研究背景

在全球智能化进程加速的背景下，国际权威数据机构IDC预测2028年数据总量将突破390亿TB量级。面对急剧攀升的数据传输需求，“后摩尔时代”光通信核心载体——铌酸锂光子芯片面临光-物质作用效率、集成密度与能耗控制三大技术瓶颈。其中兼具电光/声光调制潜力的铌酸锂光子晶体纳米梁腔（LN PCNBC）因其卓越的光场局域能力成为国际竞争焦点。

创新突破

西安电子科技大学郝跃院士团队经过三年技术攻关，在铌酸锂集成光子芯片领域取得重大突破：

1. LNOI平台上超高Q值光学腔

关键技术研究

图1 （a）光子晶体光子禁带理论；（b）聚合物/LiNbO3光学透射谱性能表征；（c）器件Q值与国内外指标对比情况

LN PCNBC在微波光子学、量子计算和片上光互连等前沿领域具有广阔应用前景，是推动集成光子芯片向低功耗、超紧凑和多功能方向发展的重要基础。而实现超高Q值的LN PCNBC器件，能够显著增强热光、电光和声光等调制能力，因此提高器件Q值成为本研究的重要目标。

然而，传统直接刻蚀工艺（如反应离子刻蚀RIE和离子束刻蚀IBE）引发的晶格损伤和侧壁粗糙问题严重限制了器件实际Q值，与理论值存在较大差距。针对这一难题，团队创新性地提出了一种聚合物/LiNbO3异质复合结构，通过跨尺度异构设计与免刻蚀制备工艺成功实现了Q值超过105的LN PCNBC器件制备，并创下国际同类器件最高水平（Q=18.7万）。

相关成果以“Ultra-high-Q photonic crystal nanobeam cavity for etchless lithium niobate on insulator (LNOI) platform”为题发表在光电子领域国际权威期刊《Opto-Electronic Advances》（中科院一区TOP期刊，影响因子15.3），并在第十五届国际信息光学与光子学学术会议（CIOP2024）上作重要报告。该研究成果由集成电路学部博士研究生蒋智以第一作者身份发表，国家工程研究中心姚丹阳副教授和西北工业大学甘雪涛教授为共同通讯作者。

2. LNOI平台上腔增强型声光调制器

及链路传输应用研究

图2 （a）腔增强型声光调制器示意图；（b）制备的器件图片；（c）RF信号注入调制器；（d）不同信道下的数字调制（ASK）结果

随着通信技术的发展，对高性能声光调制器的需求持续增长。片上声光调制器因其高度集成的信息处理能力，在微波光子学、量子计算、片上光互连和下一代6G通信系统中展现出巨大潜力。然而，由于声波与光波交叠面积有限，传统声光调制器在实现高效转换时面临较大挑战。

针对这一问题，团队通过验证自主设计的LN PCNBC结构具有增强转换效率的效果，并优化叉指换能器的设计方案，实现了基于LN PCNBC平台的高性能声光调制器。得益于LN PCNBC的高品质因数（Q）、高模式体积比（Q/V）以及最佳声-光交叠面积，该调制器相比传统微环谐振器（MRR）展现出显著性能提升，信噪比达到38dB，而RF启动阈值低至-50dBm，比基于MRR的调制器降低两个数量级。此外，在不同信道下进行数字调制实验（ASK），结果显示调制信号与参考信号高度吻合。这些发现进一步验证了LN PCNBC平台在片上集成微波光子学、光收发模块应用中的巨大潜力。

相关成果以“Cavity-Enhanced Acousto-Optic Modulators on Polymer-Loaded Lithium Niobate Integrated Platform”为题发表在光电子领域国际权威期刊《ACS Photonics》（中科院一区TOP期刊，影响因子6.5）。该研究成果由集成电路学部博士生蒋智以第一作者身份发表，国家工程研究中心姚丹阳副教授和西北工业大学甘雪涛教授为共同通讯作者。

未来展望

该研究显著提升了铌酸锂集成光子平台上电光调制器的性能水平，也为下一代低功耗、高集成度、多功能性片上信息处理系统提供了重要理论基础与实践路径。未来，这些技术有望广泛应用于量子计算、微波通信以及智能信息处理系统中，助力全球数据传输效率革命。