薄膜铌酸锂在集成微波光子技术上的优势及重要意义

0 引言

微波光子技术以其工作带宽大、并行处理能力强、传输损耗低的优势，具备了打破传统微波系统所存在的技术瓶颈、提升雷达、电子战、通信、测控等军用电子信息装备性能的潜力。而以分立器件构建的微波光子系统，存在体积大、重量重、稳定性差等方面的问题，这些问题严重制约着微波光子技术在星载、机载等平台的应用。因此，集成微波光子技术正成为打破微波光子在军用电子信息系统中应用困局，充分发挥微波光子技术优势的重要支撑。

目前，Si基光子集成技术、InP 基光子集成技术在光通信领域经过多年的发展，已经日臻成熟，并且已有批量的产品投放市场；但是对于微波光子应用而言，这两类光子集成技术均存在着一些问题：比如Si调制器、InP 调制器中非线性的电光系数与微波光子技术所追求的高线性度、大动态特性相违背；再比如实现光路切换的硅光开关不论是基于热光效应、压电效应、还是基于载流子注入的色散效应，都存在切换速度慢、功耗和热耗过大的问题，无法满足快速的波束扫描、大阵列规模的微波光子应用。

铌酸锂材料一直以来都以其优异的线性电光效应而成为高速电光调制材料的首选。但传统的铌酸锂电光调制器是采用块状的铌酸锂晶体材料，器件尺寸很大，无法满足集成微波光子技术的需求；如何将具有线性电光系数的铌酸锂材料纳入到集成微波光子技术体系中，成为相关研究人员的追求目标。2018年由美国哈佛大学的研究团队在《Nature》上首先报道了基于薄膜铌酸锂的光子集成技术，因该技术兼具集成度高、电光调制带宽大、电光效应线性度高等优势，一经推出立即引起了光子集成领域和微波光子学领域的学术界及产业界的高度重视。本文将从微波光子应用的角度出发，综述基于薄膜铌酸锂的光子集成技术可能会对微波光子技术的发展所带来的影响及重要意义。

1 薄膜铌酸锂材料与薄膜铌酸锂调制器

近两年，出现了一种新型的铌酸锂材料，即通过“离子切片”的方式，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜，并键合到附有二氧化硅缓冲层的Si 晶片上，形成 LNOI （LiNbO3-On-Insulator） 材料[5]，本文称为薄膜铌酸锂材料；采用优化的干法刻蚀工艺可以在薄膜铌酸锂材料上刻蚀出高度一百多纳米的脊型波导，所形成波导的有效折射率差可达0.8以上（远超传统铌酸锂波导0.02 的折射率差），如图1 所示。这种强限制波导，使得在进行调制器设计时能够更容易实现光场与微波场的匹配；从而有利于在更短的长度内实现更低的半波电压和更大的调制带宽。

低损耗铌酸锂亚微米级波导的出现打破了传统铌酸锂电光调制器驱动电压高的瓶颈。电极间距可以减小至～5 μm，电场与光模场的重叠度大大提升，Vπ·L 从大于20 V·cm 下降至小于2.8 V· cm。因此在相同的半波电压下，器件长度与传统调制器相比，可以大幅降低；同时经过优化行波电极的宽度、厚度、间隔等参数，如图2所示，可使调制器具备大于100 GHz的超高调制带宽的能力。

Fig.1 （a） calculated mode distribution and （b） image of the cross-section of LN waveguide

Fig.2 （a） Waveguide and electrode structure and （b） coreplate of LN modulator

薄膜铌酸锂调制器与传统的铌酸锂商用调制器，硅基调制器和磷化铟（InP）调制器等现有的高速电光调制器的对比如表1 所示；其主要参数对比包括：

（1）半波电压-长度积（Vπ·L，V·cm），衡量调制器的调制效率，值越小，代表调制效率越高；

（2）3 dB调制带宽（GHz），衡量调制器对高频调制的响应能力；

（3）调制区的光学插损（dB）。从表中可以看出薄膜铌酸锂调制器在调制带宽、半波电压、光插损等方面都有着明显的优势。

Tab.1 comparison of modulator fabricated by various materials

硅作为集成光电子学的基石，发展至今，工艺成熟，其小型化有利于有源/无源器件大规模集成，其调制器在光通信领域已经被广泛而深入的研究。硅的电光调制机制主要是载流子耗尽（carrier deple-tion）、载流子注入（carrier injection）、载流子累积（carrier accumulation）。其中，调制器的带宽与线性度数载流子耗尽机制最优，但由于光场分布与耗尽区的非均匀性重叠，该效应会引入非线性的二阶失真和三阶互调失真项再加上载流子对光的吸收作用，会导致光调制幅度降低和信号失真。

