1 引 言

电光调制器是光通信系统和微波光子系统的核心器件，通过外加电场引起材料折射率的变化来调控自由空间或光波导中传播的光^[1]。得益于大电光系数(γ₃₃≈30.8 pm/V)和宽电磁波透过窗口（约0.35~5 μm^[2]），铌酸锂材料在高速调制方面具有广泛应用^[3]。传统铌酸锂电光调制器使用的电光材料是体铌酸锂材料，通过钛扩散或质子交换工艺对单晶铌酸锂材料进行局部掺杂构成波导，芯层和包层的折射率差很小（最高约0.1^[4]），波导对光场的束缚能力差，同时为了减少功耗、降低调制器的驱动电压，调制区的长度需要设计的很长，封装后的电光调制器的总长度通常在5~10 cm。

绝缘体上铌酸锂（Lithium Niobate on Insulator, LNOI）技术为解决铌酸锂电光调制器尺寸大的难题提供了有效途径。将亚微米厚度的单晶铌酸锂薄膜键合在二氧化硅层上构成的新型材料体系制备出的波导芯层和包层的折射率差可达0.7^[5]，大大增强了波导对光模式的束缚能力和电光调控效应，已成为电光调制器领域的研究热点。2018年哈佛大学Loncar教授课题组在《Nature》上报道了单片集成的薄膜铌酸锂电光调制器，图1为该调制器与已封装的商用体铌酸锂电光调制器及硬币的实物对比照片，调制器总长仅为1~2 cm，半波电压低至1.4 V，这意味着调制器可直接由CMOS电路驱动而无需叠加前置放大器，片上光损耗小于0.5 dB，数据传输率高达210 Gbit/s，当器件长度缩减至5 mm时可实现100 GHz的超高3 dB电光带宽^[6]。这项工作成为该领域具有里程碑意义的重大突破，证实了LNOI技术的先进性，引起了对薄膜铌酸锂调制器的研究热潮。

图 1. 哈佛大学LNOI电光调制器与商用电光调制器的对比^[7]

Fig. 1. Comparison between LNOI electro-optic modulator and commercial modulator^[7]

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文中从铌酸锂材料的电光效应出发，介绍了铌酸锂电光调制器的工作原理及关键性能参数，重点介绍了典型LNOI铌酸锂光波导及电光调制器类型和近年来一些具有代表性或突破性的研究工作，并对未来如何进一步提升调制器的性能进行了展望。

1 铌酸锂电光调制器的工作原理

1.1　电光效应

在静电或低频电场E₀的存在下，电介质材料的光学特性可以通过电光效应来改变，可用相对介电不渗透性张量（relative impermeability tensor）的变化来表示^[8]：

ηij(E0)=ηij+Δηij(E0)=ηij+∑kγijkE0k+∑k,lsijklE0kE0l+⋯（1）

其中ηij是与电场无关的量，γijk是线性电光系数，被称为Pockels系数，sijkl是二次电光系数，也被称为是Kerr系数。Pockels效应是一阶电光效应，是指ηij(E0)通过系数γijk与外加电场E₀线性相关的效应。Kerr效应是二阶电光效应，是指通过系数sijkl与外加电场E₀二次相关的效应，基于Kerr效应工作的光调制器通常被称为全光调制器。需要注意的是Pockels效应和Kerr效应都是非线性光学效应。

光通信用铌酸锂电光调制器基于的是Pockels效应，铌酸锂材料是3 m点群对称的负单轴晶体结构，当对其外加电场E时，晶体折射率变化可表示为：

Δ1n2=∑j=13γijEj（2）

式中γij为6×3的Pockels系数矩阵，E₁=E_x，E₂=E_y，E₃=E_z。铌酸锂的Pockels系数矩阵中最大的是γ33，且当E_z作用时折射率的变化量最大。因此，为了实现高效的电光调制，电场通常加在铌酸锂晶体的z轴方向，以利用最大的线性电光系数。铌酸锂光子器件常用的晶体材料有x切和z切两种^[9]，x切铌酸锂晶体器件设计在y⁃z平面，可通过平面光刻方法制备器件，利用的是光的TE模式，微波电极与器件层在同一平面，便于进行测试分析；z切晶体器件设计在x⁃y平面，利用的是TM模式，需要采用顶电极和底电极的结构才能将电场加在晶体的z轴方向。

