网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

硅、磷化铟、铌酸锂......调制器材料大揭秘,谁最被寄予厚望?

0
分享至

电光调制器作为光通信系统中的关键器件,已被广泛应用于光通信、光传感、卫星数据链路、量子信息处理等领域。

尤其是当前AI算力爆发把光互联推到了"C位"——800G 光模块正在批量上量,1.6T 已开启出货,下一代 CPO(共封装光学)也在英伟达 Spectrum-X / Quantum-X加速商用。无论可插拔还是 CPO,电光调制器都是那颗"心脏",直接决定带宽、功耗与集成度的天花板。而心脏用哪种材料造,硅、磷化铟、铌酸锂……答案远没那么简单。

硅基电光调制器

硅基MZ电光调制器在集成光子学中具有重要应用,但由于硅本身是一种非线性光学材料,不具备线性电光效应,其折射率在外加电场作用下的变化较为微弱。因此,传统的硅基电光调制器需要极高的电场强度才能实现有效的电光调制,导致调制效率较低且功耗较大,这使得硅材料无法直接用于制备高性能电光调制器。



在实际应用中,硅基MZ调制器通常基于等离子体色散效应实现电光调制。其工作原理是通过外加电场调控PN结或PIN结构中的自由载流子浓度,从而改变硅波导的有效折射率,进而影响光信号的相位或强度。

总体来说,硅基MZ电光调制器主要采用绝缘体上硅工艺制造,这种结构具有显著的集成优势,能够与现有CMOS工艺兼容,有利于实现大规模集成化生产。然而,由于硅材料本身存在固有的光学吸收损耗,特别是当调制臂长度增加时,这种损耗会显著累积,导致光信号强度大幅衰减。这一特性限制了调制臂的最大可用长度,进而影响了电光调制效率。因此,硅基电光调制器在实现低半波电压方面面临较大挑战,通常需要采用特殊的结构设计或辅助调制机制来提升其性能表现。

Ⅲ-V族半导体电光调制器

以InGaAs/InAlAs、InGaAs/InP等为代表的III-V族半导体材料是制备电光调制器的重要选择。这类材料通常具有直接带隙结构,表现出较高的光吸收系数和优异的光学增益特性。基于III-V族半导体的MZ电光调制器主要利用材料的电吸收效应实现光调制。



III-V族半导体电光调制器虽然在调制效率方面具有明显优势,但是这类材料在实现高效调制的同时会引入较高的光学损耗,不过由于所需的调制区域长度较短,其总体损耗与铌酸锂调制器相当,通常维持在4dB左右。值得注意的是,III-V族材料在调制过程中存在两个主要问题:一是光吸收效应会产生显著的热量积累,导致器件难以维持稳定的室温工作状态,从而影响光功率输出;二是对工作波长极为敏感,波长漂移会引入额外噪声,这一特性限制了其在多波长系统中的应用。

机聚合物材料电光调制器

有机聚合物材料相较于其他传统电光材料,在制备工艺和远距离传输损耗方面具有显著优势。由于其介电常数较低,有机聚合物在制备高速率、低损耗的电光调制器中得到了广泛应用。有机聚合物的高电光系数材料中掺杂着发色团分子,这些发色团分子具有电子供体-共轭桥-受体结构,以不同方式分散在聚合物基质中,并与主体分子键合。在外加电场的作用下,π电子发生偏移,从而引起有机聚合物材料折射率的变化。

聚合物电光调制器存在一个显著缺陷:材料热稳定性较差,这使得基于聚合物的器件难以在温差较大的工作环境中保持稳定性能。而铌酸锂材料拥有卓越的物理化学稳定性和优异的电光系数,这一特性使其在实际应用中表现出显著优势。

铌酸锂电光调制器

铌酸锂作为目前应用最广泛的电光材料,具有多项优异特性:显著的一阶电光效应、高折射率和良好的温度稳定性,由铌酸锂制备的光波导具有低损耗特性。在铌酸锂调制器的发展历程中,BurnsW.K团队于1999年采用Z切Y传的传统块状铌酸锂成功研制出宽带调制器,通过对比实验证明脊型波导结构能显著提升性能,最终实现40GHz带宽。