InP 调制器具有突出的电光效应，多层量子阱结构可实现超高速率和低驱动电压调制器，Vπ·L可达0.156 V · mm。但其折射率随电场改变量中包含线性项与非线性项，电场强度增大会使二阶效应突出。

因此，硅和InP 电光调制器工作时需要施加偏压形成pn结，pn结会对光带来吸收损耗。但这两者的调制器尺寸小，商用的 InP 调制器尺寸是 LN调制器的1/4。调制效率高，适用于数据中心等高密度中短距离数字光传输网络。铌酸锂的电光效应无光吸收机理，损耗低，适用于大容量，高速率的长距离相干光通信。而在微波光子应用方面，Si 和InP的电光系数都是非线性的，这对于追求高线性度、大动态的微波光子系统来说，都是不适合的；而铌酸锂材料因其完全线性的电光调制系数，非常适合于微波光子的应用；

2 高线性度电光调制器与微波光子应用

随着人们对通信系统要求的日益提高，为了进一步提高信号的传输效率，人们将光子与电子相互融合，实现优势互补，微波光子学便运应而生。微波光子系统中电到光的转换就需要用到电光调制器，这一关键步骤通常决定着整个系统的性能。由于射频信号向光学域的转换是模拟信号过程，而普通的电光调制器存在固有的非线性，所以转换过程中存在较为严重的信号失真，为了实现近似线性调制,通常将调制器的工作点固定在正交偏置点处，但仍不能满足微波光子链路对调制器线性度的要求，人们迫切需要高线性度的电光调制器。

硅材料的高速折射率调制通常是通过自由载流子等离子体色散（FCD）效应实现的。FCD效应和PN结调制都是非线性的，从而使得硅调制器的线性度较铌酸锂调制器低。铌酸锂材料具有普克尔效应，因此能够表现出优异的电光调制特性。同时铌酸锂材料具有带宽大、调制特性好、损耗低、易于集成化以及与半导体工艺兼容等优点，利用薄膜铌酸锂制作高性能电光调制器，相比于硅基几乎没有“短板”，而且还能实现高线性度，绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）电光调制器已成为十分具有应用潜力的发展方向。随着薄膜铌酸锂材料制备技术及波导刻蚀技术的发展，高转换效率，集成度更高的薄膜铌酸锂电光调制器已成为目前国际学术界与产业界竞相研发之领域。

3 薄膜铌酸锂基光子集成

在美国DAP AR的规划中曾对铌酸锂材料做出过下述评价：如果电子革命的中心是以使其成为可能的硅材料命名的，那么光子学革命的发源地则很可能就是以铌酸锂命名了。这是因为铌酸锂集电光效应、声光效应、压电效应、热电效应与光折变效应等特点于一身，就好像是光学领域的硅材料。

面向微波光子的应用，针对薄膜铌酸锂材料与当前光子集成工艺所常用的InP、SiO2、硅、氮化硅等材料在微波光子集成特性方面的优劣进行了对比，如表2所示：

Tab.2 comparison of microwave photonics chip based on various materials

在光的传输特性方面，InP 材料由于对常用的1550nm波段的光存在吸收，其片上传输损耗最大；SiO2和氮化硅的传输特性最好，损耗可以达到～0.01dB/cm的水平；当前薄膜铌酸锂波导的加工工艺水平，波导损耗可以做到0.03dB/cm的水平，未来随着工艺水平的不断改进，薄膜铌酸锂波导的损耗有进一步降低的潜力；因此对光合路、分路、微环等无源光结构，薄膜铌酸锂材料将展现出良好的性能。

