在當(dāng)今高速發(fā)展的光通信、量子計(jì)算、生物傳感及精密光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域，對(duì)高性能光開關(guān)的需求日益迫切。傳統(tǒng)的機(jī)械式斬光器或基于其他材料平臺(tái)的光開關(guān)，在帶寬、速度和集成度方面已逐漸顯現(xiàn)出瓶頸。作為深耕光通信領(lǐng)域的專業(yè)廠商，廣西科毅光通信科技有限公司始終關(guān)注前沿技術(shù)動(dòng)態(tài)。今天，我們將深入解析一項(xiàng)極具前景的創(chuàng)新技術(shù)——超大帶寬的鈮酸鋰電光開關(guān)，這項(xiàng)技術(shù)有望為行業(yè)帶來(lái)革命性的解決方案。

一、行業(yè)痛點(diǎn)：為何需要“超大帶寬”光開關(guān)？

在可見光（400-700nm）乃至近紅外波段（至900nm），許多尖端應(yīng)用如原子鐘、光遺傳學(xué)、高精度氣體檢測(cè)等，都依賴于對(duì)光源的快速、精準(zhǔn)調(diào)制。傳統(tǒng)方法常使用機(jī)械斬光器，但其存在體積大、速度慢、可靠性低等固有缺陷。而基于熱光或早期鈮酸鋰平臺(tái)的集成光開關(guān)，又受限于材料本身的色散特性，難以在整個(gè)可見光波段內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高消光比和超低插入損耗。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，單一波長(zhǎng)下性能優(yōu)異的光開關(guān)，在面對(duì)一個(gè)寬光譜范圍時(shí)，其性能會(huì)急劇下降。如何打破這一“帶寬-性能”的權(quán)衡，成為業(yè)界亟待解決的難題。

二、破局之道：薄膜鈮酸鋰與級(jí)聯(lián)馬赫-曾德干涉儀（MZI）

近期，一項(xiàng)由浙江大學(xué)研發(fā)并獲得實(shí)用新型的技術(shù)，為我們指明了方向。該方案巧妙地結(jié)合了兩大核心優(yōu)勢(shì)：高性能薄膜鈮酸鋰（LNOI）平臺(tái)與多級(jí)聯(lián)等臂

馬赫-曾德干涉儀（MZI）結(jié)構(gòu)。

1. 薄膜鈮酸鋰（LNOI）：理想的光電材料平臺(tái)

鈮酸鋰（LiNbO?）晶體因其巨大的電光系數(shù)、強(qiáng)非線性效應(yīng)以及從400nm到5000nm的超寬透明窗口，一直是制作高速電光調(diào)制器和開關(guān)的理想材料。然而，傳統(tǒng)的鈦擴(kuò)散或質(zhì)子交換工藝制成的波導(dǎo)，折射率差小，導(dǎo)致器件尺寸龐大，無(wú)法滿足現(xiàn)代系統(tǒng)對(duì)高密度集成的需求。

薄膜鈮酸鋰技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了這一局面。通過(guò)將單晶鈮酸鋰薄膜鍵合到二氧化硅（SiO?）絕緣層上，再在其上刻蝕出納米級(jí)的脊型波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)極高的折射率對(duì)比度。這不僅大幅縮小了器件尺寸（最小特征尺寸可達(dá)100nm），使其與CMOS工藝兼容，更關(guān)鍵的是，它為在可見光波段構(gòu)建高性能、緊湊型光子集成電路鋪平了道路。

2. 級(jí)聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)超大帶寬的關(guān)鍵

單個(gè)馬赫-曾德干涉儀（MZI）光開關(guān)的工作原理是通過(guò)外加電壓改變兩臂波導(dǎo)的折射率，從而引入相位差，最終在輸出端實(shí)現(xiàn)光的“開”與“關(guān)”。然而，其消光比（即“關(guān)”態(tài)的抑制能力）對(duì)波長(zhǎng)極其敏感，帶寬非常有限。

該技術(shù)的精妙之處在于，它沒(méi)有局限于單個(gè)MZI，而是采用了多個(gè)不同移相器長(zhǎng)度的MZI進(jìn)行級(jí)聯(lián)。