光纤通信系统示意图

传统的块状铌酸锂调制器通过电场调控光波相位或强度实现信号调制,但该设计受限于材料本身的物理特性与加工工艺,由于块状铌酸锂的波导尺寸通常在毫米至厘米量级,导致光场与电场的相互作用长度有限,为实现有效调制需施加数伏至数十伏的高驱动电压;因器件尺寸大导致难以与硅基光子平台兼容,限制了其在芯片级集成光电子系统中的应用;还有就是传统工艺下波导传输损耗较高,进一步制约了器件的能效与长距离传输能力。由上图可以看出电光调制器是光纤通信系统中的关键器件,随着5G通信、数据中心、人工智能及量子技术的快速发展,传统铌酸锂调制器在带宽、功耗和集成度上的不足日益凸显,亟需通过材料体系与器件架构的创新实现性能突破。

在此背景下,薄膜铌酸锂(Thin-FilmLithiumNiobate,TFLN)技术应运而生。

膜铌酸锂电光调制器

随着薄膜铌酸锂调制器方案的出现,为得到高性能的电光调制器提供了一条前景较好的思路。

薄膜铌酸锂以“铌酸锂-绝缘体-衬底”异质结构为基础,通过晶体离子切片、化学机械抛光等先进制备技术,将单晶铌酸锂薄膜从体材料中剥离并转移至硅、蓝宝石或二氧化硅衬底上。

薄膜铌酸锂调制器与传统体铌酸锂调制器对比



与传统的体铌酸锂材料不同,薄膜铌酸锂材料具有高折射率对比度的特点,对于具有硅衬底的LNOI其折射率差达到0.7左右,而由钛扩散或质子交换制成的体铌酸锂材料,其折射率差仅有0.1。同时薄膜铌酸锂材料具有高的折射率对比度,所以薄膜铌酸锂波导具有强场约束和弯曲损失低等优点,并且薄膜铌酸锂材料还可以制造各种结构,如微环、周期性极化LN。

由于薄膜铌酸锂材料的特点,以薄膜铌酸锂材料的调制器将要比传统体铌酸锂调制器性能要好的多,具有体积小、半波电压低、带宽高、高线性、高消光比、可大规模集成特点。

目前,TFLN正处于蓬勃发展和开发拓展的阶段,在未来它有潜力发展成一个大规模、多功能、高性能的集成平台。

参考来源:

[1]熊斌.低损耗薄膜铌酸锂电光调制器设计

[2]李翰宇.低半波电压薄膜铌酸锂调制器的研究

[3]都江澎.高性能低损耗薄膜铌酸锂电光调制器的研究

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
难怪特朗普陷入疯狂,全世界猛然发现一个事:没有中国世界将大乱

难怪特朗普陷入疯狂,全世界猛然发现一个事:没有中国世界将大乱

恋人视角
2026-10-26 19:40:56
刘国正雷洋直言不讳!为何蒯曼打孙颖莎很强势,碰王曼昱却被横扫

刘国正雷洋直言不讳!为何蒯曼打孙颖莎很强势,碰王曼昱却被横扫

林子说事
2026-10-27 06:40:31
马斯克无底线的狂暴,乌克兰的回怼

马斯克无底线的狂暴,乌克兰的回怼

书生论剑
2026-10-27 07:05:46
87-99上海刚一夜!亚科夫列维奇赛后坦白,徐杰犀利说出关键!

87-99上海刚一夜!亚科夫列维奇赛后坦白,徐杰犀利说出关键!

烟浔渺渺
2026-10-27 08:52:04
没气度?无缘金球奖,登贝莱站起祝贺凯恩,谁注意姆巴佩举动

没气度?无缘金球奖,登贝莱站起祝贺凯恩,谁注意姆巴佩举动

喜欢体育的猫
2026-10-27 09:01:27
1996年沈阳军区,72岁老人闯营门:自称守山洞46年被当作疯子,撬开石壁众人集体沉默

1996年沈阳军区,72岁老人闯营门:自称守山洞46年被当作疯子,撬开石壁众人集体沉默

睡前讲故事
2026-10-21 11:21:38
10月26日,大家期盼已久的2026退休养老金,究竟涨还是不涨?

10月26日,大家期盼已久的2026退休养老金,究竟涨还是不涨?