1.2　铌酸锂电光调制器工作原理

由Pockels效应引起的铌酸锂晶体折射率的变化可以用来实现多种电光调制器，按照原理可分为相位调制器和强度调制器。目前研究较多的铌酸锂强度调制器有Mach⁃Zehnder（M⁃Z）调制器、谐振式的环形调制器和跑道型调制器等结构，其中M⁃Z调制器是光通信领域最为广泛使用的强度调制器。本部分以x切铌酸锂为例，分别介绍相位调制器和M⁃Z强度调制器的工作原理。

如图2(a)所示，通过在铌酸锂直波导两侧放置金属电极可构成相位调制器，施加的电压引起波导折射率的变化从而改变传输光相位实现相位调制^[10]。对信号电极加载微波信号，信号电极和地电极之间的间距为G，施加电压为V，入射光波长为λop时，外加电场引起TE模式折射率的变化为：

ΔnTE=-ne3γ33V2GΓmo（3）

其中Γmo为调制电场Ez和光模式场Eop之间的重叠因子，表示为：

Γmo=GV∬Eop2EzdS∬Eop2dS（4）

对模式折射率变化量在电光作用长度L上积分可得到相位变化量为：

ΔφTE=πne3γ33VLλopGΓmo（5）

如图2(b)所示，在对称式的M⁃Z电光调制器中，理想情况下，光从调制器的一端输入，经过第一个Y波导耦合器后分成两束相等的光，由于电极加电压后铌酸锂光波导的折射率发生改变，因此两束光经过分支波导后会产生相位差，在第二个Y波导耦合器处合波干涉导致输出光的振幅发生变化，从而实现强度调制。当设计为推挽结构时，两臂所处电场极性相反，因此产生的相移也相反，器件总的相位变化量是单臂相位调制器的两倍。

图 2. x切铌酸锂电光调制器示意图

Fig. 2. Schematic of x-cut LN electro-optic modulators

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1.3　铌酸锂电光调制器关键性能参数

电光调制器的关键性能指标包括半波电压、电光带宽等参数。半波电压（V_π）在相位调制器和强度调制器中所指略有不同。在相位调制器中，半波电压是指驱动调制器获得π相移所需的电压，而在强度调制器中指的是切换调制器由“开态”到“关态”所需的电压^[11]。在实际应用中通常用半波电压长度积V_πL来衡量调制器的性能。电光带宽是指调制响应相比参考频率（直流或低频）输出衰减3 dB时所对应的调制频率^[10]。对于强度调制器来说，消光比也是一个很重要的参数，是指“开态”输出光强和“关态”输出光强之比，用于描述强度调制器将输出光切换到特定水平的能力。

2 典型薄膜铌酸锂波导结构及其制备工艺

传统体材料铌酸锂波导和薄膜铌酸锂波导的等比例横截面对比示意图如图3所示，体材料铌酸锂波导通常为沟道型波导，利用钛扩散或质子交换等手段对单晶铌酸锂材料进行掺杂，从而在局部改变材料的折射率构成波导的芯层结构。通过掺杂的方法制备的铌酸锂波导由于芯层和包层的折射率差很小，对传导光场的限制作用较差，光模式尺寸约在10 μm×5 μm量级。超过10 μm的宽度很难实现单模波导设计，且在弯曲波导的设计中难以获得小的弯曲半径（通常在厘米量级）。一种新的材料体系——绝缘体上的铌酸锂薄膜的出现为铌酸锂基器件集成度的提高提供了新的解决方案。“Smart Cut”技术是目前用于制造高性能的LNOI基片的标准工艺^[11]，首先在硅或铌酸锂衬底上蒸镀一层二氧化硅，再取另一个铌酸锂衬底对其注入大量He⁺离子构造出解理面，将该衬底高温键合到二氧化硅层上，通过热退火的方式剥离出铌酸锂薄膜，最后再进行抛光降低表面粗糙度，得到的铌酸锂薄膜的厚度通常在300~900 nm之间^[12]。基于该基片的薄膜铌酸锂波导的下包层为二氧化硅，芯层为铌酸锂，上包层为二氧化硅或空气，光波导的芯层和包层之间的折射率差相比体材料铌酸锂波导提升了几倍，对光束缚能力显著增强，光模式尺寸约在1 μm × 0.5 μm量级，与体材料铌酸锂相比缩减了两个数量级，紧凑的结构使得薄膜铌酸锂波导可用于实现集成光子器件。

