【《电光信号转换方法的研究概述》3500字】

电光信号转换方法的研究概述2011年，美国加州大学伯克利分校的MingLiu等人首次将石墨烯二维材料用于电光调制器的应用[26]，报道了基于石墨烯的宽光谱可调谐的电光调制器研究。他们将单层石墨烯材料铺垫在硅波导的表面，通过改变单层石墨烯的费米能级来改变混合波导对光的吸收强度，进而实现电光调制。该调制器工作频段为1.3μm到1.6μm，其调制带宽可以达到1GHz，调制深度为0.1dB/μm。2012年，为了提升石墨烯在传输波导中的工作效率，他们改进了单层石墨烯光电调制器的结构方案，采用双层石墨烯结构[27]。在硅波导的表面铺垫双层石墨烯，石墨烯之间采用氧化铝作为电介质层，增加了石墨烯与传输光场的作用区域，提升了调制效率。调制深度增强为0.16dB/μm，调制带宽为1GHz。2014年，LiChen等人研究了硅与LiNbO3混合的电光调制器[28]，如图1-6所示。基底为SOI(Silicon-On-Insulator)材料，在上面刻蚀完微环谐振腔后，利用苯并环丁烯材料作为绝缘层，并在上面镀上LiNbO3薄膜。该材料结构利用了硅基材料的高折射率差、低损耗且易集成的优势和LiNbO3的高非线性电光系数的优势，实现了微环谐振腔的低损耗。他们制作的半径15μm的微环腔Q值约14000，其电光效应的调制效率达3.3pm/V。图1-6基于混合Si与LiNbO3结构的LNOI微环电光调制器[28]Fig.1-6Themicroringelectro-opticmodulatorbasedontheSiandLiNbO3hybridstructure[28]2015年，美国康奈尔大学的Christopher设计了基于石墨烯微环谐振腔的电光调制器[29]，他们将铺垫在微环谐振腔表面的石墨烯层增加为两层，且至在谐振腔的部分区域铺垫，两层石墨烯之间用氧化铝连接。通过调节加载电压，可以改变主波导的透射率，从而实现光强调制。其调制范围为30GHz，调制深度为2.5dB/V。2018年，德国德累斯顿工业大学的RezaHosseini利用基于波纹波导的慢光效应实现了电光调制器的设计提高了能量利用效率[30]，如图1-7所示。在相同的能量消耗水平下，慢光调制器的损耗系数和损耗调制效率都小于通常的高掺杂硅基调制器。结果表明，具有中等慢速因子的慢光结构是提高调制器能量利用效率的合理选择。使用5×1017cm-3的掺杂水平(受主)和1×1018cm-3的掺杂水平(施主)，可以实现小于100fJ/bit的能量消耗。图1-7基于慢光波导的马赫曾德尔调制器[30]Fig.1-7Mach-Zehndermodulatorconceptusingslowlightcorrugatedwaveguides[30]图1-8（a）、（b）集成LN调制器和传统LN调制器数据传输设置的原理图比较，集成光子LN调制器支持高带宽(>100GHz)的直接CMOS驱动，(c)长度为20mm的器件中，施加的电压和归一化光透过率的关系，实验表现出1.4V的半波电压，消光比为30dB，(d)芯片的显微镜图像，调制器由三个马赫增德尔调制器组成，具有不同的微带线宽度和器件长度[32]。Fig.1-8(a)(b)Schematiccomparisonofthedata-transmittingset-upsforintegratedandtraditionalLNmodulators.ThenanophotonicLNmodulatorsupportsdirectCMOSdrivingwithhighbandwidths(>100GHz)(c)Normalizedopticaltransmissionofa20-mmdeviceasafunctionoftheappliedvoltage,showingalowhalf-wavevoltageof1.4V.Themeasuredextinctionratiois30dB.(d)MicroscopeimageofthefabricatedchipconsistingofthreeMach–Zehndermodulatorswithvariousmicrowavesignallinewidthsanddevicelengths[32].2017年，意大利光子网络与技术国家实验室的V.Sorianello等人设计了基于石墨烯的马赫曾德尔调制器结构[31]，他们将硅波导掩埋在二氧化硅基底中，将石墨烯铺在波导的表面。通过调节加载电压，可以改变调制臂的有效折射率，从而实现相位调制。该电光调制器的调制带宽为10GHz，驱动电压为2V左右。2018年，美国哈佛大学的ChengWang展示了单片集成的铌酸锂（LN）电光调制器[32]，兼容COMS工艺，支持高达210Gbits/s的数据传输速率，并显示小于0.5dB的片上光损耗，如图1-8所示。在实验中，他们完成了微波光子调制器的设计。在集成的铌酸锂电光调制器中，同时实现了高电光效率、超低光损耗和群速度匹配。在长度为20mm的器件中，表现出1.4V的低半波电压。测量的消光比为30dB。片上的电光调制器由三个马赫增德尔调制器组成，分别具有不同的微带线宽度和器件长度，支持高达100GHz带宽的直接电压驱动调节范围。综上所述，近年来电光调制器完成了从传统的分离式铌酸锂调制器向一体化、集成化的薄膜调制器、硅基光调制器的转变。但传统的电光调制器对驱动信号功率有较高的要求，半波电压通常在大于毫伏量级且需要偏置电压的辅助控制，在输入微弱信号是调制深度较低，不适用于直接的微弱微波信号探测。应用于微波光子雷达的面向微弱信号探测的电光调制器还没有相关的研究。