結合低介電常數底部填充技術的超高效雙頻薄膜鈮酸鋰調製器，具有 220 GHz 外推頻寬，適用於 390 Gbit/s PAM8 傳輸

核心概念

本文展示了一種結合低介電常數底部填充技術的超高效雙頻薄膜鈮酸鋰調製器，該調製器在 C 波段和 O 波段均表現出優異的性能，包括低半波電壓、超寬頻寬和超高調製效率，並成功實現了高達 390 Gbit/s 的 PAM8 數據傳輸，為下一代超高速、低功耗光通信系統提供了 promising 的解決方案。

摘要

結合低介電常數底部填充技術的超高效雙頻薄膜鈮酸鋰調製器

薄膜鈮酸鋰 (TFLN) 作為一種多功能光子平台，具有優異的材料特性，包括顯著的普克爾斯效應、出色的溫度穩定性、寬透明窗口和緊湊的光學限制，適用於緊湊的電極佈局。
高速 TFLN 電光 (EO) 調製器是光子集成電路的關鍵組成部分，具有低驅動電壓、寬頻寬和緊湊尺寸等優點，對於未來高容量數據中心、電信系統和量子光學至關重要。
然而，傳統的共面波導 (CPW) 電極難以同時保證低半波電壓和寬調製頻寬，因為減小電極間隙會導致微波損耗增加。

本文旨在提出並演示一種結合低介電常數底部填充技術的超高效 TFLN 馬赫-曾德爾調製器 (MZM)，以突破電壓-頻寬限制，並確保顯著的整體性能提升。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Ultra-High-Efficiency Dual-Band Thin-Film Lithium Niobate Modulator Incorporating Low-k Underfill with 220 GHz Extrapolated Bandwidth for 390 Gbit/s PAM8 Transmission

by Hao Liu, Yut... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.15037.pdf

深入探究

這項技術如何應用於量子計算和量子通信領域？

薄膜鈮酸鋰 (TFLN) 調製器作為一種高效的光學元件，在量子計算和量子通信領域具有極大的應用潛力：

量子計算:

量子位元操控: TFLN 調製器可以用於操控超導量子位元或離子阱量子位元等量子位元的狀態。其高速調製能力允許實現快速、精確的量子門操作，這是量子計算中至關重要的。
量子糾纏產生: TFLN 調製器可以產生糾纏光子對，這是許多量子計算和量子通信協議的基礎資源。通過調製器的相位和振幅控制，可以產生具有特定糾纏特性的光子對。

量子通信:

量子密鑰分發 (QKD): TFLN 調製器可以用於 QKD 系統中，通過調製單光子的相位或偏振來編碼量子密鑰信息。其低損耗和高速特性有助於提高 QKD 系統的性能和安全性。
量子隱形傳態: TFLN 調製器可以作為量子隱形傳態系統中的關鍵元件，用於製備和測量量子態。其寬帶特性允許傳輸更複雜的量子態，從而實現更強大的量子通信功能。
總之，TFLN 調製器的高效、高速、低損耗等特性使其成為量子計算和量子通信領域中極具潛力的光學元件，有望在未來推動這些領域的發展。

如果未來出現更高介電常數的材料，是否會影響這項技術的應用？

如果未來出現更高介電常數的材料，可能會對 TFLN 調製器技術產生以下影響：

優勢:

更高調製效率: 更高介電常數的材料可以增強電場與光場的相互作用，從而提高調製器的調製效率，進一步降低 VπL 值。
更緊湊的器件尺寸: 更高的調製效率意味著可以縮短器件的交互作用長度，從而實現更緊湊的器件尺寸，有利於集成化和小型化。

挑戰:

更高的介電損耗: 通常情況下，更高介電常數的材料也意味著更高的介電損耗，這會增加調製器的 RF 損耗，限制其調製带宽。
更困難的阻抗匹配: 更高介電常數的材料會改變傳輸線的特性阻抗，使得阻抗匹配變得更加困難，進而影響調製器的性能。
總體而言，更高介電常數的材料在提高調製效率和減小器件尺寸方面具有潛力，但也帶來了新的挑戰。未來需要開發新的設計和工藝技術來克服這些挑戰，才能充分發揮更高介電常數材料的優勢。

如何在不影響數據傳輸速率的情況下，進一步降低調製器的能耗？

在不影響數據傳輸速率的情況下，可以通過以下幾種方法進一步降低 TFLN 調製器的能耗：

優化電極設計:

進一步降低電阻: 可以通過採用更厚的電極、新型低電阻材料或優化電極形狀等方式來降低電極的電阻，從而減少導體損耗。
減小電容: 可以通過優化電極結構、減小電極間距或採用低介電常數材料等方式來減小電極的電容，從而降低驅動電壓。

新型材料和工藝:

探索低損耗材料: 研究和開發新型低損耗的電極材料、襯底材料和包覆材料，可以有效降低調製器的整體損耗，從而降低能耗。
改進工藝流程: 通過優化薄膜生長、蝕刻、金屬沉積等工藝流程，可以提高器件的性能和一致性，進而降低能耗。

新型調製技術:

探索等離激元調製: 等離激元調製技術可以利用金屬納米結構增強光與物質的相互作用，從而實現更低電壓和更小尺寸的調製器。
研究電吸收調製: 電吸收調製技術利用電場改變材料的吸收係數來實現光信號的調製，相較於電光效應，電吸收效應可以實現更低的功耗。
總之，通過不斷優化設計、材料、工藝和探索新型調製技術，可以在不影響數據傳輸速率的前提下，進一步降低 TFLN 調製器的能耗，使其更加適用於未來的綠色光通信系統。