研究背景

在全球智能化進程加速的背景下，國際權威數(shù)據(jù)機構IDC預測2028年數(shù)據(jù)總量將突破390億TB量級。面對急劇攀升的數(shù)據(jù)傳輸需求，“后摩爾時代”光通信核心載體——鈮酸鋰光子芯片面臨光-物質作用效率、集成密度與能耗控制三大技術瓶頸。其中兼具電光/聲光調制潛力的鈮酸鋰光子晶體納米梁腔（LN PCNBC）因其卓越的光場局域能力成為國際競爭焦點。

創(chuàng)新突破

西安電子科技大學郝躍院士團隊經(jīng)過三年技術攻關，在鈮酸鋰集成光子芯片領域取得重大突破：

1. LNOI平臺上超高Q值光學腔

關鍵技術研究

圖1 （a）光子晶體光子禁帶理論；（b）聚合物/LiNbO3光學透射譜性能表征；（c）器件Q值與國內外指標對比情況

LN PCNBC在微波光子學、量子計算和片上光互連等前沿領域具有廣闊應用前景，是推動集成光子芯片向低功耗、超緊湊和多功能方向發(fā)展的重要基礎。而實現(xiàn)超高Q值的LN PCNBC器件，能夠顯著增強熱光、電光和聲光等調制能力，因此提高器件Q值成為本研究的重要目標。

然而，傳統(tǒng)直接刻蝕工藝（如反應離子刻蝕RIE和離子束刻蝕IBE）引發(fā)的晶格損傷和側壁粗糙問題嚴重限制了器件實際Q值，與理論值存在較大差距。針對這一難題，團隊創(chuàng)新性地提出了一種聚合物/LiNbO3異質復合結構，通過跨尺度異構設計與免刻蝕制備工藝成功實現(xiàn)了Q值超過105的LN PCNBC器件制備，并創(chuàng)下國際同類器件最高水平（Q=18.7萬）。

相關成果以“Ultra-high-Q photonic crystal nanobeam cavity for etchless lithium niobate on insulator (LNOI) platform”為題發(fā)表在光電子領域國際權威期刊《Opto-Electronic Advances》（中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子15.3），并在第十五屆國際信息光學與光子學學術會議（CIOP2024）上作重要報告。該研究成果由集成電路學部博士研究生蔣智以第一作者身份發(fā)表，國家工程研究中心姚丹陽副教授和西北工業(yè)大學甘雪濤教授為共同通訊作者。

2. LNOI平臺上腔增強型聲光調制器

及鏈路傳輸應用研究

圖2 （a）腔增強型聲光調制器示意圖；（b）制備的器件圖片；（c）RF信號注入調制器；（d）不同信道下的數(shù)字調制（ASK）結果

隨著通信技術的發(fā)展，對高性能聲光調制器的需求持續(xù)增長。片上聲光調制器因其高度集成的信息處理能力，在微波光子學、量子計算、片上光互連和下一代6G通信系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，由于聲波與光波交疊面積有限，傳統(tǒng)聲光調制器在實現(xiàn)高效轉換時面臨較大挑戰(zhàn)。

針對這一問題，團隊通過驗證自主設計的LN PCNBC結構具有增強轉換效率的效果，并優(yōu)化叉指換能器的設計方案，實現(xiàn)了基于LN PCNBC平臺的高性能聲光調制器。得益于LN PCNBC的高品質因數(shù)（Q）、高模式體積比（Q/V）以及最佳聲-光交疊面積，該調制器相比傳統(tǒng)微環(huán)諧振器（MRR）展現(xiàn)出顯著性能提升，信噪比達到38dB，而RF啟動閾值低至-50dBm，比基于MRR的調制器降低兩個數(shù)量級。此外，在不同信道下進行數(shù)字調制實驗（ASK），結果顯示調制信號與參考信號高度吻合。這些發(fā)現(xiàn)進一步驗證了LN PCNBC平臺在片上集成微波光子學、光收發(fā)模塊應用中的巨大潛力。

相關成果以“Cavity-Enhanced Acousto-Optic Modulators on Polymer-Loaded Lithium Niobate Integrated Platform”為題發(fā)表在光電子領域國際權威期刊《ACS Photonics》（中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子6.5）。該研究成果由集成電路學部博士生蔣智以第一作者身份發(fā)表，國家工程研究中心姚丹陽副教授和西北工業(yè)大學甘雪濤教授為共同通訊作者。

未來展望

該研究顯著提升了鈮酸鋰集成光子平臺上電光調制器的性能水平，也為下一代低功耗、高集成度、多功能性片上信息處理系統(tǒng)提供了重要理論基礎與實踐路徑。未來，這些技術有望廣泛應用于量子計算、微波通信以及智能信息處理系統(tǒng)中，助力全球數(shù)據(jù)傳輸效率革命。