青梅侃史啊
2026-10-26 16:48:59
A股:刚刚,央行重磅发布,新的稳市工具落地!明日将迎更大转变

A股:刚刚,央行重磅发布,新的稳市工具落地!明日将迎更大转变

虎哥闲聊
2026-10-27 00:00:04
天空:卡里克已离开卡灵顿,俱乐部高层商讨下一步行动

天空:卡里克已离开卡灵顿,俱乐部高层商讨下一步行动

懂球帝
2026-10-27 01:41:10
4A级景区承诺不宰客:矿泉水2元、泡面5元、自助餐30元/位……网友怒赞!观点:推出“山上平价”,又雇佣挑山工肩挑物资,是景区独特风景

4A级景区承诺不宰客:矿泉水2元、泡面5元、自助餐30元/位……网友怒赞!观点:推出“山上平价”,又雇佣挑山工肩挑物资,是景区独特风景

南方都市报
2026-10-26 11:53:47
演员童瑶发文告别

演员童瑶发文告别

背包旅行
2026-10-16 11:55:16
败选的武契奇,还想卷土重来吗?看看这次连选连任的巴西总统卢拉吧!

败选的武契奇,还想卷土重来吗?看看这次连选连任的巴西总统卢拉吧!

新民周刊
2026-10-26 13:44:23
又一女演员险些被骗缅北!对方骗术升级,没想到其中一个字救了她

又一女演员险些被骗缅北!对方骗术升级,没想到其中一个字救了她

莫地方
2026-10-24 17:28:54
巴林赢阿曼2球,国少出线为何仍存变数?

巴林赢阿曼2球,国少出线为何仍存变数?

热血江湖旧
2026-10-27 02:40:23
特写:当才旺康西从帐篷搬进了板房

特写:当才旺康西从帐篷搬进了板房

新华社
2026-10-26 00:46:27
易梦玲与胡彦斌分手后瘦成皮包骨,网友调侃:“胡彦斌是减肥药吗”

易梦玲与胡彦斌分手后瘦成皮包骨,网友调侃:“胡彦斌是减肥药吗”

韩小娱
2026-10-26 09:06:40
“仇人都干不出这种事”,宝妈晒小学女儿新发型,满满的恶意传来

“仇人都干不出这种事”,宝妈晒小学女儿新发型,满满的恶意传来

熙熙说教
2026-10-20 17:34:26
15岁高中生确诊甲状腺癌,且已转移!家长:孩子从初中开始,就没在凌晨一点前睡过觉;医生:不能因其被称为“懒癌”而掉以轻心

15岁高中生确诊甲状腺癌,且已转移!家长:孩子从初中开始,就没在凌晨一点前睡过觉;医生:不能因其被称为“懒癌”而掉以轻心

南方都市报
2026-10-25 18:40:27
法国女白左的自我反省:同理心和善良都被设计了

法国女白左的自我反省:同理心和善良都被设计了

南文视界
2026-10-26 13:58:36
真急了!马斯克怒斥“下地狱去吧!”

真急了!马斯克怒斥“下地狱去吧!”

环球时报国际
2026-10-26 15:54:12
2026-10-27 10:31:00
中国粉体网 incentive-icons
中国粉体网
财经视角看硬科技:固态电池、人形机器人、新能源产业链,聚焦产业格局、技术进展与商业落地。
770文章数 60关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Anthropic最硬气招股书,先把丑话说在前头

头条要闻

披露缅北电诈的自媒体人已遇害 在广州被劫持遗弃山上

头条要闻

披露缅北电诈的自媒体人已遇害 在广州被劫持遗弃山上

体育要闻

13年后重回诺坎普,穆里尼奥又滑跪了

娱乐要闻

胡歌杨幂刘诗诗袁弘陈龙结伴去埃及

财经要闻

金价跌回8字头

汽车要闻

云辇-M上车 第二代海豹07让驾驶者也能爱上的家用车

态度原创

时尚
家居
艺术
旅游
数码

王菲到底影响了多少人?

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

艺术要闻

这才是真·泰剧一姐!写真一出,美貌身材实力三杀,网友:彻底服气!

旅游要闻

文化遗产耀中原|走近药王庙大殿,孙思邈在此被封“药王”

数码要闻

苹果同步推送macOS Tahoe 26.7.2与Sequoia 15.8.2

无障碍浏览 进入关怀版