图 3. 体材料铌酸锂波导和薄膜铌酸锂波导的对比^[2]

Fig. 3. Comparison between traditional bulk LN waveguide and thin-film LN waveguide^[2]

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根据加工工艺及波导类型的不同，薄膜铌酸锂波导可分为直接刻蚀型波导、加载型混合波导和混合硅集成型波导，如图4所示。

图 4. x切薄膜铌酸锂波导

Fig. 4. x-cut thin-film LN waveguides

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2.1　直接刻蚀型波导

通过直接刻蚀LNOI基片的方法获得的铌酸锂波导称为直接刻蚀型波导，通常为脊形波导结构，如图4(a)所示。早期的脊形波导通常采用湿法刻蚀技术制备，由于湿法刻蚀的波导存在芯层和包层间折射率差小及横向陷光能力弱等问题^[13]，逐步被干法刻蚀技术取代。相比于湿法刻蚀，干法刻蚀技术是各向异性的，可精确地控制刻蚀深度及波导形状，更适合制备集成光学器件所用的波导。通过优化光刻及刻蚀工艺，目前已报道的干法刻蚀的薄膜铌酸锂波导的损耗值可低至0.027 dB/cm ^[14]。干法刻蚀的波导损耗主要来源于脊形侧壁的粗糙产生的散射，可通过化学机械抛光（CMP）减少侧壁粗糙度，降低波导损耗。

除湿法刻蚀、干法刻蚀外，也有其他脊形薄膜铌酸锂波导制备工艺被报导，如钻石切割^[15]、CMP^[16]等。目前最常用的制备方式仍为干法刻蚀工艺。

2.2　加载型混合波导

直接刻蚀的脊形铌酸锂波导具有折射率差大、模式尺寸小、集成度高等优点，但在铌酸锂薄膜上进行刻蚀仍存在工艺复杂、对精度要求高的特点，难以实现低成本的大规模制备。一种替代方法是利用刻蚀难度低且折射率与铌酸锂接近的材料，如氧化钽^[5]、氮化硅^[17]、二氧化钛^[18]等，通过沉积或图形化的方式在未刻蚀的铌酸锂薄膜上制备波导，如图4(b)所示。虽然加载型波导的刻蚀较为简单，可实现低成本制备，但在这种波导中，光模式部分存在于加载的材料中、部分存在于铌酸锂平板层中，因此陷光能力不如直接刻蚀的脊形铌酸锂波导，模式尺寸较大，损耗也较高。

2.3　混合硅集成型波导

将铌酸锂薄膜与绝缘体上硅(Si⁃on⁃Insulator, SOI)的光子集成电路通过键合的方式混合集成在一起，这种方案弥补了硅材料不具备二阶光学非线性的缺陷，可将铌酸锂材料优异的光学性能与SOI平台的可扩展性结合，实现具有高性能、与CMOS工艺兼容^[19]的薄膜铌酸锂器件。混合硅集成型波导的结构如图4(c)所示，常见的实现形式有两种，第一种是将未经图形化的铌酸锂薄膜直接键合在硅波导上形成混合波导，第二种是图形化的铌酸锂波导和硅波导各自实现不同的功能，图中以虚线区分这两种情况。混合硅集成型波导相比直接刻蚀型波导的优势是具有更高的模式有效折射率，可实现更小的弯曲半径和更紧凑的集成^[20]。

3 薄膜铌酸锂电光调制器的研究进展

由于微加工工艺技术的进步，基于LNOI平台的电光调制器发展突飞猛进，呈现出尺寸更加紧凑、性能不断提升的趋势。依据使用的波导结构，典型薄膜铌酸锂电光调制器类型有直接刻蚀型波导调制器、加载型混合波导调制器和混合硅集成型波导调制器。

