写在前面:2021年的文章，很多精准的预测
预测1：与X-cut设计相比，Z-cut调制器迄今为止的实验研究要少得多，尽管我们预测其性能相似甚至更好。我们认为这主要是由于更高的加工要求，例如需要对Z-cut单片法进行更深的LN刻蚀。最近一项使用Z-cut设计的工作展示了20 pm/V的直流调谐效率和9 pm/V的射频频率调谐效率[78]。对于异质集成方法，需要在粘合的LN薄膜上方沉积金属电极。这样的后处理要求可能会影响CMOS兼容性，从而降低这种方法的吸引力。随着加工技术的进步，我们预计未来会出现更多的Z-cut调制器，因为Z-cut方法在差分驱动和面内弯曲电极方面具有固有的优势。
预测2：与此同时，LN前端加工的令人兴奋的进展使得单片方法中也能实现互补的解决方案。LNOI晶圆目前已经可以商用，最大直径为6英寸，预计在可预见的未来可达到8英寸[138]。最近，已经证明，使用深紫外光刻等大规模生产技术，可以在6英寸薄膜LN晶圆上稳定地实现<0.3 dB/cm的低光学损耗[41]。这表明，在保持低成本和高产率的同时，可以在晶圆级别上实现高电光性能指标。虽然硅光子学产业可以生产极大批量的芯片，但许多光子学应用，包括电信，所需的量仅为电子产品需求量的一小部分。因此，较小的LN晶圆仍然有潜力在保持性能优势和潜在低成本的情况下，解决这些挑战。
电光调制器（EOMs）将信号从电域转换到光域。它们是光通信、微波信号处理、传感和量子技术的核心。下一代电光调制器需要同时具备高密度集成、低成本和高性能，这在现有的集成光子学平台上是难以实现的。薄膜铌酸锂（LN）由于其高本征电光（EO）效率、业界验证的性能、坚固性以及快速发展的可扩展制造技术，最近成为了一个强有力的竞争者。薄膜LN平台继承了传统块状LN设备几乎所有的材料优势，并通过更小的占地面积、更宽的带宽和更低的功耗进一步放大这些优势。自从几年前首次采用商业薄膜LN晶圆以来，薄膜LN调制器的整体性能已经可以与基于硅和磷化铟等成熟平台的最佳替代品相媲美，甚至超越它们，而这些平台已经受益于几十年的研究和开发。在这篇小型综述中，我们解释了使最先进的LN调制器演示成为可能的原理和技术进展。我们讨论了几种方法，它们的优势和挑战。我们还概述了LN调制器进一步改进的路径，并展望了我们认为它们在未来可能达到的性能。最后，由于集成LN调制器是更复杂光子功能的关键子组件，我们期待在单一组件之外，薄膜LN电光电路的大规模应用带来更多激动人心的机会。
一片6寸=25个20*20小片
一片4寸=9个20*20小片
ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺
TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺
SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，
SICOI晶圆；新型量子光学平台
6寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆
8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产
LN/LT-SOI/Si/SIN W2W&D2W异质集成
流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆
划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书
对更高性能和集成调制器的需求还来自新兴应用，包括卫星数据链路[5]、光学传感器[6]和量子信息处理[7]。这些技术通常需要超越传统电信应用的电光（EO）功能，如用于模拟通信的线性化调制器[8]、量子通信和计算的低损耗开关[9]以及用于光神经网络的集成调制器阵列[10]。
大规模集成和低成本要求促使了硅光子学的快速发展[11–14]。硅光子学利用成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造基础设施，已经成为一个主要的商业光子平台，除了III-V族材料[15]和传统的铌酸锂（LN）系统[16]。虽然硅光子学承诺具有出色的可扩展性和降低成本的优势，但其缺乏固有的二阶非线性[13]，为实现未来高波特率系统所需的带宽和功耗带来了越来越大的挑战。硅中的高速电光效应通常依赖于电子掺杂，这在电压、带宽和光损失之间面临严格的权衡。因此，已经探索了各种异质集成方法，以为硅设备引入更好的电光解决方案[17,18]。
薄膜LN平台可能是下一代电光光子集成电路（PICs）的实际解决方案。该平台结合了传统LN调制器经过行业验证的优越电光性能和可扩展的制造技术，例如硅光子学中使用的那些技术[图1(a)]。铌酸锂（LN）是一种铌酸锂（LN）是一种被广泛采用的、已经得到充分理解和建立的材料，在其传统的块状形式中，已被广泛应用于光通信和无线信号处理[16]。随着薄膜材料加工和器件设计技术的最新进展，薄膜LN使得调制器的性能进入了之前难以接触的领域，并展示了显著的集成潜力。性能的巨大提升以及对LN的相对成熟理解，可以解决当前光通信的迫切需求，并使未来的传感器和量子设备成为可能。
