當(dāng)前，以CHatGTP為代表的生成式AI（AIGC）應(yīng)用仍在快速迭代升級(jí)，全球數(shù)據(jù)總量呈現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)趨勢(shì)，不僅對(duì)算力提出了新要求，也對(duì)傳輸速率和傳輸容量提出了更高要求。光通信由于具有速率高、頻帶寬、保密性好、損耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以有效提升關(guān)鍵路徑上信息傳輸?shù)牡膫鬏斔俾屎蛡鬏斎萘浚⒖稍俳Y(jié)合先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超高速率、超大容量、超長(zhǎng)距離、超靈活的維度的高效傳輸。而電光調(diào)制器作為高速光通信鏈路的關(guān)鍵瓶頸性器件，決定了發(fā)射光信號(hào)的碼率、質(zhì)量和傳輸距離，并且也是光模塊尺寸和功耗的決定性因素。

電光調(diào)制器（EOM）是利用某些電光晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器，可將通信設(shè)備中的高速電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。當(dāng)其中的電光晶體受到外加電場(chǎng)時(shí)，電光晶體的折射率會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)該晶體的光波特性也會(huì)相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的幅度、相位以及偏振狀態(tài)等參量的調(diào)制，通過(guò)調(diào)制將通信設(shè)備中的高速電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。

鈮酸鋰：高性能電光調(diào)制器的理想選擇

目前市面上主流的電光調(diào)制器主要有三種類(lèi)型：硅基調(diào)制器、磷化銦調(diào)制器以及鈮酸鋰調(diào)制器。其中，硅沒(méi)有直接電光系數(shù)，性能較為一般，僅適用于制作短距離數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)模塊的調(diào)制器，磷化銦雖然適用于中長(zhǎng)距離光通信網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)模塊，但對(duì)集成工藝要求極高、成本也相對(duì)較高，在應(yīng)用上受到了一定的限制。

相比之下，鈮酸鋰晶體不僅光電效應(yīng)豐富，集光折變效應(yīng)、非線(xiàn)性效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、壓電效應(yīng)與熱電效應(yīng)等于一體，而且得益于其晶格結(jié)構(gòu)和豐富的缺陷結(jié)構(gòu)，鈮酸鋰諸多性能可以通過(guò)晶體組分、元素?fù)诫s、價(jià)態(tài)控制等進(jìn)行大幅度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的光電性能，比如電光系數(shù)高達(dá)30.9pm/V，顯著高于磷化銦，且具有很小的啁啾效應(yīng)（啁啾效應(yīng)：指在激光脈沖傳輸過(guò)程中，脈沖內(nèi)的頻率隨時(shí)間發(fā)生變化的現(xiàn)象。啁啾效應(yīng)較大會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，同時(shí)引發(fā)非線(xiàn)性效應(yīng)）、良好的消光比（信號(hào)“開(kāi)”狀態(tài)與“關(guān)”狀態(tài)的平均功率比值）

和優(yōu)越的器件穩(wěn)定性。除此之外，鈮酸鋰調(diào)制器的工作機(jī)制與硅基調(diào)制器和磷化銦調(diào)制器等采用非線(xiàn)性調(diào)制方法的器件不同，是利用線(xiàn)性電光效應(yīng)將電調(diào)制信號(hào)加載到光載波上，調(diào)制速率主要由微波電極的性能決定，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制速度和線(xiàn)性度以及更低的功耗。基于以上，鈮酸鋰成為制備高性能電光調(diào)制器的理想選擇，在100G/400G相干光通訊網(wǎng)絡(luò)和超高速數(shù)據(jù)中心有著廣泛的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)100公里以上的長(zhǎng)傳輸距離。

薄膜化成為鈮酸鋰的重要發(fā)展方向

鈮酸鋰作為“光子革命”的顛覆性材料，雖然相比硅和磷化銦擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但其往往以體材料的形態(tài)出現(xiàn)在器件中，光被限制在由離子擴(kuò)散或質(zhì)子交換形成的平面波導(dǎo)內(nèi)，折射率差通常比較小（約為0.02），器件尺寸比較大，難以滿(mǎn)足光學(xué)器件趨于小型化、集成化的需求，同時(shí)其產(chǎn)線(xiàn)與實(shí)際的微電子工藝線(xiàn)仍有差異，存在成本較高的難題，因此薄膜化成為了電光調(diào)制器用鈮酸鋰的重要發(fā)展方向。

圖2 (a) 鈮酸鋰晶體 (b) 鈮酸鋰單晶薄膜 (c) 薄膜鈮酸鋰片上電光調(diào)制器

來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

薄膜鈮酸鋰是通過(guò)“離子切片” 的方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出來(lái)的，然后將其高溫鍵合在附有SiO₂緩沖層的Si晶片上而形成的薄膜鈮酸鋰材料。相較于傳統(tǒng)的鈮酸鋰晶體調(diào)制器，薄膜鈮酸鋰調(diào)制器在成本、功耗、性能等方面均有顯著優(yōu)勢(shì)：

1、通過(guò)“離子切片”，薄膜鈮酸鋰晶圓厚度通常在300~900 nm之間，且通過(guò)微納加工，鈮酸鋰波導(dǎo)、微腔等結(jié)構(gòu)可將光場(chǎng)局域在亞波長(zhǎng)量級(jí)，從而顯著降低器件尺寸并提高非線(xiàn)性作用的效率。

2、利用容性電極和石英襯底，不僅可以降低金屬微波損耗，還可以降低微波速率，使光波和微波在調(diào)制區(qū)域以相同的速率傳輸，光和電達(dá)到完美匹配。

3、與CMOS工藝兼容，且隨著尺寸的減小也使單位面板傳輸密度提高，成本方面有進(jìn)一步下降的空間。

小結(jié)

隨著AI技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，特別是從文字類(lèi)交互向視頻類(lèi)交互的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸要求具有更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)處理速度，這直接推動(dòng)了對(duì)高速光模塊的需求，作為光模塊產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的薄膜鈮酸鋰行業(yè)，預(yù)計(jì)也將迎來(lái)快速發(fā)展期。

參考文章：

1、愛(ài)光學(xué)，《鈮酸鋰，引領(lǐng)光子革命的“六邊形戰(zhàn)士”》

2、毅仁資本，《新材料：光子學(xué)時(shí)代的基石——“光學(xué)硅”鈮酸鋰》

3、張平化,王會(huì)濤,付志明.數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)及演進(jìn)[J].中興通訊技術(shù).

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