聊一聊铌酸锂调制器

响应COO的建议，多写一点有深度的干货。

这一篇笔记聊一聊铌酸锂调制器。

铌酸锂是一种非常重要的非线性材料，它的透明波段非常宽，从350nm到5.2um，其在非线性光学(激光频率转换)、光电调制等领域应用非常广泛。它的晶体结构如下图，是单轴双折射晶体（三方晶系）。

正是因为这样的晶体结构，才导致了其优异的电光性质。按照晶体切割方向的不同，还可以细分为x切，y切，z切铌酸锂。

铌酸锂材料通过一定的方法可以加工为波导，常用的两种方法是质子交换法和钛扩散法。这两种方法都会在晶体表面形成扩散型波导。

由于折射率对比度比较小，铌酸锂波导对模场束缚较弱，可以与单模光纤较高效率地耦合。其转弯半径较大，集成度比较小。另外，质子交换法形成的波导只支持e光，而钛扩散波导支持e光和o光。

铌酸锂电光调制器主要基于Pockels效应。Pockels是线性电光效应，其折射率改变正比于所施加电场的大小，满足下式，

而另一种常见的电光效应---Kerr效应，它是二次电光效应，其折射率改变与电场平方成正比。对于Pockels效应，折射率随电场变化的系数与非线性系数r33成正比，铌酸锂材料有着较高的r33系数，这也是为什么选取铌酸锂材料进行电光调制的原因之一。补充一点，Pockels效应只存在于非中心对称的材料，而像硅这种中心对称的材料，是没有Pockels效应的。硅基调制器主要基于载流子浓度改变导致的吸收系数变化或者折射率变化。

基于Pockels效应，可以对铌酸锂波导中的光场相位进行调制，进一步可制备成相应的调制器，包括强度调制器，相位调制器。强度调制器是典型的Mach-Zehnder干涉器结构，其结构如下图所示。当施加不同的电压时，产生两种不同的光强输出，对应0和1。

(图片来自http://www.lambdaphoto.co.uk/pdfs/SumitomoModulatorApplicationNote.pdf)

而对于相位调制器，其只有单根波导，如下图所示，

(图片来自http://www.lambdaphoto.co.uk/pdfs/SumitomoModulatorApplicationNote.pdf)

当施加不同的电压时，光场相位发生变化，等效的波长发生改变，进而可以改变光场的波前。在长距离传输中，由于一些非线性效应，光脉冲的波形会发生畸变，而利用相位调制器可以补偿这些非线性效应带来的影响，调整脉冲的形状。

铌酸锂调制器的性能非常好，调制速度可以达到40G以上，线性度较高，消光比可以达到30dB, 半波电压V_pi在6V左右。下图是iXblue公司铌酸锂调制器的性能参数表，

（图片来自https://photonics.ixblue.com/files/files/pdf/iXBlue_Analog_modulators%2C_Drivers_and_ModBox.pdf）

但是铌酸锂调制器的体积非常大，封装后就是一个长盒子，如下图所示，

这么大个头，显然是不利于光电集成的。目前，铌酸锂调制器主要应用于长距离通信中，其对性能要求较高，而体积成为次要考虑因素。但是在数据中心中，性能相对要求较低，而对体积和功耗的要求更高，铌酸锂调制器显然不如硅基、InP等片上集成的调制器受青睐。

为了减小其体积，研究人员做了很多尝试。比如在Si衬底上键合一层铌酸锂薄膜，进而再加工波导和RF电极，形成调制器，如下图所示，

（图片来自文献1）

关于这方面的最新进展，可以参看文献1。这方面技术还不是很成熟，个人感觉其片上集成的优势不大。依稀记得有位大佬说过这么句话，如果可以用硅做，那就必须用硅做。希望不要被做这一方向的同学打脸

补充一点，基于铌酸锂的声光效应，还可以制作铌酸锂声光调制器。关于声光效应，可以参看[光学调制器的物理基础],这里就不赘述了。铌酸锂声光调制器应用也十分广泛。

总的说来，经过这么多年的发展，铌酸锂调制器技术已经非常成熟，其性能优异，应用广泛。可以借鉴其高速RF电极的设计，应用在硅基调制器的设计上。

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