3.1　直接刻蚀型波导调制器

2005年Rabiei等人首次实验实现了基于LNOI平台的电光调制器^[21]，通过离子束刻蚀z切LNOI基片形成脊形波导，波导宽度为5 μm，平板波导损耗1.4 dB/cm，形成的偏振调制器在1 550 nm波长下的半波电压长度积为15 V·cm。2016年Mercante等人在铌酸锂薄膜上刻蚀出脊形结构^[22]，并利用UV15聚合物作为粘合层将已图形化的铌酸锂薄膜粘到硅衬底上，构成了倒脊形的铌酸锂波导，传输损耗约为1 dB/cm，基于该波导的行波相位调制器的半波电压长度积为9.4 V·cm，3 dB电光带宽约为40 GHz。2018年该团队在前期工作的基础上将UV15作为波导上包层提高了RF模式折射率^[23]，减小了微波和光波模式之间的速度失配情况，如图5(a)所示，制备的相位调制器的半波电压长度积为3.8 V·cm，调制器的响应可达500 GHz。2018年，Wang等人构建了单片的x切铌酸锂电光平台^[24]，通过直接刻蚀的方式在其上构建出亚波长尺度的结构，高密度地集成了低损耗的铌酸锂纳米波导、微环谐振腔和M⁃Z电光调制器等器件，跑道型、环形调制器如图5(b)所示，M⁃Z调制器的调制区长度为2 mm，半波电压长度积为1.8 V·cm，消光比为10 dB，3 dB电光带宽为15 GHz。由于刻蚀掩模增加了波导侧壁的粗糙度，波导的传输损耗为3 dB/cm。同年，该课题组通过改进制备工艺将波导的传输损耗降至0.3 dB/cm^[6]，同时结合相位匹配的微波传输线，使得调制区长度在达到2 cm时M⁃Z型行波电光调制器仍可实现45 GHz的带宽，器件如图5(c)所示。2020年该团队利用深紫外光刻结合干法刻蚀分别在四寸和六寸圆片上实现了光子集成电路^[25]，片上光传输损耗低至0.27 dB/cm，展示了薄膜铌酸锂光子集成电路的低损耗及可扩展性，在此基础上有望实现薄膜铌酸锂电光调制器的批量化生产。2021年Liu等人利用I线步进式光刻技术制备出半波电压长度积为1.75 V·cm的M⁃Z调制器^[26]，调制区长度为5 mm时半波电压为3.5 V，3 dB电光带宽超过40 GHz（受测试手段限制只能测到40 GHz）。在制备M⁃Z调制器的过程中，由于难以避免的工艺误差，调制器两臂不会完全对称，消光比限制在30 dB，为了解决这个问题，Jin等人设计了级联的M⁃Z调制器来补偿工艺误差，将消光比提升至53 dB^[27]。

图 5. 直接刻蚀型波导调制器

Fig. 5. Examples of electro-optic modulators based on directly⁃etched LN waveguide

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3.2　加载型混合波导调制器

2013年Rabiei等人首次证实了利用脊加载的方式制备波导是避免直接刻蚀铌酸锂材料的有效途径^[5]。如图6(a)所示，他们采用了折射率与铌酸锂相近的氧化钽材料作为脊加载层，与铌酸锂平板层共同构成混合脊形波导，并通过在LNOI基片和加载层间沉积超薄的二氧化硅层的方式来避免钽热氧化的过程中外扩散到铌酸锂中。构成的M⁃Z调制器的半波电压长度积为4 V·cm，消光比为20 dB。2015年该课题组又采用硫属化合物玻璃作为脊加载材料实现了微环调制器和M⁃Z调制器^[28]，波导的传输损耗为1.2 dB/cm，如图6(b)所示，微环调制器的半径为200 μm，Q值为1.2×10⁵，电压调谐率为0.4 GHz/V，M⁃Z调制器的半波电压长度积为3.8 V·cm，消光比为15 dB。2020年Ahmed等人首次报道了基于混合LNOI平台的半波电压低于1 V的M⁃Z型调制器^[29]，如图6(c)所示，加载材料为低损耗的氮化硅，电光作用区长度2.4 cm，半波电压0.875 V，消光比30 dB。