本小型综述首先回顾了薄膜LN平台的历史和演变。接下来，我们解释了薄膜LN电光调制器（EOM）的工作原理和设计考虑，并讨论了它们与现有技术相比的优势和挑战。我们回顾了最先进的成就，并讨论了各种方法和优劣指标。然后，我们预测了该技术能够实现的未来性能指标，并列出了我们预见的挑战和关键里程碑。最后，我们展望了我们期待从薄膜LN改进的调制能力和可扩展性中涌现的先进电光电路。
对于基于波克尔斯效应的调制器，决定性能的关键材料参数是电光系数r，它描述了外加电场下折射率的线性变化[22]。铌酸锂中最大的和最常用的电光系数是r33 = 31 pm/V[20]，它改变了对角光学介电常数（或光学折射率）。这直接转化为通过材料传播的光的光学相位偏移。沿晶体z轴的外部电场Ez通过简单关系1nz = 1/2n3zr33Ez改变了特异性折射率nz [图1(b)]。这种相位偏移可以直接用于电光相位调制，或者通过马赫—曾德干涉仪（MZI）结构转化为幅度调制[16]。
图1. 薄膜LN平台中的全方位性能及其实现方式。
(a) 为电信波长设计的调制器性能八边形。为了反映调制器的工程权衡空间，选择的曲线环绕着可能同时实现的性能指标，而不是单独实现的性能指标。红线对应于商用大块晶体LN调制器的典型性能。紫线显示了典型集成薄膜LN调制器的性能。蓝色阴影区域是我们预测的优化薄膜LN调制器的未来性能（支持证据在第5节中讨论）。Vπ是半波电压，表征功耗；PS IL是相位移插入损耗，表示调制区域的过度损耗；BW是带宽，描述了操作速度；SFDR是无杂散动态范围，表示调制的线性度和动态范围；Vπ·L是半波电压与相位移器长度的乘积，显示了设备的尺寸和调制效率；TCurie是玻璃转变温度，决定了电光材料的稳定性和可加工性；P是光功率处理能力，表示调制器能够承受的最大光功率；ER是调制器的开/关状态之间的消光比。
(b) 大块LN器件和薄膜LN器件的尺寸比较（长宽比不按比例）。较长的电极通常会导致较大的微波衰减（紫色振荡）和更具挑战性的速度匹配条件。
(c) 传统LN（顶部）和薄膜LN调制器结构（底部）的横截面。
传统的LN调制器通过使用质子交换或离子扩散技术来定义光波导，从而在块状LN晶体晶圆的折射率中引入小的扰动。这些晶圆是通过Czochralski法生长的LN单晶锭获得的。在定义光波导后，电极被放置在靠近波导的位置，以施加电场到光导区域，从而通过外加电压引起折射率的变化[图1(b)和1(c)]。长金属电极被用来实现低驱动电压。它们通常配置为支持行波调制，以避免电极的电阻-电容(RC)带宽[图1(b)]。这种配置在几十年中已被研究和优化[16,23]，并且仍然在几乎所有商业LN系统中使用。
传统LN平台存在三个主要限制： (1) 小的折射率对比度，通常为∼0.02，导致光模式尺寸大于10 µm²，这限制了电极的定位，从而限制了电光调制效率。 (2) LN基板的高介电常数迫使电压-带宽设计进行权衡，以实现微波信号与光信号之间的速度匹配，这是高速度操作所必需的（例如，需要缓冲层和厚金属电极）。 (3) 小的光学折射率对比度导致弯曲半径远大于1 mm [24]，这阻碍了密集集成。因此，这种传统系统与当前光子集成电路（PIC）对性能和集成的要求不兼容。
在LN中实现高约束通道型光波导的主要障碍，如同硅中的障碍，主要是：(1) 缺乏单晶薄膜和(2) 缺乏平滑且可扩展的刻蚀技术。90年代末和2000年代，使用类似于硅上绝缘体（SOI）晶圆的生产方法，通过所谓的智能切割工艺生产了LN-绝缘体（LNOI）晶圆[25]。首先对LN晶圆进行离子植入，然后将其翻转并粘合到第二个载体晶圆上。然后将粘合的晶圆退火，激活智能切割工艺，其中植入离子的微爆炸导致LN晶圆分裂，在转移的晶圆基板上留下薄膜[26,27]。然后，粘合的LNOI晶圆被抛光以获得原子平坦的表面，并退火以修复离子植入造成的潜在晶体损伤[28]。值得注意的是，薄膜LN可以通过常温粘接工艺高产率地转移到硅基板上[29]。这种硅基LNOI晶圆具有类似SOI的有利机械特性，使其比块状LN基板更具抵抗热冲击和机械冲击的能力。2000年代末和2010年代初LNOI晶圆的发展和商业化（例如，NanoLN、Partow Technologies、NGK Insulators、TDK Corporation）为高约束LN光子学研究的快速增长奠定了基础。
