聊一聊鈮酸鋰調(diào)制器

響應(yīng)COO的建議，多寫一點有深度的干貨。

這一篇筆記聊一聊鈮酸鋰調(diào)制器。

鈮酸鋰是一種非常重要的非線性材料，它的透明波段非常寬，從350nm到5.2um，其在非線性光學(xué)(激光頻率轉(zhuǎn)換)、光電調(diào)制等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。它的晶體結(jié)構(gòu)如下圖，是單軸雙折射晶體（三方晶系）。

正是因為這樣的晶體結(jié)構(gòu)，才導(dǎo)致了其優(yōu)異的電光性質(zhì)。按照晶體切割方向的不同，還可以細分為x切，y切，z切鈮酸鋰。

鈮酸鋰材料通過一定的方法可以加工為波導(dǎo)，常用的兩種方法是質(zhì)子交換法和鈦擴散法。這兩種方法都會在晶體表面形成擴散型波導(dǎo)。

由于折射率對比度比較小，鈮酸鋰波導(dǎo)對模場束縛較弱，可以與單模光纖較高效率地耦合。其轉(zhuǎn)彎半徑較大，集成度比較小。另外，質(zhì)子交換法形成的波導(dǎo)只支持e光，而鈦擴散波導(dǎo)支持e光和o光。

鈮酸鋰電光調(diào)制器主要基于Pockels效應(yīng)。Pockels是線性電光效應(yīng)，其折射率改變正比于所施加電場的大小，滿足下式，

而另一種常見的電光效應(yīng)---Kerr效應(yīng)，它是二次電光效應(yīng)，其折射率改變與電場平方成正比。對于Pockels效應(yīng)，折射率隨電場變化的系數(shù)與非線性系數(shù)r33成正比，鈮酸鋰材料有著較高的r33系數(shù)，這也是為什么選取鈮酸鋰材料進行電光調(diào)制的原因之一。補充一點，Pockels效應(yīng)只存在于非中心對稱的材料，而像硅這種中心對稱的材料，是沒有Pockels效應(yīng)的。硅基調(diào)制器主要基于載流子濃度改變導(dǎo)致的吸收系數(shù)變化或者折射率變化。

基于Pockels效應(yīng)，可以對鈮酸鋰波導(dǎo)中的光場相位進行調(diào)制，進一步可制備成相應(yīng)的調(diào)制器，包括強度調(diào)制器，相位調(diào)制器。強度調(diào)制器是典型的Mach-Zehnder干涉器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。當(dāng)施加不同的電壓時，產(chǎn)生兩種不同的光強輸出，對應(yīng)0和1。

(圖片來自http://www.lambdaphoto.co.uk/pdfs/SumitomoModulatorApplicationNote.pdf)

而對于相位調(diào)制器，其只有單根波導(dǎo)，如下圖所示，

(圖片來自http://www.lambdaphoto.co.uk/pdfs/SumitomoModulatorApplicationNote.pdf)

當(dāng)施加不同的電壓時，光場相位發(fā)生變化，等效的波長發(fā)生改變，進而可以改變光場的波前。在長距離傳輸中，由于一些非線性效應(yīng)，光脈沖的波形會發(fā)生畸變，而利用相位調(diào)制器可以補償這些非線性效應(yīng)帶來的影響，調(diào)整脈沖的形狀。

鈮酸鋰調(diào)制器的性能非常好，調(diào)制速度可以達到40G以上，線性度較高，消光比可以達到30dB, 半波電壓V_pi在6V左右。下圖是iXblue公司鈮酸鋰調(diào)制器的性能參數(shù)表，

（圖片來自https://photonics.ixblue.com/files/files/pdf/iXBlue_Analog_modulators%2C_Drivers_and_ModBox.pdf）

但是鈮酸鋰調(diào)制器的體積非常大，封裝后就是一個長盒子，如下圖所示，

這么大個頭，顯然是不利于光電集成的。目前，鈮酸鋰調(diào)制器主要應(yīng)用于長距離通信中，其對性能要求較高，而體積成為次要考慮因素。但是在數(shù)據(jù)中心中，性能相對要求較低，而對體積和功耗的要求更高，鈮酸鋰調(diào)制器顯然不如硅基、InP等片上集成的調(diào)制器受青睞。

為了減小其體積，研究人員做了很多嘗試。比如在Si襯底上鍵合一層鈮酸鋰薄膜，進而再加工波導(dǎo)和RF電極，形成調(diào)制器，如下圖所示，

（圖片來自文獻1）

關(guān)于這方面的最新進展，可以參看文獻1。這方面技術(shù)還不是很成熟，個人感覺其片上集成的優(yōu)勢不大。依稀記得有位大佬說過這么句話，如果可以用硅做，那就必須用硅做。希望不要被做這一方向的同學(xué)打臉

補充一點，基于鈮酸鋰的聲光效應(yīng)，還可以制作鈮酸鋰聲光調(diào)制器。關(guān)于聲光效應(yīng)，可以參看[光學(xué)調(diào)制器的物理基礎(chǔ)],這里就不贅述了。鈮酸鋰聲光調(diào)制器應(yīng)用也十分廣泛。

總的說來，經(jīng)過這么多年的發(fā)展，鈮酸鋰調(diào)制器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛?？梢越梃b其高速RF電極的設(shè)計，應(yīng)用在硅基調(diào)制器的設(shè)計上。

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