在光的产生方面，只有InP 具备直接发光的能力；因此对于微波光子应用，需要在LNOI基的光子集成芯片上通过倒装焊的方式或外延生长的方式，引入InP基的光源。

在光的调制方面，前文已重点论述，薄膜铌酸锂材料比InP和Si容易实现更大的调制带宽、更低的半波电压和更低的传输损耗；并且，薄膜铌酸锂材料所具备的高线性度的电光调制，对于所有的微波光子应用来说都是至关重要的。

在光的路由方面，薄膜铌酸锂材料的高速电光响应特性使得LNOI基的光开关具备了高速光路由切换的能力，并且这种高速切换的功耗也非常低；对于光控波束形成芯片这一集成微波光子技术的典型应用来说，高速切换的能力很好的满足了波束快速扫描的需求，超低功耗的特性很好的适应了大规模相控阵系统对功耗的严苛要求。而InP基的光开关虽然也可实现高速的光路切换，但其会引入较大的噪声，尤其是当多级光开关级联时噪声系数将严重恶化；硅、SiO2和氮化硅材料只能通过热光效应或载流子色散效应实现光路的切换，存在功耗大、切换速度慢的缺点，当相控阵的阵列规模较大时，无法满足对功耗的要求。

在光的放大方面，InP 基的半导体光放大器（SOA）已成熟商用，但其存在噪声系数大、饱和输出功率低的缺点，不利于微波光子的应用；而基于周期激化翻转的薄膜铌酸锂波导中的参量放大过程，可以实现低噪声、高功率的片上光放大，可以很好的满足集成微波光子技术对片上光放大的需求。

在光的探测方面，薄膜铌酸锂对1550 nm 波段的光具有很好的透过特性；无法实现光电转换的功能，因此对于微波光子应用，为了在片上满足光电转换的需求。需要在LNOI基的光子集成芯片上通过倒装焊或外延生长的方式，引入InGaAs或Ge-Si的探测单元。

在与光纤的耦合方面，由于光纤本身就是SiO2材料，因此 SiO2波导的模场与光纤模场匹配度最高，耦合起来最为方便；而薄膜铌酸锂的强限制波导的模场直径约1μm，与光纤模场有较大差别，因此必须要对进行适当的模斑变换才能与光纤模场相匹配。

在集成度方面，各种材料是否具有高度集成的潜力，主要取决于波导的弯曲半径（受波导模场限制程度的影响）；强限制波导允许有更小的弯曲半径，更有利于实现高度的集成；因此薄膜铌酸锂波导具备实现高集成度的潜力。

因此，薄膜铌酸锂的出现，使铌酸锂材料真正担当起光学“硅”的重任成为了可能；而面向微波光子的应用，薄膜铌酸锂的优势则更加彰显。

4 结论

本文综述了薄膜铌酸锂晶体材料及高线性度电光调制器的对微波光子技术实现高线性化调制的发展趋势与前景；通过比较薄膜铌酸锂材料与现有的光子集成工艺平台所常用的InP、SiO2、硅、氮化硅等材料，在光子集成特性方面的优势，得出了薄膜铌酸锂将会成为集成微波光子技术的重要基石以及对未来光子集成工艺的发展有重要意义的观点。

来源：中国航天期刊平台       

作者：孙力军；蒋城；蔡鑫伦；李昊；彭松；张羽

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当前硅基电光调制器现阶段依旧在市场中占主导地位，以薄膜铌酸锂为基础的电光调制器理论上有着超越硅的带宽，调制速率与线性度，但其加工工艺尚未完全成熟，生产周期长，优化加工工艺是薄膜铌酸锂器件走向实用的前提。

北京康冠世纪光电科技有限公司（简称：康冠光电）与北京工业大学联合创立“铌酸锂电光调制实验室”并研发出新一代薄膜铌酸锂调制器，在薄膜铌酸锂光子集成方向开发了薄膜铌酸锂高精度流片工艺技术，为薄膜铌酸锂调制器的行业发展提供重要商业价值的应用。当前，康冠光电已完成薄膜铌酸锂调制器芯片设计及仿真，设计带宽为40GHz，理论带宽可达100GHz。完成第二轮芯片加工，随着LNOI技术的日益成熟，采用线性效应更好的材料以及更高效的工艺，很有希望实现高线性度片上集成电光调制器。

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本文涉及到的产品和技术有：

微波光子链路传输方案

半导体光放大器SOA

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