用于紧凑型光子集成电路的调制器

斯科尔科沃科学技术研究所的研究人员开发出一种基于硅光子学与等离激元的超紧凑电光调制器，能在极小的器件尺寸内实现高效的光信号控制。这一成果有望应用于光通信系统、模数转换，以及基于光子技术的超高频信号生成和处理设备。这项工作发表在《光：先进制造》期刊上。

该器件采用宽度约7微米、厚度220纳米的多模硅波导，顶部覆盖一层薄薄的氧化铟锡。

施加电压时，氧化铟锡与绝缘二氧化硅层界面处约2纳米的超薄层内电子浓度发生变化，从而改变材料的折射率和吸收系数，实现对传输光的调制。

这项新研发与现有同类方案的关键区别在于利用了波导的多模工作方式。在宽波导中，多种模式可以同时传播并相互耦合。

通过控制这些模式的激发参数，研究人员可以实现光的幅度调制或相位调制。在器件输出端会形成两个空间分离的信号，彼此间具有180度的相位差。

“这篇论文是理解基于透明导电氧化物的等离激元集成调制器特性的重要成果，”论文第一作者、斯科尔科沃科学技术研究所工程物理中心初级研究员Anastasia Zemzova表示。

调制器的所有制备和测试阶段均在斯科尔科沃科学技术研究所工程物理中心等离激元实验室完成。该论文首次展示了调制器的直流消光比及其高频响应，并揭示了由不同机制导致的消光比显著差异。

“独特的多模设计使一个1.6微米长的结构在-2至1.5伏电压范围内实现了20.6分贝的直流消光比，相当于创纪录的12.8分贝/微米。直接测量的交流消光比在10兆赫调制频率下为2.48分贝，而在1吉赫兹、-2至2伏电压范围内，对于3.6微米长的调制器，该数值降至1.25分贝。”

“该结构的独特之处在于其灵活的调谐能力，”论文合著者、斯科尔科沃科学技术研究所工程物理中心研究科学家Daniil Zemtsov说。

“同一个调制器既可以实现幅度调制，也可以实现相位调制，甚至能将这两种模式结合起来。此外，平衡输出除了在噪声性能方面的优势，还能在光子集成电路的尺度上实现空间调制——所有这些都在微米尺寸的器件内完成。我们在2023年展示了一种工作在40吉赫兹以上的单模调制器。多模设计将器件提升到了一个新水平。”

“这项工作的实际意义在于能够为需要平衡探测的信号处理系统制造紧凑的光子集成电路。这类系统需要向光电探测器馈送两个反相信号，从而抑制噪声并放大有用信号，”斯科尔科沃科学技术研究所工程物理中心主任、该研究科学指导Vladimir Drachev教授补充道。

“这通常通过几毫米长的马赫-曾德尔干涉仪来实现。我们提出的器件仅几微米长，却在单一波导内完成同样功能，显著缩小尺寸并简化了集成。重要的是，因其超紧凑的尺寸，适中的消光比并不会限制其应用于高速信号处理。

“由四个调制器组合而成的所谓推挽架构，能在单个调制器水平一般（例如1分贝对20分贝）的情况下提供较高的总消光比，这常用于相干通信系统中先进的四维调制格式。”

另一个优势是器件制备后仍可调节其特性。通过调整输入和输出光纤相对于芯片表面的位置，可以改变不同模式的贡献，从而改变调制器的性能特征。这简化了校准过程，并提升了该研发成果的实际吸引力。

相关链接：https://dx.doi.org/10.37188/lam.2026.067