а — 3D-вид модулятора на основе состояния топологического интерфейса. На вставках показан одномерный топологический решетчатый волновод на основе гибридной платформы SiN-LN.
b — Измеренные электрооптические отклики S 21 с различными точками расстройки. c: Измеренная глазковая диаграмма для сигнала PAM4 при скорости передачи данных 100 Гбит/с.
Авторы и права: Юн Чжан, Цзянь Шен, Цзинчи Ли, Хунвэй Ван, Чэнлун Фэн, Лэй Чжан, Лу Сунь, Цзянь Сюй, Минь Лю, Ин Ван, Юнхуэй Тянь, Цзянь-Вэнь Дун и Икай Су

Электрооптические модуляторы, которые преобразуют сигналы из электрической области в оптическую, лежат в основе оптической связи, терагерцовой беспроводной связи, обработки микроволновых сигналов и квантовых технологий. Электрооптические модуляторы нового поколения требуют высокой плотности интеграции, компактных размеров, широкой полосы пропускания и низкого энергопотребления. Их сложно достичь с помощью встроенного интерферометра Маха-Цендера (MZI) или микрокольцевых устройств.

Интегрированные волноводы из ниобата лития (LN) с состояниями топологического интерфейса могут помочь решить проблемы электрооптических модуляторов следующего поколения, используя уникальные свойства топологической фотоники, в том числе жесткое оптическое ограничение, надежную передачу света и устойчивость к дефектам.

Топологический фазовый переход использовался для демонстрации интегрированных фотонных устройств , включая нелинейные и квантовые устройства, но время отклика топологических устройств было ограничено микросекундным порядком. Высокоскоростные топологические модуляторы еще не эксплуатировались.

В недавней статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, группа ученых под руководством профессора Икая Су и профессора Юн Чжана из Шанхайского университета Цзяо Тонг и соавторов разработала сверхкомпактный, высокоскоростной, с большой пропускной способностью, и энергоэффективный электрооптический модулятор с топологическим интерфейсным состоянием в одномерной микроструктурной решетке на платформе SiN-LN, нагруженной нитридом кремния и ниобатом лития. Топологический резонатор 1D имеет меньшую длину, чем традиционные структуры решеток 1D Брэгга.

В отличие от фотонно-кристаллического нанолучевого резонатора с несколькими резонансными модами, топологический резонатор позволяет гибко управлять добротностью и объемом моды, строго поддерживая одномодовый режим работы и избегая контроля количества мод. Результаты экспериментов показывают, что длина высокоскоростного электрооптического модулятора составляет всего 140 мкм, при сверхнизком энергопотреблении 5,4 фДж/бит и большой полосе модуляции 104 ГГц.

Топологический модулятор основан на топологическом интерфейсном состоянии, которое формируется между двумя топологическими фотонными кристаллами с различными топологическими инвариантами и поверхностным импедансом в одномерной решетке на основе классической модели Су-Шриффера-Хигера (SSH). Чтобы получить состояние топологического интерфейса на одной фотонной запрещенной зоне, необходимы топологические инварианты щели на левом и правом топологических фотонных кристаллах, обеспечивающие разницу π.

Для изменения знака топологического инварианта используется метод пересечения точки топологического перехода. Устройство демонстрирует превосходные характеристики благодаря сверхмалому размеру, высокой скорости и энергоэффективности. Эти ученые резюмируют принцип работы своего топологического модулятора:

«Состояние интерфейса позволяет создать первый топологический модулятор с компактными размерами всего 1,6 × 140 мкм², который является самым компактным тонкопленочным модулятором LN с полосой пропускания, превышающей 20 ГГц. Максимальное улучшение электрооптического отклика топологического резонатора используется для преодоления полосы пропускания, ограниченной временем жизни фотонов, что приводит к увеличению полосы пропускания до 104 ГГц».

«Благодаря небольшому электрооптическому модальному объему и короткой длине электрода достигаются низкие потери радиочастоты и небольшая емкость, что обеспечивает сверхнизкое энергопотребление - 5,4 фДж/бит». Они добавили.

«Продемонстрированные устройства могут генерировать сигналы без возврата к нулю (NRZ) со скоростью 100 Гбит/с и сигналы с четырехуровневой импульсной амплитудной модуляцией (PAM4) со скоростью 100 Гбит/с. Насколько нам известно, мы реализовали первый высокопроизводительный "скоростной топологический электрооптический модулятор, использующий состояние топологического интерфейса. Топологический модулятор показывает большие перспективы для применения высокоскоростной модуляции в полностью интегрированной фотонике LN и способствует применению топологических устройств в оптической связи, микроволновой фотонике и квантовой обработке информации", сказали авторы.