耦合结构，但这额外增加了系统的复杂性和功耗。
该团队通过设计鲁棒性更高的多模干涉耦合器，并利用其实验室在器件加工上成熟度和重复性高的优势，精确地实现了理想的耦合系数，验证了该线性化方案的有效性，从而取得了优异的线性度指标。
在交调失真测试环节，研究人员对采集到的三阶交调信号（即信号失真的大小）作图，意外地发现其随输入信号变化的趋势并非一般文献中的三次方关系，而是五次方关系。随后经过理论分析后，他们断定，该信号的三阶失真项已经被成功抑制，而五阶项成为了新的主导失真来源。
“这是在片上 RA-MZI 型调制器中首次实验观察到此现象，它正是得益于铌酸锂材料优异的线性光电效应的和线性调制架构的完美结合。”王骋说道。
二，实现带宽覆盖整个毫米波波段的集成电光调制器
在王骋团队的另一项研究中，他们成功研发了毫米波薄膜铌酸锂调制器，实现了高达 170GHz 的 3dB 调制带宽和 295GHz 的 6dB 调制带宽。同时，也展示了在 250GHz 的超高调制频率下调制器的较低驱动电压 7.3V。
该研究为薄膜铌酸锂平台应用在毫米波光子学的重要瓶颈提供了新方案。实际上，毫米波光子学领域目前“尚不存在”，其主要瓶颈是缺少能覆盖整个毫米波波段（30-300GHz）的电光调制器。不仅调制器难以达到如此高的工作频率，就连在这些频率进行电学和电光测量也非常有挑战。
因此，毫米波-光调制器的设计往往只能依赖低频测量得出的模型进行外推，因而理论和实验在高频区域会有很大的差别。在这项研究中，王骋与团队首次在超高频的毫米波波段打通了包括理论模型设计、电学测试和电光性能测试在内的整个研究流程。
该团队不仅对毫米波传输线的电学特性，包括损耗、传输速度和阻抗进行了详细的测量和建模，而且利用这些实际测试的结果重新优化了调制器的设计模型，最终实现了调制性能覆盖整个毫米波波段的集成电光调制器。
优化后的调制器的超高频电光测试是该研究的另一大难点。一般来说，光芯片测量很少涉及如此高的调制频率，而毫米波测量则大多依赖标准探针平台，其与光芯片测试所需的光纤耦合平台不兼容。
该团队基于香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室，搭建了一套专用于毫米波-光芯片的测量平台，可同时实现芯片的光纤和毫米波探针输入输出，并利用该实验室完备的毫米波测试设备，最终实现了对集成毫米波-光调制器的精确测试与建模。
他表示，在进行超高频铌酸锂调制器测试过程中，当光谱分析仪上出现 300GHz 调制边带信号的那一刻仍让他记忆犹新。“这直接证明了我们的器件真的能够在如此高的频率下工作，对比我们此前测量和报道过的最高调制频率（100GHz），一下子提高了两倍。”
三，将重点探索薄膜铌酸锂平台在微波/毫米波光子学领域的应用场景
王骋认为，薄膜铌酸锂平台最关键的技术仍是器件加工工艺，尤其是在晶圆尺度上制备高性能器件与系统。因此如何取得低损耗、可重构、大规模的器件，是他与团队持续研究的方向。“我们真正想实现的是基于这一具有独特光学特性的材料的大规模光子集成线路，而不是局限于单个或少量器件。”他说
目前，该团队已经可以在 4 英寸薄膜铌酸锂晶圆的尺度下，实现多层器件加工。基于其平台，他们正在研究，并期望能实现很多此前难以想象的系统级应用，这既包括集成微波/毫米波光子学系统，也涵盖光通信、光计算、量子信息处理、精密测量与传感等许多新兴领域。
该团队期望未来把高性能、高带宽调制器，与薄膜铌酸锂平台上同时具备的其他低损耗器件相结合（如滤波器、延时线、移相器等），通过构建大规模的微波/毫米波光子前端网络，以实现更广泛的微波/毫米波光子学应用。
王骋表示：“希望能在未来几年重点探索薄膜铌酸锂平台在这些领域的应用场景，将技术转化成实际产品，从而更好地回馈社会。这对科研工作者来说，也是无比自豪的事。”
参考资料：
1.Hanke Feng et al. Photonics Research 10,2366-2373(2022).