在薄膜LN广泛可用之前，铌酸锂的刻蚀已经用于实现宽而浅的脊型波导（例如，约8 µm宽，3 µm高[30]），其中垂直光模式的约束仍然通过扩散方法施加。由于较宽且较浅的波导几何形状减少了光模式与侧壁的相互作用，因此刻蚀质量要求（如侧壁光滑度）不像高约束亚微米结构那样高。对薄膜LN中微光子学和纳米光子学结构发展的兴趣日益增加，推动了对LN干法刻蚀的研究。由于标准氟基刻蚀所产生的非挥发性氟化锂副产物会阻止进一步的刻蚀并导致边缘粗糙，因此在微米尺度上对LN的高质量干法刻蚀多年来一直是一个挑战[31,32]。随着LNOI晶圆的出现，LN纳米制造技术得到了迅速发展和迭代。过去几年中，LN纳米制造的突破展示了在薄膜中实现超低损耗和高约束光波导的能力[31,33–44]。已有研究表明，使用纯物理方法（包括氩离子铣削或反应离子刻蚀技术）可以实现光滑且可重复的刻蚀。对这些技术的优化使得光波导的损耗得到了改善，从最初的>10 dB/cm，现在稳定地降到<0.3 dB/cm[35,37–43]。此外，基于脊载荷或芯片/晶圆粘合的异质和混合方法也得到了显著发展，达到了类似的损耗水平。这些平台要么使用混合波导，其中光模式部分限制在LN薄膜中，要么通过渐逝耦合光在薄膜LN层与其他材料层之间传输[29,45–53]。
将LN电光调制器从其传统的块状、扩散基波导迁移到纳米光子学薄膜平台，带来了工程领域的范式转变，使得可以访问完全不同的性能范围和集成水平。现在可以同时改善最理想的调制器指标，包括半波电压（Vπ）、带宽、插入损耗（IL）、消光比、功率处理、占地面积和线性度[图1(a)]。具体来说，由波长尺度光波导（1n > 0.7）制成的薄膜LN调制器允许电极与波导的距离接近几微米，而光吸收损耗几乎可以忽略[图1(b)和1(c)]。较小的间隙导致电光重叠显著改善。电压-长度积（Vπ · L）是用来表征电光效率的常用优劣指标，在薄膜LN平台中要比在商业LN调制器中小得多（典型值为1.5−3 V · cm）[46,50,54–57]，而在电信波长下的商业LN调制器中大约为15 V · cm[16]（在本综述中，除非另有说明，Vπ默认为推拉MZI配置）。为了在更理想的CMOS兼容电压（1–2 V或更低）下驱动，薄膜LN电光调制器的长度只需要为1 cm或更短[55,56]，而传统形式需要5–10 cm的长度。通过更短的设备，电光调制带宽可以轻松扩展到100 GHz以上，因为微波损耗和速度匹配要求大大减轻[50,56,58,59]。此外，显著减少的占地面积也意味着可扩展性的急剧增加：市售的6英寸晶圆可以容纳多达3000个电光调制器。
我们在图1(a)中通过八边形图示展示了迄今为止典型薄膜LN调制器（紫线）和传统LN调制器（红线）的整体性能指标。考虑到目前演示中仍有很大的改进空间，我们进一步用蓝色阴影绘制了未来薄膜LN调制器的预期指标，这表明有可能达到全方位卓越的性能水平。在接下来的部分中，我们将讨论实现当前薄膜LN调制器性能提升的设计，并提供证据和论据，阐明哪些因素可以使得性能达到下一个水平。
图2. x-切和z-切铌酸锂（LN）调制器设计的电极配置。橙色箭头表示施加的电场方向，阴影区域表示光模式的位置，TE是横向电场模式，TM是横向磁场模式。
(a) 全LN x-切肋形波导设计；
(b) 混合条形负载x-切脊形波导设计；
(c) 混合埋地波导x-切与反向脊形设计；
(d) 全LN z-切肋形波导设计，带平面电极；
(e) 全LN z-切肋形波导设计，带埋地接地平面；
(f) 混合z-切波导与反向脊形设计。
A. 核心调制器设计—相位调节器
薄膜LN调制器的设计选择集中在增加光模式区域中施加的电场强度，同时保持或改善其他所需特性。由于LN是各向异性的电光材料，因此需要选择晶体切割方式和器件几何形状，以有效利用电光效应。与传统LN调制器类似，调制器设计通常分为两大类：一种是晶体轴（z轴）与晶圆平面平行的设计，即x-cut或y-cut；另一种是晶体轴垂直于平面的设计，即z-cut（图2）。
在x-cut设计中（这也包括任何沿z轴平面切割的设计），施加的电场的最强分量应设计为与晶体的平面z轴对齐，以利用最大的r33分量[见图2(a)]。在这种几何形状中，受到电场影响而发生折射率变化的导光光模式被放置在一对具有相反极性的电极之间。为了将金属电极放置得尽可能靠近薄膜LN，通常使用脊/肋型结构[图2(a)–2(c)]，以实现对光模式的强约束。光通常以横向电场模式发射，以使光场与外加电场的最强部分对齐。
定义脊的方式有两种变化：一种是“单体”方法，其中肋结构和薄片是通过刻蚀、抛光或切割从单一LN材料中形成的[图2(a)]；另一种是混合方法，其中脊是由另一种高折射率的导光材料形成的[图2(b)和2(c)]，这样可以避免直接在LN薄膜上进行图案化。LN薄片对于这两种方法都是必要的，并且是x-cut相位调节器设计的关键部分。在单体方法中，由于LN（εLN = 28）与周围光学包层（例如，εSiO2 = 3.8）之间的较大介电常数对比，薄片会显著减少LN肋区域内的有效电场。这导致在LN核心区域外的被动介电材料中出现较大的电压降，这由电位移场的边界条件决定[50,56]。厚薄片导致较弱的光学约束，并导致更大的弯曲半径和更宽的电极间隙。在混合方法中，LN薄片是实现电光调制的必要条件。对于混合结构，薄片和肋厚度之间的合理比率对于最大化调制效率，同时实现合理的光学约束和最小的弯曲半径非常重要[60]。尽管可以根据不同的性能优先级进行优化，但LN与包层之间的折射率对比最终决定了可实现的光学约束水平，导致典型的直流Vπ · L值为1.5−3 V · cm[46,50,54–57]。
