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物理学 > 光学

arXiv:2505.04585 (physics)
[提交于 2025年5月7日 (v1) ,最后修订 2025年6月30日 (此版本, v2)]

标题: 薄膜铌酸锂上的无线毫米波电光技术

标题: Wireless millimeterwave electro-optics on thin film lithium niobate

Authors:A. Gaier, K. Mamian, S. Rajabali, Y. Lampert, J. Liu, L. Magalhaes, A. Shams-Ansari, M. Loncar, I.-C. Benea-Chelmus
摘要: 全球数据流量的快速增长正在加速对超宽带通信技术的需求,尤其是在云基础设施和新兴的6G无线系统中。 光学计算和量子信息处理也要求快速、可扩展的方式来接口光信号和电信号。 集成电光调制器提供了一种紧凑且高效的解决方案,但将其操作扩展到毫米波(mmWave)范围,并具备宽频带和与无线信号的兼容性仍然是一个重大挑战。 笨重的电气封装和高毫米波损耗仍然是可扩展性的主要障碍。 在此,我们展示了一种无线且宽频带的电光调制架构,可以直接将毫米波与光信号接口,消除了对阻抗匹配的毫米波探针和电缆的需求。 通过在薄膜铌酸锂平台上集成了片上天线和协同设计的传输线,我们在WR9.0(82-125 GHz)和WR2.8(240-380 GHz)频段实现了宽频带调制。 我们调制器的宽频特性使该器件能够作为高速检测器,检测高达6~GHz的毫米波载波,并实现平坦且宽广的响应,这是6G和高速毫米波传感的关键要求。 通过将天线耦合的传输线配置为腔体,我们的无线平台实现了三重共振的电光频率梳生成,模式间隔分别为123.2 GHz和307.9 GHz。 在123.2 GHz和307.9 GHz时提取的单光子电光耦合速率分别为$g_{0} =2\pi\times 4.98$kHz和$2\pi\times 9.93$kHz,证明了与毫米波频率的良好比例关系。 这些结果引入了一类新的无线电光器件,用于高速调制、检测和频率梳生成,在通信、传感和量子技术中有重要的应用。
摘要: The rapid growth of global data traffic is accelerating the need for ultra-broadband communication technologies, particularly in cloud infrastructure and emerging 6G wireless systems. Optical computing and quantum information processing also demand fast, scalable ways to interface optical and electronic signals. Integrated electro-optic modulators provide a compact and efficient solution, but extending their operation into the millimeterwave (mmWave) range with wide bandwidth and compatibility with wireless signals remains a significant challenge. Bulky electrical packaging and high mmWave losses remain primary barriers to scalability. Here, we demonstrate a wireless and wideband electro-optic modulation architecture that directly interfaces mmWaves with optical signals, eliminating the need for impedance-matched mmWave probes and cables. By integrating an on-chip antenna with a co-designed transmission line on thin-film lithium niobate platform, we achieve wideband modulation across the WR9.0 (82-125 GHz) and WR2.8 (240-380 GHz) bands. The wideband nature of our modulator enables the device to function as a high-speed detector of mmWave carriers modulated up to 6~GHz and achieves a flat and wide response, a key requirement for 6G and high-speed mmWave sensing. By configuring the antenna-coupled transmission line to operate as a cavity, our wireless platform enables triply resonant electro-optic frequency comb generation with mode spacing of 123.2 GHz and 307.9 GHz. Extracted single-photon electro-optic coupling rates of $g_{0} =2\pi\times 4.98$ kHz and $2\pi\times 9.93$ kHz, at 123.2 and 307.9 GHz, respectively, demonstrate favorable scaling with mmWave frequency. These results introduce a new class of wireless electro-optic devices for high-speed modulation, detection, and frequency comb generation, with impactful applications in communications, sensing, and quantum technologies.
主题: 光学 (physics.optics) ; 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2505.04585 [physics.optics]
  (或者 arXiv:2505.04585v2 [physics.optics] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.04585
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Ileana-Cristina Benea-Chelmus [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 5 月 7 日 17:26:38 UTC (14,036 KB)
[v2] 星期一, 2025 年 6 月 30 日 10:19:38 UTC (32,241 KB)
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