另一方面，针对微弱微波信号向光信号的转换一直受到世界各国的关注，基于不同的电光、压电材料的电光效应实现方法已经得到了广泛的研究。早在2001年，Cohen就已经开始对回音壁模式谐振腔中的电光效应进行了理论研究[33]。2002年，他们利用LiNbO3晶体制作了高Q值的微盘腔，成功将37.9GHz的微波信号上转换到了1.55μm的通信光波段。他们预言，通过减小微盘厚度、增加微波驻波电极的电压增益、可以大幅提升调制器的灵敏度，最小可探测微波信号功率可达到nW量级[34]。随后2003年，Vladimir等人也开始研究利用高Q值的光学谐振腔实现电信号到光信号直接上转换[35]，基于非线性三波混频效应实现了毫米尺度微盘中微波信号和光波的非线性作用，在实验中成功将9.155GHz的微波信号调制到了光载波上，其最小可探测微波功率达到-60dBm。2006年，Hossein-zadeh利用铌酸锂回音壁模式谐振腔实现自同步检波光子微波接收机[36]。他们先调节直流偏压使光源频率等于微盘的谐振频率，将微波信号调制到光载波上。并最后通过光电探测器接收光载波信号，得到了输入微波的中频信号，如图1-9所示。该方案实现了频率为14.6GHz的微波信号接收，最小可接收的微波信号功率达到了-70dBm。2009年，加州理工学院的Strekalov等人基于高Q值回音壁模式谐振腔，实现了亚太赫兹信号转换为光信号[37]。他们将100GHz的毫米波信号转换至1550nm的通信光频域。基于回音壁模式谐振腔的结构，实现了功率转换效率为5×10-3，信号的转换带宽为0.52MHz的信号上转换。图1-9光学自同步检波微波接收机[36]。Fig.1-9Opticalself-synchronousdetectionmicrowavereceiver[36].2011年，新加坡国立大学的MankeiTsang提出了一种谐振腔式的电光调制器量子模型，该模型可以实现将一个光学模式和一个微波模式相干耦合，使两种模式可以进行量子相干操作，应用于包括微波谐振腔的激光冷却、电光纠缠和光学测量。他研究了耦合到谐振腔内的光学模式和微波模式之间的量子输入输出关系。在光抽运条件下，微波光子可以相干地转换为光学光子。该研究量子微波信号与量子光信号之间的转换提供了理论支撑[38]。此后大量的理论和实验研究工作实现了微波微弱向光信号的转换，包括以冷原子为基础采用超导电路进行耦合[55,65]，采用机械薄膜[56,64]，压电光子晶体[57,66]实现微波向光信号的电光机械耦合转换，但适用于与室温环境下的微弱信号转换方法仍瞩目于谐振腔结构的电光接收方法。2015年，俄罗斯莫斯科物理技术大学的Pavlov通过理论分析，研究得到谐振腔光子微波接收的效率主要取决于高频微波电场和光场的重叠积分，这意味着该结构的性能完全可以通过谐振腔的耦合结构来进行优化。他们用有限元仿真方法，分别在二维和三维情况下对微盘谐振腔与开路的环状微带线驻波电场分布进行仿真，结构如图1-10所示。在该模型下，微带线的最佳的设置会与光学谐振腔的谐振频率间隔以及所选的光学模式有很大关系[39]。2016年，洛桑联邦理工学院的Javerzac-Galy提出了一种能够直接将微波转换为光子的量子相干电光转换装置结构[40]，如图1-11所示。该混合系统由一个平面超导微波电路与一个集成的回音壁模式微谐振器耦合而成。通过利用平面微波谐振器的大真空电场，6GHz的微波信号的电光耦合强度可达到10~100kHz，这种转换器在mK的温度下工作，可以实现微波到光学信号的高效转换。图1-10光学谐振腔与微带线的结构图[39]Fig.1-10Structureofopticalresonatorandmicrostripline[39]图1-11微波到光转换的腔体光电系统原理图[40]Fig.1-11Principleforacavityelectro-opticalsystemformicrowave-to-opticalconversion[40]2016年，耶鲁大学的Chang-LingZou提出了利用压电效应实现光模式与微波模式耦合的方案，可以工作于封闭的三维微波腔或集成的超导氮化铝谐振器中[41]。压电-机械耦合使得微波与光波模式的相干转换效率更高，能高效的工作于混合量子系统。其最佳转换效率可以接近90%，带宽超过5Mhz、噪声系数低于0.22。同年，德国普朗克光科学研究所Alfredo提出了一种抑制双边带，得到单边带上转换信号的方法[42]，如图1-12所示。他们利用热调控的方式实现不对称模式自由光谱范围的回音壁谐振腔，实验演示了单边带的上转换调制方法。光电转换效率提高了3个数量级，在0.42mW的光泵浦下，对10GHz微波信号探测实现0.1%的量子转化效率，相比之前的工作提高了三个数量级，并且具有1MHz的转换带宽。2018年，马德里卡洛斯三世大学的SantamaríaBotello提出了一种基于高品质因数回音壁模式谐振腔的毫米波非线性上转换方法[43]，如图1-13所示，该方法适用于超低噪声下毫米波辐射的检测。他们在实验中演示了将79GHz的毫米波信号的利用相干上转换的方法转换到1550nm的光载波上，其归一化的光子转换效率达到2.5×10-5(mW)-1，利用基于原子制冷的原理避免了微波信号被热噪声污染。图1-12耦合棱镜和WGM谐振器的原理图[42]Fig.1-12PhotographofthebottompartofthemicrowavecavitywithsiliconcouplingprismandtheWGMresonator[42]图1-13适用于毫米波辐射监测的非线性上