在z-cut LN调制器设计中，所需施加电场的最强分量是垂直于平面的[图2(d)–2(f)]。为了实现高效调制，导光光模式被放置在信号电极下方，并且光以横向磁场模式发射，以与外部施加电场的最强分量对齐。通常需要一个低折射率的缓冲层（例如，光波导与电极之间的SiO2）来防止过度的金属吸收损耗。接地电极被放置在光波导的两侧[图2(d)]，以在光模式区域内产生强的垂直电场分量。需要注意的是，在这种z-cut设计中，通常仍然偏好使用薄片层，以促进电场通过高介电常数的LN部分的穿透。还可以将接地电极放置在光波导下方，形成垂直电容[图2(e)] [61,62]，这可以通过预嵌底部金属层的LNOI晶圆来实现。然而，由于信号电极与大接地平面之间的大电容，在高频下实现最佳微波特性可能会面临挑战。混合方法也可以应用于z-cut LN设计。例如，可以将LN薄膜粘合在已形成的光波导和电极上方[48,51,59]。然后，可以在LN薄膜上方图案化信号电极，以实现强垂直电场。在这种情况下，根据薄片材料的折射率和可以容忍的光学损耗，LN薄膜与顶部电极之间的缓冲层可以做得更薄，甚至可以省略，以实现强垂直电场。
我们提供了几个在电信波长下计算的Vπ · L数值示例，用于每个相位调节器设计。我们的仿真（见表1，附录A）显示，对于x-cut和z-cut设计，Vπ · L值在2.05 V · cm到5.4 V · cm之间，其中金属引起的光学损耗保持在最低限度。这与之前报告的测量值范围一致。重要的是，我们提供这些定量示例作为每个设计的起点，而不是作为最终优化器件性能的证明。例如，可以使用较浅的脊形结构将模式更多地推入LN薄片区域，从而实现更高的效率；可以减少电极间隙，使用低折射率介电缓冲层来提高电光调制效率，或者稍微增加光学损耗。除此之外，射频（RF）特性如阻抗和损耗，以及实际应用中的制造公差等因素，可能比微小的Vπ · L值差异更为重要，如下所述。
图3. 几种强度调制器配置的微波电极设计。
(a) x-切铌酸锂（LN）通常使用对称设计，采用接地-信号-接地（GSG）配置，以产生自然的推拉调制。
z-切LN可能使用以下配置：
(b) GSG推拉驱动配置；
(c) GSGSG配置；
(d) GSSG差分驱动配置。
Z-cut几何结构提供了一种便捷且紧凑的方式来实现双驱动（或差分驱动）配置，如图3(c)和3(d)所示。图3(c)展示了一种差分GSGSG电极配置，其中两条信号线具有相反的电压，能够提供对称的无啁啾调制。使用差分和推拉GSSG设计可以进一步减少Vπ值，因为正负信号线之间的电场可以更强[图3(c)]。尽管这种配置尚未在薄膜LN中采用，但我们认为差分驱动是一个可行的未来路线，因为差分驱动电路在商业上已经广泛可得。此外，差分传输线对在近距离设备之间的射频屏蔽有所改进，这可能有助于进一步减少器件的占地面积。
虽然在z-cut设计中，信号线的厚度、间隙和基板可以方便地进行工程设计，但图3(b)–3(d)中的信号线宽度在不改变电极间隙的情况下，调节范围有限，这与x-cut不同。这可能导致电光效率、射频损耗和阻抗之间的更多权衡。为了在保持高电光效率的同时最小化欧姆损耗，可能需要较厚的信号线，如图3(b)–3(d)中定性显示的那样。此外，由于热电效应，LN薄膜可能会在温度波动下在z面上积累大量电荷[68]。在z-cut器件中，可能需要一个电荷泄漏层，以防止表面放电或显著的偏置点漂移。
无论是x-cut还是z-cut设计，都能实现显著高于传统LN电光调制器的电光带宽，因为它们的电极较短。速度不匹配限制的带宽随着电极长度的减少而线性增加。在块状LN中，40 GHz以上的速度匹配通常可以在3 V的Vπ下，通过5 cm长的电极实现[16]。为了实现相同的电压，薄膜LN上需要一个7 mm长的电极，其速度匹配限制的带宽大于280 GHz。此外，薄膜LN结构中的多层结构，例如由LN器件层、SiO2底部包层和Si基板组成，允许通过设计SiO2包层的厚度独立调节射频速度，而不牺牲电光重叠。
当前薄膜LN电光调制器主要受射频电极在微波频率下的欧姆损耗限制。典型共面传输线的欧姆损耗（O）遵循微波频率f的平方根依赖关系，因皮肤效应而存在，并且与长度L呈线性关系，即：O = αo f^1/2 L，其中αo是单位为dB·cm⁻¹·Hz⁻¹/2的欧姆损耗衰减系数。由于3 dB电光带宽对应于传输线电极损耗为O ∼ 6.4 dB时的频率，假设速度匹配[68–70]，我们可以推导出一个估算的欧姆损耗限制带宽：f3-dB ∼ (6.4/αo Vπ·L )² V²π。显然，Vπ · L（从15降到2 V·cm）的突破是薄膜LN调制器实现更高电光带宽的主要驱动力。值得注意的是，当前薄膜LN调制器中的典型射频损耗αo,TF ∼ 0.7 dB·cm⁻¹·Hz⁻¹/2比商业块状LN调制器中的αo,BK ∼ 0.2 dB·cm⁻¹·Hz⁻¹/2[23]要高得多，这是由于金属间隙减少和电极更薄所致。以典型值计算，对于薄膜LN电光调制器，我们得到f3-dB,TF ∼ 21V²π GHz V⁻²，对于块状LN电光调制器，f3-dB,BK ∼ 4.5V²π GHz V⁻²，这意味着在相同驱动电压下，薄膜平台的带宽提高了4倍以上。
