鈮酸鋰是用來做什么的

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(xué)革命可能就要溯源到鈮酸鋰這種材料身上了，具有“光學(xué)硅”之稱的鈮酸鋰是一種集光折變效應(yīng)、非線性效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、壓電效應(yīng)與熱電效應(yīng)等于一體的無色透明材料。它的諸多性能可以通過晶體組分、元素?fù)诫s、價態(tài)控制等因素調(diào)控。被廣泛用來制備光波導(dǎo)、光開關(guān)、壓電調(diào)制器、電光調(diào)制器、二次諧波發(fā)生器、激光倍頻器等多種產(chǎn)品。在光通信產(chǎn)業(yè)中，調(diào)制器則是鈮酸鋰的重要應(yīng)用市場。

隨著 5G 與 AI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)深度融合，將觸發(fā)更多 To B 端和 To C 端的新型應(yīng)用場景，從而進(jìn)一步打開流量增長的空間。數(shù)據(jù)量的持續(xù)增長，高帶寬通訊的需求不斷增加，核心光網(wǎng)絡(luò)向超高速和超遠(yuǎn)距離傳輸升級，對光通信骨干網(wǎng)的需求也在不斷增加。光調(diào)制器是光通訊的重要環(huán)節(jié)，其中，電光調(diào)制器是現(xiàn)在通信產(chǎn)業(yè)的核心部件。電光調(diào)制器位于光發(fā)射環(huán)節(jié)，它將通信設(shè)備中的高速電子信號轉(zhuǎn)化為光信號，進(jìn)而實現(xiàn)信息在光纖中的遠(yuǎn)距離高速傳輸。

從實際應(yīng)用來看，電光調(diào)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(yōu)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(wǎng)相干通訊。鈮酸鋰雖然相較之硅基方案和磷化銦方案優(yōu)勢明顯，但是傳統(tǒng)鈮酸鋰基電光調(diào)制器的信號質(zhì)量、帶寬、半波電壓、插入損耗等關(guān)鍵性能參數(shù)的提升逐漸遭遇瓶頸，并且技術(shù)革新要求其在端口密度越來越大的情況下不增加調(diào)制器臂長度的情況下減小調(diào)制電壓，傳統(tǒng)鈮酸鋰調(diào)制器的弊端凸顯無疑。

傳統(tǒng)鈮酸鋰電光調(diào)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(shù)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(gòu)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(tǒng)鈮酸鋰波導(dǎo)提升，對光信號束縛能力增強(qiáng)，形成的薄膜鈮酸鋰電光調(diào)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(wǎng)絡(luò)中性能優(yōu)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(diào)制器表面積比傳統(tǒng)電光調(diào)節(jié)器大概小100倍，擁有更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)帶寬。為未來高速、低能耗、低成本的通信網(wǎng)絡(luò)以及量子光子計算鋪平道路。

鈮酸鋰調(diào)制器測試挑戰(zhàn)

對于調(diào)制器器件，最關(guān)鍵的性能參數(shù)之一就是調(diào)制帶寬，也就是調(diào)制器的頻域特性。測試高帶寬鈮酸鋰調(diào)制器的頻域特性，需要使用高頻率的網(wǎng)絡(luò)分析儀來進(jìn)行。但常用的網(wǎng)絡(luò)分析儀只包含電信號輸入輸出端口，要測試光調(diào)制器還需要通過光探測器將調(diào)制器輸出的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再返回網(wǎng)絡(luò)分析儀，構(gòu)成完整的測試環(huán)路。下圖是電光調(diào)制器測試系統(tǒng)的簡單示意圖。

1.系統(tǒng)測試帶寬的挑戰(zhàn)

隨著新的光電調(diào)制器帶寬不斷升高，對測試系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)，無法滿足測試帶寬接近或超過100 GHz水平的鈮酸鋰薄膜調(diào)制器。測試光調(diào)制器還需要同等水平帶寬的光探測器構(gòu)成環(huán)路，才能保證系統(tǒng)的整體測試頻率范圍，這對于測試來說也是不小的挑戰(zhàn)。

2.頻響測試精度的挑戰(zhàn)

搭建好測試系統(tǒng)后，如何保證光調(diào)制器測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，是這個測試挑戰(zhàn)最大的部分。在測試環(huán)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(huán)路頻域響應(yīng)的測試結(jié)果。只有完整的對整個測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，才能保證測試結(jié)果真實反應(yīng)被測件，也就是光調(diào)制器的特性參數(shù)。隨著測試頻率的不斷提升，對校準(zhǔn)的挑戰(zhàn)也越來越高。

3.測試效率的挑戰(zhàn)

對于未封裝的鈮酸鋰調(diào)制器，需要通過光探針和電探針來進(jìn)行信號的耦合與連接。光探針的耦合不僅需要調(diào)節(jié)探針的位置與角度，還需要調(diào)節(jié)輸入光偏振態(tài)，才能使調(diào)制器工作在最優(yōu)狀態(tài)。對于批量測試來說，手動進(jìn)行探針耦合與網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描測試整體效率很低，需要開發(fā)自動化的測試平臺來提升效率。這對于未來產(chǎn)業(yè)化的調(diào)制器測試是必須攻克的挑戰(zhàn)。

我們該如何測試鈮酸鋰調(diào)制器呢？

是德科技高帶寬光波元件分析儀系統(tǒng)是個不錯的選擇。

為了進(jìn)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(tǒng)。N4372E包含高達(dá)110 GHz的毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀，以及專用的光擴(kuò)展座，通過參考光發(fā)射機(jī)和參考光接收機(jī)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀電信號與被測器件所需的光信號的轉(zhuǎn)換。最重要的一點是，N4372E LCA系統(tǒng)出廠時對測試系統(tǒng)整體校準(zhǔn)到110 GHz的頻率響應(yīng)，確保光電器件，例如激光器、光調(diào)制器和光探測器的頻響參數(shù)測試準(zhǔn)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(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)分析儀常用的射頻校準(zhǔn)方式，包括機(jī)械校準(zhǔn)件、電子校準(zhǔn)件、以及探針廠商提供的探針專用校準(zhǔn)件等。通過射頻校準(zhǔn)將電口響應(yīng)提取出之后，再通過LCA系統(tǒng)自帶的光座響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)的計算與補(bǔ)償。

為了應(yīng)對高帶寬調(diào)制器測試效率的挑戰(zhàn)，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(xié)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