图 6. 加载型混合波导调制器

Fig. 6. Examples of electro-optic modulators based on rib-loaded waveguide

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3.3　混合硅集成型波导调制器

2014年Chen等人将半径为15 μm的硅环形谐振腔通过BCB材料键合到z切铌酸锂薄膜上构成谐振式的电光调制器^[30]，如图7(a)所示，硅波导充当光透明电极起到增强铌酸锂中由外加电压引起的电场的作用，BCB构成粘结层可减少热应力，谐振腔的Q值为1.4×10⁴，电压调谐率为3.3 pm/V。2018年Weigel等人将硅光子电路键合到未图形化的x切铌酸锂薄膜上构成M⁃Z调制器^[31]，如图7(b)所示，硅光子电路集成了光输入、输出、耦合器等元件，光模式通过层间的垂直绝热耦合器耦合到铌酸锂层实现调制功能，硅/铌酸锂混合区域的传输损耗为0.6 dB/cm，调制器的半波电压长度积为6.7 V·cm，消光比30 dB，3 dB电光带宽超过106 GHz。2020年Safian等人提出了一种可与当前硅基加工工艺兼容的混合调制器方案^[32]，先在SOI基片上制备出硅光波导，在二氧化硅层中制备出RF电极结构使得光波导和电极在同一层，构建好所需结构后沉积薄层二氧化硅并在其上直接键合y切LNOI基片，由于电极结构是嵌在SOI晶片中的，无需去除LNOI基片的衬底结构。以上工作采用的都是超模式的波导结构，即先制备硅波导，在其上键合未经图形化的铌酸锂薄膜，光模式部分存在于铌酸锂中、部分存在于下部的硅波导中，只有部分模式场与铌酸锂区域重合，降低了调制效率。2019年He等人设计的硅/铌酸锂混合M⁃Z调制器解决了以上问题^[19]，采用双层波导结构，如图7(c)所示，上层波导为干法刻蚀的x切铌酸锂波导，实现相位调制功能，下层波导为SOI电路包含除调制模块以外的其他无源波导结构，两层波导之间通过BCB材料键合，硅波导中的光模式通过垂直绝热耦合器全部耦合到薄膜铌酸锂波导中，提高了光模式与电光材料的重叠面积，进而提升了调制效率。铌酸锂波导的传输损耗为0.98 dB/cm，调制器的半波电压长度积为2.2 V·cm，3 dB电光带宽为70 GHz，消光比大于40 dB。2020年该团队在前期M⁃Z调制器工作的基础上研制了同相/正交（in⁃phase/quadrature,I/Q）电光调制器^[33]，如图7(d)所示，单模铌酸锂波导的传输损耗为0.3 dB/cm，利用热光移相器实现上下两路M⁃Z调制器偏置点的控制，调制区长度为13 mm时I/Q调制器的数据传输率达到320 Gbit/s。

图 7. 混合硅集成型波导调制器

Fig. 7. Examples of electro-optic modulators based on SOI-bonded hybrid waveguide

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4 总结与展望

文中介绍了典型薄膜铌酸锂波导工艺技术，包括直接刻蚀型波导、加载型混合波导及混合硅集成型波导，并综述了不同波导结构的薄膜铌酸锂电光调制器的研究进展。干法刻蚀工艺的提升极大地降低了薄膜铌酸锂波导的损耗，脊加载的方式解决了刻蚀工艺难度高的问题，并已实现了低于1 V半波电压的铌酸锂电光调制器，而与成熟的SOI技术相结合顺应了光子、电子混合集成的趋势。薄膜铌酸锂技术在实现低损耗、小尺寸、大带宽的片上集成电光调制器方面具有优越性。理论预测3 mm长的薄膜铌酸锂推挽式M⁃Z调制器3 dB电光带宽最高可达400 GHz^[34]，但目前已报道的实验制备的薄膜铌酸锂调制器的带宽刚超过100 GHz，距离理论上限仍有很大距离。通过优化基本结构参数带来的改善有限，未来从探索新机理新结构的角度出发，如将标准的共面波导电极设计为分段式微波电极^[35]等方式可能进一步提升调制器的性能。此外，实现集成调制器芯片的封装以及与激光器、探测器等器件的片上异质集成既是薄膜铌酸锂调制器未来发展的机遇，也是所面临的挑战。薄膜铌酸锂电光调制器必将在微波光子、光通讯等领域发挥更加重要的作用。