Y12T287 铌酸锂、薄膜铌酸锂、薄膜铌酸锂调制器
10月24日周六的内容，聊一下铌酸锂调制器。
正文结束。下文闲聊几句铌酸锂。
铌酸锂材料，是含有铌原子、氧原子、锂原子的化合物。
铌酸锂与咱们常见的纯硅材料不同，需要考虑铌/氧/锂三类原子的化学配比的稳定性。比如对铌酸锂的物理刻蚀，有些原子比较重有些比较轻，就导致刻蚀后的残留物的配比失调。比如对铌酸锂的化学反应刻蚀，不同原子反应后的物质有气态有固态，导致残留物的配比失调。比如铌/氧/锂有不同的扩散速度，随着时间推移，其材料的原子配比失调...等等。
铌酸锂材料，是含有铌原子、氧原子、锂原子的化合物。其原子的分布结构是三角晶系，存在各向异性。
各向异性的晶体结构，导致不同电光调制方向的调制效率有差异，需要选择特定的晶向实现稳定调制。各向异性结构也导致不同方向的膨胀系数的差异，不同方向的光学折射率的差异...
铌酸锂材料在光通信波段不吸收，是透明的，铌酸锂材料可以用于光通信波导设计以及基于光波导设计的光学器件，如光调制器。
也因为铌酸锂材料在光通信波段不吸收，所以无法制作探测器。
铌酸锂通信波段透明，且晶体结构具有铁电效应和压电效应。就是晶体的原子间距可以随外部电场的变化而改变，就像单位门口的菱形格的电动梭拉门。 这种原子间距改变后，透明的光学折射率随之改变。这就是铌酸锂的电光效应。用电极给电压就改变折射率，设计个MZM的结构，就是电光调制器。
纯的铌酸锂需要考虑如何制作光波导，光波导是提供折射率差的界面设计，波导高折射率，包层低折射率。
早期的铌酸锂做波导，铌酸锂掺杂如钛离子可提高折射率，作为波导芯。这种工艺导致铌酸锂波导尺寸很大。
铌酸锂做调制器，调制器的电极不能靠近光波导，否则金属电极对光场产生破坏，且金属对光还有吸收损耗。
铌酸锂波导尺寸很大，早期的铌酸锂波导的宽度是硅波导的20倍，电极还要远离波导。这就让遥远的电极对铌酸锂波导的作用变弱了。做一个调制器改变半波相位，需要大约100毫米的长度。而硅光调制器通常只需要1毫米左右。
铌酸锂做个调制器，大约100倍硅光调制器的长度，电极虽然离得远，但也要那么长。
铌酸锂光波导的损耗很小，像走高速公路。电极远离波导，就类似在高速公路边上左右各建一条伴随路。光波导损耗小，但是高频电信号（射频信号）损耗大啊。频率越高，损耗越大。
光波导的损耗描述用的词儿，如光纤一公里零点几个dB损耗，但电信号则不同，比如100Gbps的信号，电信号的损耗是光波导损耗的几千几万倍。
如果铌酸锂调制器的长度100毫米，铌酸锂光波导低损耗，电极是泥泞小路，损耗极大，电刚跟不在光。
要想解决这个问题，就是缩短铌酸锂调制器的长度，比如从100毫米缩短到10毫米。可以缓解一下电信号的难处。
怎么缩短？
回到最初，铌酸锂波导很大，电极要远离波导，所以调制效率减弱。那就让电极靠近波导呗，可电极会对光产生吸收。
那就是让电极拉近，且把铌酸锂波导缩小，让光避开电极。
早期是让电极避开铌酸锂的光波导。现在电跟不住光了。就让铌酸锂的光波导小一点，也迁就一下电。
如何让铌酸锂的光波导变小？ 波导，提供高低折射率界面。
早期：铌酸锂掺杂提高折射率， 铌酸锂的原始折射率就相对低了。
现在：铌酸锂不掺杂--原始折射率，额外给铌酸锂配一个低折射率材料，比如氧化硅。完美。
铌酸锂和氧化硅组合，可把光波导压缩为十分之一，整个调制器的长度也缩短为十分之一。当然还是比硅调制器要长，毕竟纯铌酸锂的MZM长度是硅MZM的100倍，现在压缩铌酸锂后只有硅MZM的10倍长。这是进步。
铌酸锂和氧化硅组合成为光波导的高低折射率分布，光场还变小了。这就需要让氧化硅的包层挨着光波导才叫包层。把铌酸锂减薄到几百个纳米的厚度，这就是薄膜铌酸锂。
薄膜铌酸锂做调制器的根本目的是缩短调制器长度，迁就高频信号的金属电极趋肤效应导致的巨大损耗。
要做铌酸锂的薄膜，就用到离子注入（离子刀）微气爆的晶圆切片工艺。难度很大。
铌酸锂要和氧化硅层结合，难度也很大。回到前边提到的各向异性，铌酸锂的膨胀系数和氧化硅不同，已经很难了，铌酸锂还有不同方向的多个膨胀系数，还是超级薄片，和氧化硅层结合，那是难上加难。
铌酸锂中的锂原子还会往氧化硅里扩散，导致铌酸锂材料的化学配比变化，电光调制的效率会时间产生“漂移”。难上难上难。
前边也提到过，铌酸锂材料在光通信波段不吸收，不能做探测器。有些工艺厂就把硅光晶圆和铌酸锂薄片结合在一起做功能组合。硅光晶圆有硅、锗、氮化硅和氧化硅的材料层，既满足铌酸锂和氧化硅高低折射率的组合，还能利用硅光晶圆里的其他功能设计，如硅的热光相移，氮化硅的mux/demux，锗的PD/MPD/APD等等等等。
铌酸锂和氧化硅组合，有挑战。把铌酸锂、硅、锗、氮化硅、氧化硅....，这些组合在一起，晶体结构的差异，膨胀系数的差异，热导率的差异，热光漂移的不一致....，整体设计就需要考虑性能的权衡取舍或补偿。
ok，闲聊几句铌酸锂材料。