图4. 集成铌酸锂（LN）调制器的代表性演示。
(a) 异质集成的LN调制器，采用氮化硅（SiN）作为LN上方的导向条[57]，经美国光学学会授权。
(b) 低电压和高带宽的单片调制器[56]，经Springer Nature授权转载。
(c) 异质集成的超高带宽薄膜LN，粘合在硅基绝缘体（SOI）晶圆上[59]，经美国光学学会授权。
(d) 在单片平台上实现的相干同相与正交（IQ）调制器[74]，根据Creative Commons Attribution (CC BY) 许可证授权。
(e) 低电压SiN在LN薄膜上的异质调制器[75]，根据Creative Commons Attribution (CC BY) 许可证授权。
在过去的十年里，x-cut设计变得越来越流行，特别是因为低损耗的混合/异质设备已经被证明能够绕过LN刻蚀的挑战。使用图2(b)所示的x-cut几何结构，2013年展示了一种具有硅氮化物脊型波导的薄膜LN异质LN调制器，Vπ为6.8 V，Vπ·L积为4 V·cm[29]。这一演示显著超越了典型商业LN调制器的Vπ·L值。2016年，该异质设计进一步改进，加入了行波电极设计，展示了Vπ为3.9 V，光损耗为1.2 dB/cm[57]。更重要的是，该器件展示了33 GHz的3 dB带宽和50 GHz的6 dB带宽，表明显著提升的直流调制效率可以扩展到射频频率[图4(a)]。同年，一种全LN反向脊型调制器被报道，具有最高110 GHz的可用带宽（3 dB带宽为40 GHz）[73]，Vπ = 9 V，传播损耗为7 dB/cm。该演示表明，LNOI从根本上可以用于超过100 GHz的调制频率[73]。x-cut器件的Vπ·L积后来通过单体方法改进至1.8 V·cm，电极间隙为3.5 µm[图2(a)] [54]。该器件使用了集中电容设计，因此即使器件长度仅为2 mm，也由于RC时间常数的限制，带宽仍然相对较低，为15 GHz，这也导致Vπ为9 V[54]。3 dB/cm的光学损耗相比之前的器件有所改善，但仍然相当显著。
2013年展示了一种高效的z-cut设计，该设计将LN薄膜异质粘合到SOI晶圆上[76]。在这种设计中，使用了图2(f)所示的几何形状，形成了微环谐振器。所实现的调谐效率为12.5 pm/V，转换成电压-长度积约为3.7 V·cm，如果使用推拉差分驱动，可以进一步将其降低到1.8 V·cm。需要注意的是，这一高调谐效率是在低频下通过直接使用硅脊作为底电极实现的，这可能需要更优化的设计来在高频下运行[76]。同一小组的后续演示显示，RC限制的3 dB带宽为5 GHz，但由于使用了横向电场模式和r13分量，调谐效率降至3.3 pm/V。
2017年和2018年在低损耗LN波导制造上的突破[35–38,44]以及更好的Vπ·L潜力激发了对单体LN调制器，特别是x-cut设计的新的兴趣，这主要得益于制造和微波设计的便利性。使用在石英基板上的LN薄膜和图2(a)所示的几何形状，制造出了一个Vπ为1.5 V、电压-长度积为2.2 V·cm、3 dB带宽为20 GHz的调制器，且可用带宽可达约45 GHz[77]。通过使用更好的速度匹配行波设计和低损耗的光波导，展示了一种单体单驱动LN调制器，Vπ为1.4 V，3 dB带宽为45 GHz，片上损耗约为0.5 dB[图2(a)配置] [56]。在同一系列器件中，调制器的3 dB带宽高达100 GHz，并且具有相对较低的半波电压4.4 V[56] [图4(b)]。
同时，展示了一种新型混合方法。硅波导用于大多数光子集成电路（PIC）的无源部分，当需要电光调制时，光模式完全转移到干法刻蚀的薄膜LN脊型波导中[50]。这种混合/单体方法允许LN调制器与硅光子学的集成，同时保持本质上较低的Vπ·L积（2.2 V·cm）。使用图2(c)所示配置的异质平台也展示了具有较高的3 dB带宽>106 GHz的调制器，同时具有适中的驱动电压13 V（Vπ·L = 6.8 V）[59]。最近，还展示了用于相干通信的更复杂的同相和正交（IQ）调制器，每个IQ臂的性能与单一调制器相似[图2(a)配置] [74] [图4(c)]，所有这些调制器在带宽和驱动电压方面都超越了商业调制器。还应注意，通过优化设计，异质调制器也实现了低Vπ为1.3 V，同时保持3 dB带宽为29 GHz[75] [图4(e)]。
与x-切设计相比，尽管我们预测z-切调制器具有相似甚至更好的Vπ·L，但到目前为止，z-切调制器的实验探索较少。我们认为这是由于z-切单片方法需要更深的LN刻蚀等更高要求的加工需求。最近的一项使用z-切设计的工作显示，直流频率下调节效率为20 pm/V，射频频率下为9 pm/V[78]。对于异质方法，必须在粘合的LN薄膜上方沉积金属电极。这种后处理要求可能会妥协CMOS兼容性，从而可能减少这种方法的吸引力。随着加工技术的进步，我们预计将会出现更多z-切调制器，原因在于z-切方法在差分驱动和平面弯曲电极方面的固有优势。
