微波光子技术以其工作带宽大、并行处理能力强、传输损耗低的优势，具备了打破传统微波系统所存在的技术瓶颈、提升雷达、电子战、通信、测控等军用电子信息装备性能的潜力。而以分立器件构建的微波光子系统，存在体积大、重量重、稳定性差等方面的问题，这些问题严重制约着微波光子技术在星载、机载等平台的应用。因此，集成微波光子技术正成为打破微波光子在军用电子信息系统中应用困局，充分发挥微波光子技术优势的重要支撑。

微波光子技术以其工作带宽大、并行处理能力强、传输损耗低的优势，具备了打破传统微波系统所存在的技术瓶颈、提升雷达、电子战、通信、测控等军用电子信息装备性能的潜力。而以分立器件构建的微波光子系统，存在体积大、重量重、稳定性差等方面的问题，这些问题严重制约着微波光子技术在星载、机载等平台的应用。因此，集成微波光子技术正成为打破微波光子在军用电子信息系统中应用困局，充分发挥微波光子技术优势的重要支撑。

目前，Si基光子集成技术、InP 基光子集成技术在光通信领域经过多年的发展，已经日臻成熟，并且已有批量的产品投放市场；但是对于微波光子应用而言，这两类光子集成技术均存在着一些问题：比如Si调制器、InP 调制器中非线性的电光系数与微波光子技术所追求的高线性度、大动态特性相违背；再比如实现光路切换的硅光开关不论是基于热光效应、压电效应、还是基于载流子注入的色散效应，都存在切换速度慢、功耗和热耗过大的问题，无法满足快速的波束扫描、大阵列规模的微波光子应用。

铌酸锂材料一直以来都以其优异的线性电光效应而成为高速电光调制材料的选择。但传统的铌酸锂电光调制器是采用块状的铌酸锂晶体材料，器件尺寸很大，无法满足集成微波光子技术的需求；如何将具有线性电光系数的铌酸锂材料纳入到集成微波光子技术体系中，成为相关研究人员的追求目标。2018年由美国哈佛大学的研究团队在《Nature》上首先报道了基于薄膜铌酸锂的光子集成技术，因该技术兼具集成度高、电光调制带宽大、电光效应线性度高等优势，一经推出立即引起了光子集成领域和微波光子学领域的学术界及产业界的高度重视。本文将从微波光子应用的角度出发，综述基于薄膜铌酸锂的光子集成技术可能会对微波光子技术的发展所带来的影响及重要意义。

 

1 薄膜铌酸锂材料与薄膜铌酸锂调制器

近两年，出现了一种新型的铌酸锂材料，即通过“离子切片”的方式，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜，并键合到附有二氧化硅缓冲层的Si 晶片上，形成 LNOI （LiNbO3-On-Insulator） 材料[5]，本文称为薄膜铌酸锂材料；采用优化的干法刻蚀工艺可以在薄膜铌酸锂材料上刻蚀出高度一百多纳米的脊型波导，所形成波导的有效折射率差可达0.8以上（远超传统铌酸锂波导0.02 的折射率差），如图1 所示。这种强限制波导，使得在进行调制器设计时能够更容易实现光场与微波场的匹配；从而有利于在更短的长度内实现更低的半波电压和更大的调制带宽。

低损耗铌酸锂亚微米级波导的出现打破了传统铌酸锂电光调制器驱动电压高的瓶颈。电极间距可以减小至～5 μm，电场与光模场的重叠度大大提升，Vπ?L 从大于20 V?cm 下降至小于2.8 V? cm。因此在相同的半波电压下，器件长度与传统调制器相比，可以大幅降低；同时经过优化行波电极的宽度、厚度、间隔等参数，如图2所示，可使调制器具备大于100 GHz的超高调制带宽的能力

图1 典型的薄膜铌酸锂波导（a）模场和（b）截面形貌

 

Fig.1 （a） calculated mode distribution and （b） image of the cross-section of LN waveguide

 

图2 （a）薄膜铌酸锂调制器的波导和电极结构，（b）薄膜铌酸锂调制器芯片（含多种不同的结构）

Fig.2 （a） Waveguide and electrode structure and （b） coreplate of LN modulator

薄膜铌酸锂调制器与传统的铌酸锂商用调制器，硅基调制器和磷化铟（InP）调制器等现有的高速电光调制器的对比如表1 所示；其主要参数对比包括：

（1）半波电压-长度积（Vπ?L，V?cm），衡量调制器的调制效率，值越小，代表调制效率越高；

（2）3 dB调制带宽（GHz），衡量调制器对高频调制的响应能力；

（3）调制区的光学插损（dB）。从表中可以看出薄膜铌酸锂调制器在调制带宽、半波电压、光插损等方面都有着明显的优势。

表1 传统铌酸锂、薄膜铌酸锂、硅和InP电光调制器的对比

Tab.1 comparison of modulator fabricated by various materials

硅作为集成光电子学的基石，发展至今，工艺成熟，其小型化有利于有源/无源器件大规模集成，其调制器在光通信领域已经被广泛而深入的研究。硅的电光调制机制主要是载流子耗尽（carrier deple-tion）、载流子注入（carrier injection）、载流子累积（carrier accumulation）。其中，调制器的带宽与线性度数载流子耗尽机制极优，但由于光场分布与耗尽区的非均匀性重叠，该效应会引入非线性的二阶失真和三阶互调失真项再加上载流子对光的吸收作用，会导致光调制幅度降低和信号失真。

InP 调制器具有突出的电光效应，多层量子阱结构可实现超高速率和低驱动电压调制器，Vπ?L可达0.156 V ? mm。但其折射率随电场改变量中包含线性项与非线性项，电场强度增大会使二阶效应突出。

因此，硅和InP 电光调制器工作时需要施加偏压形成pn结，pn结会对光带来吸收损耗。但这两者的调制器尺寸小，商用的 InP 调制器尺寸是 LN调制器的1/4。调制效率高，适用于数据中心等高密度中短距离数字光传输网络。铌酸锂的电光效应无光吸收机理，损耗低，适用于大容量，高速率的长距离相干光通信。而在微波光子应用方面，Si 和InP的电光系数都是非线性的，这对于追求高线性度、大动态的微波光子系统来说，都是不适合的；而铌酸锂材料因其完全线性的电光调制系数，非常适合于微波光子的应用；

2 高线性度电光调制器与微波光子应用

随着人们对通信系统要求的日益提高，为了进一步提高信号的传输效率，人们将光子与电子相互融合，实现优势互补，微波光子学便运应而生。微波光子系统中电到光的转换就需要用到电光调制器，这一关键步骤通常决定着整个系统的性能。由于射频信号向光学域的转换是模拟信号过程，而普通的电光调制器存在固有的非线性，所以转换过程中存在较为严重的信号失真，为了实现近似线性调制,通常将调制器的工作点固定在正交偏置点处，但仍不能满足微波光子链路对调制器线性度的要求，人们迫切需要高线性度的电光调制器。