铌酸锂是用来做什么的

欢迎大家来到小K的实验室。本期小K的实验室迎来了一位叫铌酸锂的客人。

你听说过铌酸锂吗？

你知道铌酸锂是用来做什么的吗？

你知道铌酸锂能让你成为人生赢家吗？

且听小K给您好好介绍这位“客人”。

小K知识大讲堂

如果说电子革命的中心是以使其成为可能的硅材料命名的，那么光子学革命可能就要溯源到铌酸锂这种材料身上了，具有“光学硅”之称的铌酸锂是一种集光折变效应、非线性效应、电光效应、声光效应、压电效应与热电效应等于一体的无色透明材料。它的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等因素调控。被广泛用来制备光波导、光开关、压电调制器、电光调制器、二次谐波发生器、激光倍频器等多种产品。在光通信产业中，调制器则是铌酸锂的重要应用市场。

随着 5G 与 AI、大数据、物联网、人工智能等技术深度融合，将触发更多 To B 端和 To C 端的新型应用场景，从而进一步打开流量增长的空间。数据量的持续增长，高带宽通讯的需求不断增加，核心光网络向超高速和超远距离传输升级，对光通信骨干网的需求也在不断增加。光调制器是光通讯的重要环节，其中，电光调制器是现在通信产业的核心部件。电光调制器位于光发射环节，它将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，进而实现信息在光纤中的远距离高速传输。

从实际应用来看，电光调制器的制备可分为硅基方案、磷化铟（InP） 方案和铌酸锂（LiNbO3）三种方案，三者相比较来说铌酸锂性能优势明显，能够充分满足传输距离长（100 公里以上）、容量大（100G 以上）的需求 ，主要用于100Gbps以上直至1.2Tbps的长距离骨干网相干通讯。铌酸锂虽然相较之硅基方案和磷化铟方案优势明显，但是传统铌酸锂基电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插入损耗等关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈，并且技术革新要求其在端口密度越来越大的情况下不增加调制器臂长度的情况下减小调制电压，传统铌酸锂调制器的弊端凸显无疑。

传统铌酸锂电光调制器以体铌酸锂为材料，对光场的束缚能力差，其封装后的尺寸较大。

薄膜铌酸锂（LNOI）技术在硅基衬底上蒸镀二氧化硅（SiO2）层，将铌酸锂衬底高温键合构造出解理面，最后剥离出铌酸锂薄膜。薄膜铌酸锂相较于传统铌酸锂波导提升，对光信号束缚能力增强，形成的薄膜铌酸锂电光调制器具备显著的低损耗，小尺寸，高带宽特点。

薄膜铌酸锂制备流程

薄膜铌酸锂体材料在800G/1.2T以上的高带宽网络中性能优于磷化铟，有望在高带宽场景替换部分磷化铟的市场份额；另一方面，薄膜铌酸锂调制器表面积比传统电光调节器大概小100倍，拥有更快的数据传输速度和数据带宽。为未来高速、低能耗、低成本的通信网络以及量子光子计算铺平道路。

铌酸锂调制器测试挑战

对于调制器器件，最关键的性能参数之一就是调制带宽，也就是调制器的频域特性。测试高带宽铌酸锂调制器的频域特性，需要使用高频率的网络分析仪来进行。但常用的网络分析仪只包含电信号输入输出端口，要测试光调制器还需要通过光探测器将调制器输出的光信号转化为电信号，再返回网络分析仪，构成完整的测试环路。下图是电光调制器测试系统的简单示意图。

1. 系统测试带宽的挑战

随着新的光电调制器带宽不断升高，对测试系统的带宽要求也随之不断提升。市面上目前主流的67 G - 70 GHz频率范围的网络分析仪系统，无法满足测试带宽接近或超过100 GHz水平的铌酸锂薄膜调制器。测试光调制器还需要同等水平带宽的光探测器构成环路，才能保证系统的整体测试频率范围，这对于测试来说也是不小的挑战。

2. 频响测试精度的挑战

搭建好测试系统后，如何保证光调制器测试结果的准确性，是这个测试挑战最大的部分。在测试环路中包括射频线缆、高频电探针、高速光探测器等组件，它们的特性都会影响环路频域响应的测试结果。只有完整的对整个测试系统进行校准，才能保证测试结果真实反应被测件，也就是光调制器的特性参数。随着测试频率的不断提升，对校准的挑战也越来越高。

3. 测试效率的挑战

对于未封装的铌酸锂调制器，需要通过光探针和电探针来进行信号的耦合与连接。光探针的耦合不仅需要调节探针的位置与角度，还需要调节输入光偏振态，才能使调制器工作在最优状态。对于批量测试来说，手动进行探针耦合与网络分析仪的扫描测试整体效率很低，需要开发自动化的测试平台来提升效率。这对于未来产业化的调制器测试是必须攻克的挑战。

我们该如何测试铌酸锂调制器呢？

是德科技高带宽光波元件分析仪系统是个不错的选择。

为了进行100 GHz以上带宽的光电器件测试，是德科技推出了N4372E 110GHz光波元件分析仪（LCA）系统。N4372E包含高达110 GHz的毫米波网络分析仪，以及专用的光扩展座，通过参考光发射机和参考光接收机实现网络分析仪电信号与被测器件所需的光信号的转换。最重要的一点是，N4372E LCA系统出厂时对测试系统整体校准到110 GHz的频率响应，确保光电器件，例如激光器、光调制器和光探测器的频响参数测试准确性。下图是是德科技N4372E光波元件分析仪的实物图。

是德科技的LCA系统支持网络分析仪常用的射频校准方式，包括机械校准件、电子校准件、以及探针厂商提供的探针专用校准件等。通过射频校准将电口响应提取出之后，再通过LCA系统自带的光座响应参数进行系统响应的计算与补偿。

为了应对高带宽调制器测试效率的挑战，是德科技提供完整的自动化测试软件平台Pathwave Test Automation，用户可以通过自动化软件控制LCA、光源、偏振控制器、光功率计等仪表与探针台协同工作，完成自动化的探针对齐、测量、器件切换等功能。

审核编辑：何安