高性能宽带薄膜铌酸锂电光调制器
2025-08-02 14:54:04   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）电光调制器发展迅速，已成为下一代电光问题的核心解决方案。与块体铌酸锂调制器相比，薄膜铌酸锂调制器不仅保留了铌酸锂材料的低损耗、高消光比、高线性响应和高光功率承载能力等固有优势，而且还有效提升了电光调制器的电压带宽等关键性能参数。然而，薄膜铌酸锂电光调制器的电极间隙极小，会引发金属吸收现象，从而导致较高的微波损耗。因此，这类调制器的电光性能在高频率下会变差。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院半导体研究所和中国科学院大学的研究团队设计了一种具有微结构的行波电极（TWE）来克服上述限制，并使制备的薄膜铌酸锂电光调制器成功实现了51.2 GHz的3 dB电光响应带宽。同时，该电光调制器保持了低于2 dB的低片上损耗和15 dB的高消光比。所制备的电光调制器采用金属封装，并通过了一系列可靠性测试。相关研究内容以“Broadband Thin-Film Lithium Niobate Electro-Optic Modulator”为题发表在Photonics期刊上。

该薄膜铌酸锂电光调制器由行波电极（TWE）马赫-曾德尔干涉仪（MZI）架构的光波导以及地-信号-地（GSG）金共面微波电极共同组成。其光路包括输入和输出模式模点转换结构、用于光束分离的多模干涉耦合器（MMI）结构以及调制单模光波导。所有这些结构均制备于薄膜铌酸锂平台上。图1a展示了该纳米光子铌酸锂调制器的示意图，图1b和图1c分别为电极的截面图和俯视图。

图1 薄膜铌酸锂电光调制器芯片的结构示意图

为了实现薄膜铌酸锂调制器的高带宽和低电压，需满足以下条件：（1）微波损耗（即沿行波方向流动的电流衰减）应尽可能降低；（2）射频信号的有效折射率应与光信号的群折射率相匹配；（3）需增强信号电极与地电极之间的电场强度，以促进行波方向调制相位的有效匹配与积累；（4）薄膜铌酸锂调制器应与外部驱动电路的阻抗匹配，以便功率有效传输至传输线。因此，研究人员通过设计分段结构来实现微波速度与光波速度的精确匹配，其传输线等效电路如图2所示。图3展示了分段电极的俯视图和局部视图，并标注了设计参数。周期性电极间隙可降低微波信号的传播速度，从而实现波速匹配。

图2 电极的传输线等效电路模型

图3 分段电极的俯视图和局部视图

该电光调制器基于X切（X-cut）的绝缘体上铌酸锂（LNOI）衬底制备而成。其中360 nm厚的铌酸锂薄膜键合于2 μm厚的二氧化硅（SiO₂）绝缘层上。薄膜铌酸锂电光调制器的制造工艺主要分为六个核心步骤：清洗、电子束曝光、硬掩膜制备、波导刻蚀、包层沉积以及（热）电极制备。图4展示了薄膜铌酸锂电光调制器的制造工艺。图5展示了薄膜铌酸锂电光调制器的扫描电镜图（SEM）和光学显微镜图。

图4 薄膜铌酸锂电光调制器的制造工艺示意图

图5 薄膜铌酸锂电光调制器的扫描电镜图和光学显微镜图

高性能薄膜铌酸锂电光调制器的封装需要考虑多个关键因素，包括光学性能、电气性能、机械性能以及密封性。图6展示了封装调制器的内部视图。该器件封装尺寸为45 mm × 20 mm × 9 mm，封装材料选用可伐合金（Kovar），因其与光纤、传统玻璃-金属密封件以及陶瓷引线均具有良好的热膨胀兼容性，封装表面采用镀镍和镀金处理。

图6 封装电光调制器的结构示意图和内部结构实景图

最后，研究人员通过67 GHz网络分析仪测量了该薄膜铌酸锂电光调制器的频率响应，相关结果如图7所示。

图7 薄膜铌酸锂电光调制器的能量效率（EE）带宽和电光响应带宽

综上所述，这项研究成功制备了薄膜铌酸锂电光调制器，实现了51.2 GHz的3 dB电光响应带宽。同时，该电光调制器保持了低于2 dB的片上损耗和15 dB的高消光比。值得注意的是，所制备的电光调制器采用金属封装，并通过了一系列可靠性测试。该电光调制器的成功研制，标志着薄膜铌酸锂调制器件在产品化和实际应用推广中迈出了关键一步。

论文链接：https://doi.org/10.3390/photonics11040325

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