光电融合技术是电子电路和光电子链路之间的重要桥梁，在通信、计算、传感和量子信息处理等领域有着广泛的应用。近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）已成为光电融合技术的革命性平台，实现了电光耦合、超低光损耗和高微波带宽的完美结合。本文将介绍薄膜铌酸锂上的光电融合的原理，并探讨其开创性的器件和应用，介绍基本物理原理、关键器件结构以及频率梳、光量子技术和低温操作等新兴领域。
图1. 时间轴展示了薄膜铌酸锂（TFLN）平台的快速发展，从基本的电光器件开始，发展到更复杂的应用，如集成激光器、电光梳和量子器件。关键里程碑包括低损耗TFLN波导的开发、与硅和氮化硅的混合集成以及各种功能的实现，如调制器、周期性极化TFLN器件和激光器。
电光（EO）效应允许使用外加电场控制光学特性。在铌酸锂中，这种效应表现为Pockels效应——折射率的变化与外加电场成正比。这种效应的强度由电光系数r33来表征，在铌酸锂中约为30 pm/V。图2. 薄膜铌酸锂的基本原理和器件结构。a，进入电光材料的入射光将发生相移，其与施加在材料上的电压成正比。b，TFLN晶圆和用于制备TFLN晶圆的"智能切割"技术的示意图。轴线代表LN晶体的晶体轴。c，主要类型的TFLN电光平台的横截面。白色虚线箭头表示微波电场线。d、三种主要电光器件的示意图：波导、腔体和耦合腔体。虚线框用于标记施加电光调制的电极区域。传统上，铌酸锂器件是在大块晶圆上制造的。过去十年中，绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）的出现带来了变革。这些晶圆采用"智能切割"技术制造，将薄薄的一层（约300-600纳米）铌酸锂切片，并将其与绝缘基板粘合。这使得光束的约束更加紧密，器件更小、更高效。图2b展示了"智能切割"技术和TFLN晶圆结构。该工艺包括离子注入、晶圆键合和热裂解，以在低折射率基板上形成铌酸锂薄膜。集成电光的基本组成部分是相位调制器——一种带有电极的波导，可诱导传播光发生相移。关键性能指标包括：Vπ：π相移所需的电压
带宽：调制最大速度
插入损耗：器件中的光损耗
最先进的TFLN调制器可实现Vπ~1V、带宽>100GHz和插入损耗<1dB。这比整体器件的性能提高了几个数量级。图2c展示了不同TFLN电光平台的横截面，包括x切和z切配置，以及使用肋加载或薄膜键合的混合方法。1.基于波导的：最简单的结构，用于相位和振幅调制。
2.单腔：增强电光相互作用的谐振结构。
3.耦合腔：更复杂的结构，可实现高级功能。
图2d很好地说明了这三种器件类别，展示了波导、腔和耦合腔器件的示意图。
最基本的波导器件是相位调制器（PM），由两个电极之间的单个波导组成。在马赫-曾德干涉仪的每个臂中嵌入一个PM，即可形成振幅调制器（AM）。图3. 基于波导的薄膜铌酸锂（TFLN）器件利用电光效应调制光。相位调制器（PM）产生与外加电压成正比的相移，而振幅调制器（AM）则将相移转换为强度调制。多通道PM可提高调制效率，而CMOS兼容AM可在电信波长下实现高带宽。环辅助AM可提高线性度。包括双极化版本在内的IQ调制器可在复数平面上进行调制，适用于高级通信方案。最先进的薄膜铌酸锂马赫-曾德尔调制器已实现Vπ~1V、消光比>20dB和带宽>100GHz。这可实现高速、低功耗的光通信。例如，基于TFLN的双极化同相/正交（IQ）调制器最近实现了创纪录的单波长数据传输速率1.96 Tb/s。图3g和3h展示了IQ调制器的概念和实际器件图像。IQ调制器由两个具有90度相移的嵌套式马赫-曾德尔调制器组成，可实现复杂的调制格式。另一个重要的波导器件是电光频率梳发生器。通过级联相位和振幅调制器，已经演示了具有>40条光谱线的>10 nm宽带梳。这些器件在电信、微波光子技术和光谱技术方面的应用前景极佳。在光腔内放置一个相位调制器，可以形成共振结构，从而增强电光相互作用。这样就能高效地产生电光频率梳。