如下圖所示，這是單個(gè)等臂MZI的基本結(jié)構(gòu)。

圖1  等臂馬赫-曾德干涉儀（MZI）的結(jié)構(gòu)俯視圖

在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，輸入光首先通過(guò)一個(gè)漸變輸入波導(dǎo)，然后進(jìn)入一個(gè)由三根漸變波導(dǎo)構(gòu)成的3dB分束器。這個(gè)分束器的設(shè)計(jì)極為巧妙，其寬度在特定長(zhǎng)度內(nèi)連續(xù)變化，能夠在400-900nm的超寬波段內(nèi)穩(wěn)定地將光功率50:50分配到上下兩個(gè)臂中，損耗極低。

隨后，光信號(hào)分別進(jìn)入包含移相器的上下直波導(dǎo)。移相器采用推挽式（GSG）電極結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加半波電壓時(shí)，上下臂的TE基模折射率產(chǎn)生等大反號(hào)的變化，從而在兩臂間引入π的相位差。最后，兩束光在3dB合束器處重新匯合。合束器同樣采用漸變?cè)O(shè)計(jì)，當(dāng)兩束光同相時(shí)，能量耦合回基模輸出；當(dāng)反相（相位差π）時(shí)，能量則耦合到高階模，再通過(guò)漸變輸出波導(dǎo)將其濾除，從而實(shí)現(xiàn)“關(guān)斷”。

圖4  3dB分束器在整個(gè)400～900nm波段內(nèi)的單端輸出接近50%

3. 級(jí)聯(lián)的魔力：乘積效應(yīng)帶來(lái)超大帶寬

單個(gè)MZI的透過(guò)率光譜通常呈現(xiàn)周期性的梳狀。如果我們將四個(gè)移相器長(zhǎng)度分別為3mm、5mm、8mm和12mm的MZI級(jí)聯(lián)起來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)的總透過(guò)率就變成了這四個(gè)獨(dú)立透過(guò)率光譜的乘積。

這意味著，只有在所有四個(gè)MZI都同時(shí)處于“關(guān)斷”狀態(tài)的波長(zhǎng)點(diǎn)，系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)真正的“關(guān)”。由于每個(gè)MZI的“關(guān)斷”波長(zhǎng)位置不同，它們的乘積效應(yīng)會(huì)極大地壓縮“泄露”光的帶寬，從而在整個(gè)400-900nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小于-20dB的超高消光比。

圖11 四級(jí)聯(lián)MZI光開關(guān)在400-900nm波段的消光比

圖10 四級(jí)聯(lián)MZI光開關(guān)在400-900nm波段的插入損耗

如上圖所示，該方案不僅實(shí)現(xiàn)了超大帶寬的高消光比，在整個(gè)工作波段內(nèi)的理論插入損耗也低于0.25dB，性能極為出色。

三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)前景

這項(xiàng)基于薄膜鈮酸鋰的級(jí)聯(lián)MZI光開關(guān)技術(shù)，具備以下顯著優(yōu)勢(shì)：

• 超大工作帶寬：覆蓋整個(gè)可見光及部分近紅外波段（400-900nm），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案。

• 超高消光比：全波段優(yōu)于-20dB，確保了信號(hào)調(diào)制的純凈度。

• 超低插入損耗：得益于創(chuàng)新的漸變波導(dǎo)分/合束器設(shè)計(jì)。

• 高速電光調(diào)制：利用鈮酸鋰的電光效應(yīng)，響應(yīng)速度可達(dá)GHz量級(jí)。

• 單電壓控制：所有級(jí)聯(lián)MZI的電極可并聯(lián)，僅需一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

• 高度集成化：基于薄膜平臺(tái)，器件尺寸小巧，易于與其他光子元件集成。

這些特性使其不僅能作為高性能光開關(guān)，還可直接用作緊湊型的電子“斬光器”或超大帶寬調(diào)制器，在量子信息處理、生物醫(yī)學(xué)成像、高精度光譜分析、激光雷達(dá)（LiDAR）等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

四、結(jié)語(yǔ)

技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力。廣西科毅光通信科技有限公司將持續(xù)追蹤并評(píng)估此類前沿技術(shù)，致力于將最先進(jìn)的科研成果轉(zhuǎn)化為可靠的商業(yè)產(chǎn)品，為客戶在高速光互連、傳感和計(jì)算領(lǐng)域提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。我們相信，隨著薄膜鈮酸鋰等新材料和新架構(gòu)的成熟，未來(lái)的光子系統(tǒng)將變得更加智能、高效和強(qiáng)大。

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 （注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）