兼顾高带宽与小尺寸：517 Gbps SiN-LNOI微环调制器

薄膜铌酸锂（LNOI）凭借优异的线性电光效应（普克尔斯效应）与低传输损耗，是下一代高速光调制器的核心材料平台。基于 LNOI 的马赫 - 曾德尔（MZ）调制器已经展现出卓越的带宽与速率性能，但其干涉型结构天然要求较长的调制臂来积累相位差，器件尺寸始终无法大幅缩小。因此业界一直在探索更紧凑的谐振腔型调制器提升芯片集成度及降低调制能耗。

其中，微环调制器凭借其简单的结构与天然的波分复用能力，成为最具潜力的方案之一。但长期以来，微环调制器受限于谐振腔内的光子寿命限制与传统集总电极结构，调制带宽与速率始终和 MZM 存在明显差距，成为高密度光子集成芯片的关键性能瓶颈。

近期，兰州大学田永辉团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）团队，基于氮化硅-薄膜铌酸锂（SiN‑LNOI）平台实现了200Gbaud PAM6 调制，净速率达到517 Gbps 的微环调制器，电光带宽 > 110 GHz，器件比特能耗低至1.5 fJ/bit，并成功验证了其在光子计算与自由空间光通信场景中的应用潜力。

二、器件核心设计及制备

这款超高速微环调制器基于SiN-LNOI平台完成验证，团队通过电极结构创新与弯曲波导优化两大核心设计，同时实现了超宽带宽、低损耗与紧凑型尺寸。

1. 电极设计：全对称电容加载行波电极

为了提升调制效率与带宽，引入dummy waveguide的完全对称电容加载行波结构，并与传统两种电极方案进行对比：

dummy waveguide：不承担光信号传输功能，核心作用是与电容加载行波电极配合，实现电极结构完全对称，匹配微波阻抗与等效折射率，降低微波传输损耗，改善光波与微波的速度匹配，从而大幅提升调制带宽。

a. 带dummy波导的GSG电极：特征阻抗约 43 Ω，与标准 50 Ω 片外负载的失配率仅 14%，反射系数约 0.075，几乎可以忽略不计。

b. 无dummy波导的GSG电极：存在寄生串扰与模式色散问题；

c. 传统GS电极：特征阻抗仅约 31.6 Ω，与 50 Ω 标准阻抗的失配率高达 36.8%，且电磁场分布不对称，高频信号辐射严重，带宽表现最差；

2. 弯曲波导设计

团队采用欧拉(Euler)弯曲波导结构，实现直波导-弯曲波导的绝热曲率过渡。经过3D-FDTD仿真优化，最大/最小弯曲半径分别为 100 μm和64 μm。在以 1550 nm 为中心的 100 nm 宽波长范围内，传输损耗＜ 0.03 dB。

3. 制备工艺

在 LNOI 晶圆上溅射沉积 300nm 氮化硅薄膜，结合电子束光刻（EBL）+ 感应耦合等离子体（ICP）刻蚀制备波导与光栅结构；最后通过电子束蒸发、激光直写与lift-off工艺，制备 300nm 厚金电极。

三、器件核心性能表征

1. 静态光学性能

• 插入损耗（IL）：1.68 dB
• 消光比（ER）：14.85 dB
• 品质因数（Q 值）约 14000，自由光谱范围FSR=0.313 nm（39.125 GHz)

2. 高速电光性能

• 电光带宽：超过 110 GHz，高于之前报道的微环调制器。
• 调制速率：200 GBaud PAM6 格式下实现517 Gbps 净数据速率，Vpp仅为0.8V，比特能耗低至1.5 fJ/bit，能效领先同类紧凑型器件；
• 误码率（BER）：当接收光功率大于 - 20 dBm 时，误码率低于软判决前向纠错（SD-FEC）阈值（2×10⁻²）。

四、应用场景验证

1. 光子计算应用

基于微环调制器构建并行乘积累加（MAC）光子计算架构：用微环调制器编码权重数据，外部商用调制器编码输入数据，通过时间精确对准实现并行运算；权重分为正、负分量分别编码，最终通过差值得到计算结果。

• 鸢尾花（Iris）识别：在 40 GBaud 速率下，30 个测试样本全部正确分类，准确率达 100%；
• IPC 图案边缘检测：实现 4 个方向（左上、右上、右下、左下）的 2×2 卷积核并行边缘检测，验证了多内核并行卷积能力。

2. 自由空间光无线通信（OWC）

利用微环的多波长调制特性，级联二维光学相控阵（OPA），通过波长依赖的波束偏转实现无机械扫描的角度复用多目标通信。

• 实验配置：80 cm 自由空间链路，3 个波长通道（1550 nm、1555 nm、1560 nm），对应纵向出射角 3.4°、3.85°、4.3°；
• 单通道速率：360 Gbps（180 GBaud PAM4）；
• 误码表现：三个通道 BER 分别为 3.87×10⁻²、4.16×10⁻²、2.90×10⁻²，均低于 25% 开销 SD-FEC 阈值（5×10⁻²）。

五、性能对比与讨论

1. 同类器件横向对比

与 LNOI 平台的各类紧凑型调制器（慢光、FP 腔、等离子体、波导布拉格光栅等）相比，本工作在调制速率（517 Gbps）和能耗（1.5 fJ/bit）上均具备显著优势，核心原因是全对称电容加载行波电极 + dummy波导的设计，同时实现了低射频损耗、高调制带宽和低工作电压。

2. 未来优化方向

1）光子计算：当前速率受限于商用外部调制器（~20 GHz 带宽），未来集成双高速调制器可大幅提升算力；

2）光无线通信：当前误码率偏高主要因 OPA 引入插入损耗，导致 EDFA 输入功率不足，实际部署中可通过绝热边缘耦合器、优化 EDFA 增益改善；

3）波长调谐：可通过铌酸锂与氮化硅的热光效应，在微环旁集成加热器实现谐振波长调谐，调谐电压低于电光效应方案。

3. 行业价值

这项工作突破了铌酸锂微环调制器的带宽瓶颈，首次让紧凑型谐振腔器件达到主流马赫 - 曾德尔调制器的速率水平，兼顾小体积、低能耗与超高性能，为 AI 光互联、光子计算、6G 光无线通信等下一代信息系统提供了核心器件支撑。