紫外光能给离子量子器件提供精确的光学操控，也能服务于光谱分析和特殊环境通信。但要让紫外光按电子信号的节奏迅速变亮、变暗，常常离不开体积较大的分立调制器。对一套需要许多光路协同工作的系统来说，调制器的尺寸、驱动电压和损耗都会成为集成的难题：能否把这一步缩进一枚光子芯片？
近日，比利时根特大学—IMEC团队在Nature Communications发表论文“Thin-film lithium tantalate for ultraviolet integrated electro-optic modulator”。研究人员以薄膜钽酸锂为材料，在光子芯片上制成工作于375 nm的电光调制器。它让紫外光在两条微型光路中分合，再利用电压控制输出明暗，调制区域仅长200 μm，却能以较低电压完成切换，并实现超过40 GHz的光电响应测量。这为需要紧凑紫外光路的量子信息和快速光谱系统提供了新的器件选择。
两条光路汇合前，先让它们产生相位差
电光调制器的工作方式，可以想成给同一束光安排两条并行跑道。进入芯片的紫外光先被分成两路。当电极上的电压变化时，钽酸锂的折射率随之改变，两路光在传播中积累不同的相位。它们重新汇合时，便会相互增强或抵消，于是输出光按电信号的节奏变亮、变暗。团队还采用推挽驱动，让两条光路的相位向相反方向变化，更快地拉开相位差。器件中的分束结构、狭窄电极间隙和细致加工的波导共同服务于这一过程。整枚调制器长约1.16 mm，其中与电场作用的区域只有200 μm，为片上集成留下了空间。
图1 375 nm紫外片上调制器的工作示意、器件显微图与微纳结构表征。双臂干涉结构把电压引起的相位变化转成输出光强变化
图源：Chupao Lin等，Nature Communications
紫外光容易散射，损耗从哪里来
把调制器做进芯片，还要让紫外光尽量顺畅地通过。短波长光对波导侧壁的细小起伏更敏感，传输时更容易发生散射。研究人员制作了不同长度的螺旋波导，比较光走过不同距离后的衰减，测得375 nm光在波导中的传播损耗为7.2 dB/cm。这个数值说明紫外传输仍有优化空间。好在调制器本身很短，片上插入损耗控制在2.8 dB。还需要留意的是，这一片上指标不包含光纤与芯片的耦合损耗。实验中，每个端面的耦合损耗约为9.7 dB，未来若要把器件接入完整系统，光纤连接仍是需要改进的一环。
图2 芯片上的螺旋波导与分束器损耗测试。375 nm 波导的传播损耗由不同长度器件的测量结果拟合得到；分束器损耗由串联级数的测量给出
图源：Chupao Lin等，Nature Communications
4.2 V，就能让紫外光完成明暗切换
调制效率决定了驱动电路能否保持紧凑。研究团队逐步改变施加在电极上的电压，观察输出紫外光的明暗变化：在最佳条件下，最亮与最暗状态之间的消光比达到22.7 dB。光强完成一次典型切换所需的半波电压为4.2 V，对芯片器件而言是一个较易使用的驱动条件。之所以能在如此短的光路中实现有效调制，既与薄膜钽酸锂的电光效应有关，也得益于紫外光较短的波长，以及波导与电极间较充分的作用。电极间隙的设计还会影响调制效率，说明器件仍存在结构优化的余地。
高速实验，跨过40 GHz
低电压切换只是其中一半问题，另一半是能否跟上高速电子信号。团队将频率不断提高，测量施加在电极上的信号如何转化为输出光的变化。在仪器可测的40 GHz上限内，光电响应仍未降到通常用来界定带宽的3 dB水平，因此论文报告的3 dB带宽超过40 GHz。这项结果表明，片上紫外调制已可进入数十GHz的工作区间。不过，实验没有直接测出更高频率处的光电带宽，紫外探测器及接收链路本身的限制，也需要在后续测试中继续厘清。
图3 375 nm 调制实验。电压扫描给出消光比22.7 dB与半波电压4.2 V；光电响应测试显示，在40 GHz测量上限内尚未达到3 dB滚降点
图源：Chupao Lin等，Nature Communications
67 GHz电极测试，指向进一步提速的空间
为了判断器件还有多少提速空间，团队另外测试了电极传送高频电信号的能力。电学测试延伸到67 GHz，显示电极在这一频率下仍保持较低衰减。结合电极的阻抗等参数，研究人员进一步估算了更高频率处可能达到的光电响应。这里要分清两种结果：超过40 GHz是已完成的光电响应测量，67 GHz来自电极测试与模型估算，尚需更宽带的紫外探测系统直接验证。团队还进行了短时高光强照射，未观察到光致变暗，这为器件稳定性提供了初步依据，长期运行表现仍有待检验。
图4 电极的电学响应测试。上排显示测试配置与至67 GHz的测量曲线；下排给出阻抗、折射率以及据此估算的光电响应
图源：Chupao Lin等，Nature Communications
结语
这项工作将薄膜钽酸锂的电光效应、短波长带来的高调制效率和干涉结构结合起来，让紫外光的高速明暗控制进入片上器件。375 nm波段的实验已展示较低驱动电压和超过40 GHz的光电响应，也让更复杂的紫外集成光路有了可参考的设计。钇离子量子操控、紫外通信和快速光谱是值得探索的方向，但这项研究尚未完成相应的系统级应用演示。接下来，降低光纤耦合损耗、直接验证更高频的光电响应，并考察长期运行稳定性，将是器件走向实际系统的重要步骤。
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