▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

▍導讀

電光調制器是光通信領域的核心器件之一。通過施加外部電信號，改變光波的振幅、相位、偏振乃至頻率，從而將外部調制信號加載到光波上，實現電光信號的轉換。傳統片上集成的電光調制器在接入光通信網絡或者在光通信網絡協同工作時，往往因為片上光波導與光纖的模場匹配較難，而存在較大的耦合損耗。盡管通過較為先進的耦合工藝，例如端面耦合以及光柵耦合能夠降低耦合損耗，但仍存在集成率低和工作帶寬窄的局限。此外，現有的耦合方式還需要極其精準的對準操作和封裝工藝，極大地增加了片上電光調制器的成本。

為了規避額外的耦合要求，降低耦合帶來的損耗，同時拓寬超構光纖在電光器件領域的應用，西湖大學仇旻科研團隊聯合杭州電子科技大學王紀永科研團隊，開發了一種直接在商用單模光纖跳線端面上集成電光調制器的加工方法（圖1）。該超構光纖電光調制器能夠穩定地工作在O、S兩個波段，并且最高調制速率達到1 GHz。

該研究成果以“Plasmonic metafibers electro-optic modulators”為題在線發表在期刊Light: Science & Applications。

本研究受國家自然科學基金委員會、中德科學中心項目的資助與支持。感謝西湖大學工學院嚴巍副研究員對本工作理論仿真方面提供的指導，感謝西湖大學先進微納加工平臺提供的儀器和技術支持。西湖大學工學院博士生研究生張磊與孫歆語為共同第一作者,杭州電子科技大學王紀永教授、西湖大學仇旻教授為共同通訊作者。

如圖1所示，合作團隊開發了在單模光纖跳線端面集成微納功能結構的加工工藝：聚焦離子束刻蝕（FIB），旋涂、物理蒸鍍等。利用這套工藝，能夠以較高的穩定性和精確度實現超表面和電光聚合物的精準集成。與僅包含纖芯和包層的裸光纖（直徑僅為125 um）相比，光纖跳線提供了更大的操作平面（直徑約為1800 um），使得多層、多材料的微納集成更易實現。

圖1：使用標準微納加工工藝在光纖端面集成電光調制器的加工流程圖。左上方的插圖是光纖端面旋涂電光聚合物之后的光學顯微圖像，左下方的插圖是利用聚焦離子束刻蝕在光纖端面加工的等離激元超表面，比例尺分別為 62.5 um和 825 nm。

此外，研究者對超表面-電光聚合物復合結構的諧振模式進行了理論設計和系統分析，如圖2所示。在第一個階段時（僅有底層超表面），反射光譜中只存在光學模式1和2，它們源自納米圓盤和納米孔各自偶極子模式的成鍵和反成鍵雜化。在旋涂電光聚合物后（第二階段），在短波長方向出現了一個新的光學模式3：共振導波模式。當進入到第三加工階段時（蒸鍍上層金膜），又出現了一個新的光學模式4：法布里-珀羅諧振腔模式，如圖2(a, b, c)所示。此外，他們發現，通過合理的設計超表面的周期和電光聚合物的厚度，能夠在O波段和S波段激發兩個諧振峰，并且具有較高的可重復性。這兩個諧振峰的激發為可調雙波段調制提供了設計思路。 

圖2：等離激元超構光纖的光學模式分析。(a-b) 光學模式在各加工階段發生的演化，其中(a)是實驗結果，(b)是仿真結果。(c) 在第三個加工階段，模式2、3以及法布里-珀羅模式隨著電光聚合物厚度的改變而產生的模式演變。

進而，研究者們針對等離激元超構光纖的調制特性做了系統表征，如圖3所示。測試結果表明，當施加±100 V直流偏壓時，器件呈現出3 nm的光譜偏移和11 %的調制深度，并且當V??為18 V時，調制速率能夠達到1 GHz，是目前已知集總電極式光纖電光調制器的最高調制速率。該結果為研究人員在設計和制備超緊湊、高性能、全光纖電光調制器件提供了新思路。

圖3：等離激元超構光纖的電光調制性能。(a) 用于表征直流和交流電源調制特性的實驗裝置；(b)直流調制測試結果。當直流偏壓從-100 V變化到+100 V時，光譜經歷了約3 nm的紅移。插圖反應了在其中一個調制波長(1287 nm)處，調制深度為11 %。(c) 不同頻率下交流偏壓調制測試結果。上欄是V??為2 V時調制振幅隨調制頻率的變化；下欄是保持相同調制振幅V??隨調制頻率的變化。

▍總結與展望

這項工作首次實現在單模光纖跳線端面集成電光調制器。利用光纖跳線通用的連接端口，用單模態光纖-光纖光場耦合替代現有的光纖-波導耦合，無須模場匹配即可實現即插即用、近零耦合損耗的光互聯與光調控，為空間光學器件尋找替代、全光纖光學系統研發等先端技術提供了核心解決方案。

▍論文信息

Zhang, L., Sun, X., Yu, H. et al. Plasmonic metafibers electro-optic modulators. Light Sci Appl 12, 198 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01255-7

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