图5. 薄膜铌酸锂（LN）与其他平台之间的最先进性能比较，数据来自先前的研究。
(a) 相位移损耗与半波电压的权衡，数据来自[29,46,50,52,54,56–58,73–75,77,79–95]。虚线显示了电压与相位移损耗的权衡曲线。
(b) 电压–带宽的权衡，数据来自[23,29,46,48,50,54,56,58,59,74,75,79–81,84–94,96–101]。虚线表示给定电极调制效率和传输线损耗下的预期电压–带宽性能。
为了直观展示薄膜LN调制器的快速发展，我们将目前已实现的性能指标放在两个重要的参数权衡空间中，如图5所示（另见表2，附录A）：相位移损耗与电压的关系以及带宽与电压的关系。我们还选择了几项来自其他流行调制器平台的代表性工作，并将它们的性能与薄膜LN EOMs进行了比较。从图5(a)中，我们可以看到，薄膜LN EOMs在许多其他平台中领先，差距较大。这样低电压和低相位移损耗的调制器对于集成EO电路复杂性的扩展至关重要。关于电压–带宽性能[图5(b)]，我们可以看到，薄膜LN调制器已经与大多数其他芯片平台和已经经过数十年优化的商用大块LN调制器相媲美，甚至可能超越它们。
单片LN脊状调制器的整体性能略优于混合型调制器，但必须进行更全面的评估，以考虑未来应用中合适的平台。混合方法的强大动力在于使薄膜LN能够用于硅光子学加工技术的晶圆后端工艺。这将使得人们能够利用为硅光子学构建的广泛光子学库[41,71]。在这里，关键是将LN加工设计安排在尽可能接近硅波导制造周期结束的地方，例如在晶圆从CMOS制造步骤中释放出来之后。可以直接将LN薄膜（无论是整个晶圆还是小块）转移（压印）到其他光子材料预定义的波导上，包括硅[例如，图2(c)]。
A. 电压和带宽
LN EOM的电压-带宽性能还有很大的提升空间，远超目前所展示的水平[图5(b)中的蓝色虚线曲线]。为了克服传输线电极中的主导欧姆损耗，正在探索包括厚电极和不对称电极在内的设计概念[66,102,103]。最近，采用微结构电极的薄膜LN EOM已在实验中展示了0.26 dB·cm⁻¹·Hz⁻¹/₂的电极损耗，同时保持了2.3 V·cm的Vπ·L[104]，对应的欧姆损耗限制电光带宽为114 V²π GHz V⁻²。这表明，未来的调制器可能实现<1 V的半波电压和>100 GHz的3 dB带宽同时达到[图1(a)的BW和Vπ轴]。
在频率接近或超过100 GHz时，还应考虑包括线性介电吸收损耗和基板辐射损耗在内的其他射频损耗来源。LN晶体具有相对较低的损耗因子0.004[105]，并且可以与近乎理想的微波基板（如石英）结合。在[104]中报道的配置中，预计射频吸收损耗在200 GHz以下贡献的电极损耗不到15%。由于电极间隙减小，薄膜LN EOM中的基板辐射损耗也得到了显著抑制。实验演示表明，薄膜LN EOM的可用带宽已达到500 GHz[58]，而大块LN调制器则在超过70 GHz时面临来自基板辐射的强烈衰减。关于不同基板上薄膜LN中的每个损耗通道的详细贡献，需要进一步的理论和实验研究。
B. 尺寸
薄膜LN调制器的占地面积最终受限于Vπ·L乘积，这转化为实现特定驱动电压所需的尺寸。我们认为，目前展示的薄膜LN的Vπ·L产品为1.5−3 V·cm，面临着大幅改善的巨大挑战[图1(a)，Vπ·L轴]，除非在光损耗和/或微波损耗方面做出显著权衡。通过引入新材料，有可能在不牺牲光损耗的情况下进一步改善Vπ·L。例如，具有低光学折射率和高射频介电常数的介质包层可以促进电场穿透刻蚀的LN脊而不损害光学约束。使用具有光学折射率约为1.7、射频介电常数为10的氧化镁（MgO）作为包层材料，与SiO2包层相比，x-切配置中的直流Vπ·L可以得到减少。然而，其他因素，如射频损耗、设计变化（例如阻抗和速度匹配）以及工艺兼容性，应仔细评估。
由于Vπ·L改善的空间有限，薄膜LN调制器的活性区长度可能会保持在毫米到低厘米尺度，以实现带宽和电压性能的平衡。这样的Vπ·L与反向偏置高速硅调制器相当[91,93,101,106]，尽管与其他调制器技术（如磷化铟（InP）[79,80]、硅有机混合[85,86,92,94]和等离子平台[81,83,95]）相比，有时显著更大。对于薄膜LN来说，一个5毫米长的调制器将具有Vπ ∼ 4 V，但带宽>100 GHz且相位移损耗可忽略不计。这与具有相同尺寸的硅调制器的Vπ ∼ 6.3 V，30 GHz带宽和>5 dB的相位移损耗相比，薄膜LN的显著性能优势显而易见。然而，要充分发挥薄膜LN器件（例如Vπ约为1 V）的低电压和低损耗特性，电极长度可达到20毫米[55]。对于对封装长度敏感的应用（如光学收发器），电极可以绕成圈以减少整体长度，同时保持小面积，利用x-切和z-切薄膜LN平台中可用的小弯曲半径。
C. 光学插入损耗