2.Yiwen Zhang et al. Photonics Research 10,2380-2387(2022). https://t.cn/A6XY9HN8
这两项研究利用集成光学手段，初步解决了从微波/毫米波到光波的转换（调制）问题，分别为薄膜铌酸锂平台应用在微波光子学和毫米波光子学的重要瓶颈提供了解决方案。
在第一项研究中，港城大与中国科学院西安光学精密机械研究所团队合作将薄膜铌酸锂调制器的线性度提高近两个数量级。另一项研究中，港城大与美国哈佛大学、弗吉尼亚理工大学等团队合作，利用自建的电光测试平台系统性地对薄膜铌酸锂调制器进行了精确的超高频测试和建模。
并且，还利用这一模型实现了带宽覆盖整个毫米波波段（30-300GHz）的集成电光调制器，有望应用于未来 5G 通信、雷达和集成毫米波光子学系统。
相关论文题目分别为《超高线性度集成铌酸锂电光调制器》（Ultra-high-linearity integrated lithium niobate electro-optic modulators）[1]，以及《铌酸锂薄膜中毫米波-光调制性能的系统研究》（Systematic investigation of millimeter-wave optic modulation performance in thin-film lithium niobate）。
一，将薄膜铌酸锂调制器的线性度提高近两个数量级
该团队在铌酸锂材料固有的线性电光效应和线性调制方案的完美结合，将薄膜铌酸锂调制器的线性度提高了 18dB（即接近两个数量级）。
其重要性体现在哪里呢？其实在微波光子学领域，电光调制器的线性度是重要的参数之一，它直接决定了模拟信号传输的保真度，最终影响整个微波光子链路的性能。
值得关注的是，对于已报道的薄膜铌酸锂调制器，其线性度均受限于器件架构带来的非线性传输函数。而对于目前现有的其他光子集成平台，如硅、磷化铟等，真实的线性度则受限于材料本身的非线性的电光效应。
王骋表示：“我们的工作将材料线性度与架构线性度相结合，不仅大幅提升了线性度性能指标，而且也再次证明了铌酸锂光子平台在实用场景的优势。”
根据论文内容，该团队采用微环辅助的马赫-曾德尔型（RA-MZI）结构，通过微环的相位响应补偿 MZI 的非线性传输函数。王骋认为，其中最关键的步骤是微环与 MZI 的耦合系数需要“恰到好处”，才能获得理想的线性响应。
在已报道的文献中，微环大多数采用耦合系数可调节的定向耦合结构，但这额外增加了系统的复杂性和功耗。
该团队通过设计鲁棒性更高的多模干涉耦合器，并利用其实验室在器件加工上成熟度和重复性高的优势，精确地实现了理想的耦合系数，验证了该线性化方案的有效性，从而取得了优异的线性度指标。
在交调失真测试环节，研究人员对采集到的三阶交调信号（即信号失真的大小）作图，意外地发现其随输入信号变化的趋势并非一般文献中的三次方关系，而是五次方关系。随后经过理论分析后，他们断定，该信号的三阶失真项已经被成功抑制，而五阶项成为了新的主导失真来源。
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二，实现带宽覆盖整个毫米波波段的集成电光调制器
在王骋团队的另一项研究中，他们成功研发了毫米波薄膜铌酸锂调制器，实现了高达 170GHz 的 3dB 调制带宽和 295GHz 的 6dB 调制带宽。同时，也展示了在 250GHz 的超高调制频率下调制器的较低驱动电压 7.3V。
该研究为薄膜铌酸锂平台应用在毫米波光子学的重要瓶颈提供了新方案。实际上，毫米波光子学领域目前“尚不存在”，其主要瓶颈是缺少能覆盖整个毫米波波段（30-300GHz）的电光调制器。不仅调制器难以达到如此高的工作频率，就连在这些频率进行电学和电光测量也非常有挑战。
因此，毫米波-光调制器的设计往往只能依赖低频测量得出的模型进行外推，因而理论和实验在高频区域会有很大的差别。在这项研究中，王骋与团队首次在超高频的毫米波波段打通了包括理论模型设计、电学测试和电光性能测试在内的整个研究流程。
该团队不仅对毫米波传输线的电学特性，包括损耗、传输速度和阻抗进行了详细的测量和建模，而且利用这些实际测试的结果重新优化了调制器的设计模型，最终实现了调制性能覆盖整个毫米波波段的集成电光调制器。
优化后的调制器的超高频电光测试是该研究的另一大难点。一般来说，光芯片测量很少涉及如此高的调制频率，而毫米波测量则大多依赖标准探针平台，其与光芯片测试所需的光纤耦合平台不兼容。
该团队基于香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室，搭建了一套专用于毫米波-光芯片的测量平台，可同时实现芯片的光纤和毫米波探针输入输出，并利用该实验室完备的毫米波测试设备，最终实现了对集成毫米波-光调制器的精确测试与建模。
他表示，在进行超高频铌酸锂调制器测试过程中，当光谱分析仪上出现 300GHz 调制边带信号的那一刻仍让他记忆犹新。“这直接证明了我们的器件真的能够在如此高的频率下工作，对比我们此前测量和报道过的最高调制频率（100GHz），一下子提高了两倍。”
三，将重点探索薄膜铌酸锂平台在微波/毫米波光子学领域的应用场景
王骋认为，薄膜铌酸锂平台最关键的技术仍是器件加工工艺，尤其是在晶圆尺度上制备高性能器件与系统。因此如何取得低损耗、可重构、大规模的器件，是他与团队持续研究的方向。“我们真正想实现的是基于这一具有独特光学特性的材料的大规模光子集成线路，而不是局限于单个或少量器件。”他说
目前，该团队已经可以在 4 英寸薄膜铌酸锂晶圆的尺度下，实现多层器件加工。基于其平台，他们正在研究，并期望能实现很多此前难以想象的系统级应用，这既包括集成微波/毫米波光子学系统，也涵盖光通信、光计算、量子信息处理、精密测量与传感等许多新兴领域。
该团队期望未来把高性能、高带宽调制器，与薄膜铌酸锂平台上同时具备的其他低损耗器件相结合（如滤波器、延时线、移相器等），通过构建大规模的微波/毫米波光子前端网络，以实现更广泛的微波/毫米波光子学应用。
王骋表示：“希望能在未来几年重点探索薄膜铌酸锂平台在这些领域的应用场景，将技术转化成实际产品，从而更好地回馈社会。这对科研工作者来说，也是无比自豪的事。”
参考资料：
1.Hanke Feng et al. Photonics Research 10,2366-2373(2022).
2.Yiwen Zhang et al. Photonics Research 10,2380-2387(2022). https://t.cn/A6XY9HN8
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