響應COO的建議，多寫一點有深度的干貨。

這一篇筆記聊一聊鈮酸鋰調制器。

鈮酸鋰是一種非常重要的非線性材料，它的透明波段非常寬，從350nm到5.2um，其在非線性光學(激光頻率轉換)、光電調制等領域應用非常廣泛。它的晶體結構如下圖，是單軸雙折射晶體（三方晶系）。

正是因為這樣的晶體結構，才導致了其優異的電光性質。按照晶體切割方向的不同，還可以細分為x切，y切，z切鈮酸鋰。

鈮酸鋰材料通過一定的方法可以加工為波導，常用的兩種方法是質子交換法和鈦擴散法。這兩種方法都會在晶體表面形成擴散型波導。

由于折射率對比度比較小，鈮酸鋰波導對模場束縛較弱，可以與單模光纖較高效率地耦合。其轉彎半徑較大，集成度比較小。另外，質子交換法形成的波導只支持e光，而鈦擴散波導支持e光和o光。

鈮酸鋰電光調制器主要基于Pockels效應。Pockels是線性電光效應，其折射率改變正比于所施加電場的大小，滿足下式，

而另一種常見的電光效應---Kerr效應，它是二次電光效應，其折射率改變與電場平方成正比。對于Pockels效應，折射率隨電場變化的系數與非線性系數r33成正比，鈮酸鋰材料有著較高的r33系數，這也是為什么選取鈮酸鋰材料進行電光調制的原因之一。補充一點，Pockels效應只存在于非中心對稱的材料，而像硅這種中心對稱的材料，是沒有Pockels效應的。硅基調制器主要基于載流子濃度改變導致的吸收系數變化或者折射率變化。

基于Pockels效應，可以對鈮酸鋰波導中的光場相位進行調制，進一步可制備成相應的調制器，包括強度調制器，相位調制器。強度調制器是典型的Mach-Zehnder干涉器結構，其結構如下圖所示。當施加不同的電壓時，產生兩種不同的光強輸出，對應0和1。

(圖片來自http://www.lambdaphoto.co.uk/pdfs/SumitomoModulatorApplicationNote.pdf)

而對于相位調制器，其只有單根波導，如下圖所示，

(圖片來自http://www.lambdaphoto.co.uk/pdfs/SumitomoModulatorApplicationNote.pdf)

當施加不同的電壓時，光場相位發生變化，等效的波長發生改變，進而可以改變光場的波前。在長距離傳輸中，由于一些非線性效應，光脈沖的波形會發生畸變，而利用相位調制器可以補償這些非線性效應帶來的影響，調整脈沖的形狀。

鈮酸鋰調制器的性能非常好，調制速度可以達到40G以上，線性度較高，消光比可以達到30dB, 半波電壓V_pi在6V左右。下圖是iXblue公司鈮酸鋰調制器的性能參數表，

（圖片來自https://photonics.ixblue.com/files/files/pdf/iXBlue_Analog_modulators%2C_Drivers_and_ModBox.pdf）

但是鈮酸鋰調制器的體積非常大，封裝后就是一個長盒子，如下圖所示，

這么大個頭，顯然是不利于光電集成的。目前，鈮酸鋰調制器主要應用于長距離通信中，其對性能要求較高，而體積成為次要考慮因素。但是在數據中心中，性能相對要求較低，而對體積和功耗的要求更高，鈮酸鋰調制器顯然不如硅基、InP等片上集成的調制器受青睞。

為了減小其體積，研究人員做了很多嘗試。比如在Si襯底上鍵合一層鈮酸鋰薄膜，進而再加工波導和RF電極，形成調制器，如下圖所示，

（圖片來自文獻1）

關于這方面的最新進展，可以參看文獻1。這方面技術還不是很成熟，個人感覺其片上集成的優勢不大。依稀記得有位大佬說過這么句話，如果可以用硅做，那就必須用硅做。希望不要被做這一方向的同學打臉

補充一點，基于鈮酸鋰的聲光效應，還可以制作鈮酸鋰聲光調制器。關于聲光效應，可以參看[光學調制器的物理基礎],這里就不贅述了。鈮酸鋰聲光調制器應用也十分廣泛。

總的說來，經過這么多年的發展，鈮酸鋰調制器技術已經非常成熟，其性能優異，應用廣泛。可以借鑒其高速RF電極的設計，應用在硅基調制器的設計上。

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