歡迎大家來到小K的實驗室。本期小K的實驗室迎來了一位叫鈮酸鋰的客人。

你聽說過鈮酸鋰嗎？

你知道鈮酸鋰是用來做什么的嗎？

你知道鈮酸鋰能讓你成為人生贏家嗎？

且聽小K給您好好介紹這位“客人”。

小K知識大講堂

如果說電子革命的中心是以使其成為可能的硅材料命名的，那么光子學革命可能就要溯源到鈮酸鋰這種材料身上了，具有“光學硅”之稱的鈮酸鋰是一種集光折變效應、非線性效應、電光效應、聲光效應、壓電效應與熱電效應等于一體的無色透明材料。它的諸多性能可以通過晶體組分、元素摻雜、價態控制等因素調控。被廣泛用來制備光波導、光開關、壓電調制器、電光調制器、二次諧波發生器、激光倍頻器等多種產品。在光通信產業中，調制器則是鈮酸鋰的重要應用市場。

隨著 5G 與 AI、大數據、物聯網、人工智能等技術深度融合，將觸發更多 To B 端和 To C 端的新型應用場景，從而進一步打開流量增長的空間。數據量的持續增長，高帶寬通訊的需求不斷增加，核心光網絡向超高速和超遠距離傳輸升級，對光通信骨干網的需求也在不斷增加。光調制器是光通訊的重要環節，其中，電光調制器是現在通信產業的核心部件。電光調制器位于光發射環節，它將通信設備中的高速電子信號轉化為光信號，進而實現信息在光纖中的遠距離高速傳輸。

從實際應用來看，電光調制器的制備可分為硅基方案、磷化銦（InP） 方案和鈮酸鋰（LiNbO3）三種方案，三者相比較來說鈮酸鋰性能優勢明顯，能夠充分滿足傳輸距離長（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的長距離骨干網相干通訊。鈮酸鋰雖然相較之硅基方案和磷化銦方案優勢明顯，但是傳統鈮酸鋰基電光調制器的信號質量、帶寬、半波電壓、插入損耗等關鍵性能參數的提升逐漸遭遇瓶頸，并且技術革新要求其在端口密度越來越大的情況下不增加調制器臂長度的情況下減小調制電壓，傳統鈮酸鋰調制器的弊端凸顯無疑。

傳統鈮酸鋰電光調制器以體鈮酸鋰為材料，對光場的束縛能力差，其封裝后的尺寸較大。

薄膜鈮酸鋰（LNOI）技術在硅基襯底上蒸鍍二氧化硅（SiO2）層，將鈮酸鋰襯底高溫鍵合構造出解理面，最后剝離出鈮酸鋰薄膜。薄膜鈮酸鋰相較于傳統鈮酸鋰波導提升，對光信號束縛能力增強，形成的薄膜鈮酸鋰電光調制器具備顯著的低損耗，小尺寸，高帶寬特點。

薄膜鈮酸鋰制備流程

薄膜鈮酸鋰體材料在800G/1.2T以上的高帶寬網絡中性能優于磷化銦，有望在高帶寬場景替換部分磷化銦的市場份額；另一方面，薄膜鈮酸鋰調制器表面積比傳統電光調節器大概小100倍，擁有更快的數據傳輸速度和數據帶寬。為未來高速、低能耗、低成本的通信網絡以及量子光子計算鋪平道路。

鈮酸鋰調制器測試挑戰

對于調制器器件，最關鍵的性能參數之一就是調制帶寬，也就是調制器的頻域特性。測試高帶寬鈮酸鋰調制器的頻域特性，需要使用高頻率的網絡分析儀來進行。但常用的網絡分析儀只包含電信號輸入輸出端口，要測試光調制器還需要通過光探測器將調制器輸出的光信號轉化為電信號，再返回網絡分析儀，構成完整的測試環路。下圖是電光調制器測試系統的簡單示意圖。

1.系統測試帶寬的挑戰

隨著新的光電調制器帶寬不斷升高，對測試系統的帶寬要求也隨之不斷提升。市面上目前主流的67 G - 70 GHz頻率范圍的網絡分析儀系統，無法滿足測試帶寬接近或超過100 GHz水平的鈮酸鋰薄膜調制器。測試光調制器還需要同等水平帶寬的光探測器構成環路，才能保證系統的整體測試頻率范圍，這對于測試來說也是不小的挑戰。

2.頻響測試精度的挑戰

搭建好測試系統后，如何保證光調制器測試結果的準確性，是這個測試挑戰最大的部分。在測試環路中包括射頻線纜、高頻電探針、高速光探測器等組件，它們的特性都會影響環路頻域響應的測試結果。只有完整的對整個測試系統進行校準，才能保證測試結果真實反應被測件，也就是光調制器的特性參數。隨著測試頻率的不斷提升，對校準的挑戰也越來越高。

3.測試效率的挑戰

對于未封裝的鈮酸鋰調制器，需要通過光探針和電探針來進行信號的耦合與連接。光探針的耦合不僅需要調節探針的位置與角度，還需要調節輸入光偏振態，才能使調制器工作在最優狀態。對于批量測試來說，手動進行探針耦合與網絡分析儀的掃描測試整體效率很低，需要開發自動化的測試平臺來提升效率。這對于未來產業化的調制器測試是必須攻克的挑戰。

我們該如何測試鈮酸鋰調制器呢？

是德科技高帶寬光波元件分析儀系統是個不錯的選擇。

為了進行100 GHz以上帶寬的光電器件測試，是德科技推出了N4372E 110GHz光波元件分析儀（LCA）系統。N4372E包含高達110 GHz的毫米波網絡分析儀，以及專用的光擴展座，通過參考光發射機和參考光接收機實現網絡分析儀電信號與被測器件所需的光信號的轉換。最重要的一點是，N4372E LCA系統出廠時對測試系統整體校準到110 GHz的頻率響應，確保光電器件，例如激光器、光調制器和光探測器的頻響參數測試準確性。下圖是是德科技N4372E光波元件分析儀的實物圖。

是德科技的LCA系統支持網絡分析儀常用的射頻校準方式，包括機械校準件、電子校準件、以及探針廠商提供的探針專用校準件等。通過射頻校準將電口響應提取出之后，再通過LCA系統自帶的光座響應參數進行系統響應的計算與補償。

為了應對高帶寬調制器測試效率的挑戰，是德科技提供完整的自動化測試軟件平臺Pathwave Test Automation，用戶可以通過自動化軟件控制LCA、光源、偏振控制器、光功率計等儀表與探針臺協同工作，完成自動化的探針對齊、測量、器件切換等功能。

審核編輯：何安