LN相位移损耗已经显示出达到<0.03 dB/cm的潜力[35,40] [图1(a)，PS IL轴]。实现这一值对级联或超低电压器件非常重要。对于独立调制器，光学插入损耗的主要来源是LN与光纤之间的耦合。从原理上讲，混合方法可以利用硅光子学元件库，并实现<1 dB/面耦合损耗[106]。对于单片方法，反向锥形和光栅耦合器已经被证明可以缓解与标准光纤的光模不匹配。由于LN的折射率接近硅氮化物的折射率，因此合理地认为，可以实现与硅氮化物相似的界面损耗。目前，基于反向锥形的设计已允许光纤与芯片的耦合损耗低至1.7 dB/面[107-109]，最近更低为0.52 dB/面[110]。在LN中直接刻蚀的光栅耦合器也显示出约3.5 dB/面的效率[111-114]。在LN上方沉积的非晶硅层制成的光栅理论上已经显示出使光纤到光纤的总损耗约为1.4 dB[115]。考虑到已展示的低芯片损耗，预计集成调制器的光纤到光纤插入损耗将小于2 dB。这一成就将是经典通信和量子光子学的重大里程碑。
D. 消光比
对于许多应用，包括光学开关、量子光子学和计量学，高消光比是非常重要的。目前，薄膜LN调制器通常具有20–30 dB的消光比，有时可以达到40 dB，这与成熟的集成光子平台竞争。重要的是，LN的吸收系数不随外部调制电压变化，从根本上避免了导致硅[13]和磷化铟(InP)调制器[15]中常见的消光比下降的折射率实部与虚部之间的耦合。虽然薄膜LN EOM中的消光比的限制因素尚未完全探讨，但普遍认为这与非优化的波导[116]、光束分离器设计和/或制造缺陷[117]有关。此外，LN平台的优异可扩展性允许更多复杂的配置，如级联MZI[118]，通过小的额外开销将消光比提高到>50 dB[图1(a) ER轴]。
E. 线性度
调制线性度是模拟链路和数字多级调制方案中的一个重要性能指标[119]。传统的LN以其出色的线性度性能著称，因为在Pockels效应中，折射率（从而光学相位）随着外部电场的变化而线性偏移。LN调制器的线性度主要受到MZI的正弦传输函数非线性的限制[120]。在薄膜LN中，只有少数实验对重要的线性度指标，如无杂散动态范围(SFDR)，进行了测量[48,50,60,121]。这些初步结果在类似的测量条件下（例如输入功率和噪声基准）与传统的LN调制器相比，已经显示出有希望的性能数值（SFDR的三阶互调高达约100 dB·Hz²/₃），并且还有提升空间。目前的数值可能受到相对较高的插入损耗的限制，这是由于未优化的光纤–芯片耦合和测试过程中非理想的噪声基准。通过使用前述方法提高整体链路损耗，很可能会导致更好的SFDR性能。更令人兴奋的是，集成的LN平台可以轻松实现更多复杂的线性调制方案，如环形辅助MZI[8]或级联MZI[122]，这些方案能够提供最好的线性度性能，能够与大块LN上实现的性能相媲美，甚至超越[图1(a) SFDR轴]。
H. 可扩展性
下一个问题是集成LN电光电路的可扩展性，以及这些光子集成电路（PIC）在扩展规模时是否能够保持性能优势。可扩展性和可制造性从根本上决定了PIC的实际功能性和成本。如果能够开发出可靠且具有成本效益的后端工艺，将LN薄膜与现有平台（如SOI）进行异质结合，可以轻松地扩展到更大的尺寸[48,137]。这里的主要挑战是如何在受限的设计空间下，仍然保持性能优势，这种限制是由与后端兼容的集成工艺所施加的。
与此同时，LN前端加工的令人兴奋的进展使得单片方法中也能实现互补的解决方案。LNOI晶圆目前已经可以商用，最大直径为6英寸，预计在可预见的未来可达到8英寸[138]。最近，已经证明，使用深紫外光刻等大规模生产技术，可以在6英寸薄膜LN晶圆上稳定地实现<0.3 dB/cm的低光学损耗[41]。这表明，在保持低成本和高产率的同时，可以在晶圆级别上实现高电光性能指标。虽然硅光子学产业可以生产极大批量的芯片，但许多光子学应用，包括电信，所需的量仅为电子产品需求量的一小部分。因此，较小的LN晶圆仍然有潜力在保持性能优势和潜在低成本的情况下，解决这些挑战。
由于LNOI平台具有优异的被动和电光组件，也可以考虑使用类似于为硅光子学开发的异质集成方法，将激光器和探测器集成到LN上，以实现具有超高性能的完整光子学模式。此外，LN的多功能材料特性使得额外的集成功能成为可能。例如，可以在周期性极化的LN中有效实现非线性光学过程[53,130,139–141]。可以利用LN中的压电效应实现电光偏振旋转[142]和声光调制[143–146]，从而在芯片上电子控制偏振和频率。扩展这种系统可以启用新的应用，如模拟、传感和量子光子学。
图6. 薄膜铌酸锂调制器的复杂性和性能发展前景。更高的复杂性表示更多的光学元件和/或更具多样性的光学元件。
IM，强度调制器；PM，相位调制器；Bragg，基于光栅的类似腔调制器；PhC，光子晶体腔调制器。
展望未来，LN电光器件已经并将继续在性能和电路复杂性方面不断改进（图6），从而开辟许多令人兴奋的新应用领域。使用图2和图3中所示的基本相位调制元素的设计概念，已经展示了用于复杂电光电路的一系列基本构件，包括相位调制器[87]、强度调制器、微环调制器[46,48,50,54–56,60,73,77,82,118,147,148]、光子晶体调制器[149]和基于光栅的调制器[150,151]。