2019年，Zhang等人展示了首个基于TFLN微环的电光频率梳，其跨度比之前的演示大了一个数量级 [1]。图4. 基于薄膜铌酸锂的腔电光器件具有多种功能。光子晶体调制器和合成电光晶体可实现对光的精确控制。耦合腔电光梳产生频率梳，而双环耦合腔电光调制器则形成光子两级系统，用于频率转换和光束分束。三环耦合腔频率环行器提供隔离。腔电光器件促进光与微波腔之间的相互作用，从而实现对超导量子位的转换器和光学控制。另一个有趣的单腔器件是光子晶体调制器。通过设计光子带隙，可以实现结构极其紧凑且效率极高的调制器。李等人最近在TFLN上展示了一种光子晶体电光调制器，其Vπ·L值创纪录地低至0.32 V·cm。图4a和4b展示了光子晶体调制器的概念和器件。光子晶体结构能够实现强光约束，从而增强电光相互作用。耦合腔结构可实现更高级的功能。例如，一对耦合环可形成光子"两级系统"，从而实现高效的频率转换和光束分束。胡等人最近利用这一特性实现了效率超过99%、插入损耗仅为0.45 dB的创纪录频率转换。图4h和4i展示了该频率转换器的原理图和器件图像。耦合环结构能够精确控制光模式，并实现它们之间的有效能量传递。三环结构能够实现更奇特的器件，如片上光隔离器和环行器。这些器件传统上需要磁光材料，但仅使用电光效应即可在TFLN上实现。图4j展示了一个三环耦合腔频率循环器的例子。该器件展示了在TFLN上使用耦合谐振器创建复杂光子系统的潜力。薄膜铌酸锂调制器的高效率和低损耗使其有望用于光子量子信息处理。最近的演示包括：单光子光谱剪切±641 GHz
高维频率分束纠缠的产生
合成维度中的光子量子行走
图4d展示了高维频率晶体的概念，这与合成维度中的量子行走有关。这证明了薄膜铌酸锂在探索复杂量子现象方面的潜力。通过III-V材料异质集成或稀土离子掺杂， 薄膜铌酸锂上集成激光器和放大器也在开发中。这可以实现非经典光的全集成光源。薄膜铌酸锂的强电光耦合在低温下仍然存在，这使得它成为连接超导量子电路与光子的理想选择。最近的工作表明：利用耦合的光学和微波腔实现高效的微波到光学的转换
利用光对超导量子位进行相干控制
利用超导电极的低Vπ调制器读取低温电子器件
图4k、4l和4m展示了用于微波到光转换和量子比特控制的腔电光系统的原理图和器件图像。这些器件展示了薄膜铌酸锂在量子技术和低温应用方面的潜力。薄膜铌酸锂调制器的高带宽和能效使其有望用于光神经网络和其他光计算方案。潜在优势包括：通过波长复用实现大规模并行
低功耗、高速非线性激活功能
与电子系统的高效接口
目前正在进行积极研究，探索利用这些功能加速机器学习的架构。除了Pockels效应， 薄膜铌酸锂还支持高效的χ（2）和χ（3）非线性光学过程。这可以实现：低阈值光学参量振荡器
通过级联非线性实现宽带频率梳生成
用于量子传感的压缩光生成
将电光和非线性光学特性整合到单个芯片上，为新型系统开辟了多种可能性。基于薄膜铌酸锂的集成电光器件发展迅猛。强大的电光效应、超低损耗和高带宽调制相结合，使器件性能得到革命性的提升。进一步改善调制器指标，如Vπ和带宽
扩展到更复杂的集成系统
与其他材料和平台进行异构集成
利用TFLN独特功能的新应用
随着技术的成熟，可以预见TFLN电光器件将在光通信、光量子技术和光计算领域发挥越来越重要的作用。在单个芯片上高效连接电子和光电子领域的能力有望催生强大的新型混合系统，产生广泛的影响。
图5. 很好地总结了薄膜铌酸锂上集成电光系统的应用的发展和前景，展示了快速进步以及多功能平台所支持的多种应用。
[1]Y. Hu et al., "Integrated electro-optics on thin-film lithium niobate," Nature, vol. 612, no. 7940, pp. 402-413, Dec. 2022, doi: 10.1038/s41586-022-05397-3.
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