一方面，进一步提高这些单个组件的性能可能会使它们更接近实际应用。例如，提高电压和带宽可能会显著减少数据通信或电信场景中的功率消耗。进一步减少耦合损耗并提高光功率处理能力，可能会导致模拟光子链路[119]的范式转变，如无线电-over-光纤系统[152]、射频波束形成[153]和成像应用[154]。扩展这些基本电光元件的功能可以启用诸如电光梳生成和在可见光[42]和中红外波长[155]的电光调制等应用。
另一方面，进一步增加光子集成电路的复杂性可能会导致大规模、高速、低功耗的光子交换网络[156]，可用于数据交换[157]、光子神经网络[158]、光子量子计算[159,160]以及离子阱量子系统中的快速光子控制[161]。
随着性能和电路复杂性的提高，我们可以设想新一代集成电光系统的开发，具有独特的功能。例如，结合已经高效的调制器与额外结构，可能会显著提高调制线性度，特别适合模拟光子链路[8,122]；通过相干驱动少量耦合的微环调制器系统，可以实现低插入损耗和高效率的频率转换器[162]；将此类耦合谐振器系统与超导电路进一步集成，可能会实现光子和微波光子的量子相干接口[163,164]。级联强度和相位调制器可能会带来平坦且高效的电光梳生成器[151]，而带有频率转换器的电光梳对[162,165]可以用来形成无混叠的双梳子子系统[166]。最终，大规模高性能集成LN电路（图6右上角）可能实现新型光子现象和功能，例如拓扑控制，独特地操控光的频率和动量[167,168]。这些大规模光子集成电路还可以实现更紧凑、功率更高效的光学子系统。例如，通过单片集成平坦且高效的梳生成器与相干调制器阵列，可以实现完全集成的波长分复用光学发射系统，这在之前的几项工作中已有设想[169,170]。
未来的集成电光调制器和电光电路需要超高速、低功耗和多样化的功能，而薄膜LN有望提供这些功能。虽然如何在技术经济约束下将薄膜LN与其他光子学模式连接的研究仍在进行中，但完整的薄膜LN电光电路的前景是无与伦比的——集成的低损耗被动光学、电光、声光和非线性光学功能在单片材料平台上的结合，提供了一个极其强大的工具箱，而我们刚刚开始将这些功能组合在一起。
作者：Mian Zhang,1, * Cheng Wang,2 Prashanta Kharel,1 Di Zhu,3 AND Marko Lončar3 1
单位：
HyperLight, 501 Massachusetts Avenue, Cambridge, Massachusetts 02139, USA 2Department of Electrical Engineering & State Key Laboratory of Terahertz and Millimeter Waves, City University of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong, China 3John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, Massachusetts 02138, USA
关于我们：
OMeda成立于2021年，由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺，项目人员创立。目前拥有员工15人，在微纳加工（涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合）等领域拥有丰富的经验。 同时，我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验，为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务
中国（上海）自由贸易试验区临港新片区业盛路188号450室 电话：+86 188 233 40140 邮箱：jing.chen@omeda-optics.com
来源：OMeda
OMeda（上海奥麦达微）成立于2021年，由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺，项目人员创立。目前拥有员工15人，在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合，键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时，我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学，激光器，光子集成电路，Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验，为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。
