面向6G通信的铌酸锂薄膜电光调制器关键技术研究——低半波电压与高带宽集成化器件开发

专家团队当前确立的未来三年工作目标涵盖研发、成果产出、产业化及团队培养等多个层面。在研发方面，专家正围绕薄膜铌酸锂（TFLN，Thin-Film Lithium Niobate）电光调制器开展系统攻关，着力解决调制器半波电压偏高、带宽受限及耦合封装损耗大等制约实用化的核心瓶颈，目前已通过优化行波电极结构设计与射频-光波速度匹配调控，将马赫-曾德尔干涉仪型调制器的半波电压降低至2.0 V·cm以内、电光带宽拓展至67 GHz以上，同时正在开发基于端面耦合与倏逝波耦合相结合的低损耗光纤-芯片边缘耦合方案，耦合损耗已从最初的5 dB/facet降至目前1.5 dB/facet以下。在预期成果方面，专家已完成多版本TFLN调制器芯片的版图设计与工艺流片，目前正在推进完整封装后的调制器组件在100 Gbaud及以上PAM-4信号传输系统中的误码率验证测试，后续计划完成面向数据中心互联及6G前传应用场景的小批量器件研制与可靠性评估，同时已申请发明专利2项并在高水平期刊发表论文2篇。在产业化目标上，该技术落地后可将单只薄膜铌酸锂调制器的制造成本控制在同类商品化产品（以进口铌酸锂相位调制器为参照）的60%以内，调制器工作偏压降低至±3 V，可与标准CMOS驱动芯片直接匹配，省去外部高压放大环节。在团队培养方面，专家正在组建高速光电器件方向的专职研发团队，已培养多名掌握高速射频仿真、薄膜波导工艺及光耦合封装技术的骨干人员。在社会效益层面，该技术正在推动光通信核心器件从体材料铌酸锂向薄膜化、小型化、低功耗方向升级，有望改变高端电光调制器长期依赖进口的被动局面。

上述目标的制定，正是基于超高速光通信对电光调制器带宽与功耗的严苛需求与现有技术代际差距之间的矛盾。随着400G/800G及更高速率光模块的快速部署，业界对电光调制器的带宽要求已推高至50 GHz以上，而传统体材料铌酸锂调制器受限于材料介电常数与电极结构，带宽突破60 GHz后性能急剧恶化；磷化铟和硅光调制器虽可集成却存在线性度不足或插入损耗偏大的问题。薄膜铌酸锂凭借其强电光系数、低光学损耗及优异微波性能，被视为下一代超高速电光调制器的理想平台，但国内在该领域起步较晚，从波导制备到高频封装的全链条工艺仍不成熟，高性能器件主要依赖进口。专家团队长期从事铌酸锂基光波导器件与微波光子学研究，在行波电极设计、射频传输线匹配及高速光电器件测试方面积累了超过十五年的研究经验，前期已实现体材料铌酸锂调制器的完整研制流程。

针对上述目标，专家团队正在集中攻克以下关键技术问题。第一，在调制效率与带宽协同提升方面，专家正通过加载周期式容性负载电极结构和优化行波电极的特性阻抗（目标逼近50 Ω）与微波有效折射率，使之与光波群折射率实现精确匹配（速度失配度控制在5%以内），目前已将带宽与半波电压之积（优值）提升至80 GHz·V以上，较常规行波电极设计改善约40%，达到国际同行报道的先进水平。第二，在芯片-光纤低损耗耦合方面，专家正着力解决TFLN波导模场尺寸（芯层厚度仅300–600 nm）与单模光纤模场直径（9–10 μm）严重失配的难题，通过设计悬臂式倒锥形端面耦合器和氮化硅上层波导转换结构，已将耦合损耗由最初的5 dB/facet降至当前1.5 dB/facet以下，同时正在优化紫外固化胶折射率匹配工艺，目标实现0.8 dB/facet以内的可重复封装良率超过80%。第三，在器件长期可靠性方面，专家已建立针对TFLN调制器的加速老化测试体系（高温存储、温湿循环及光功率承受力测试），目前所研制的器件在85°C、500小时高温存储后插入损耗变化控制在0.3 dB以内、偏置漂移低于±0.2 V，初步验证了薄膜器件的可靠性潜力。

在创新方面，专家团队提出并验证了非对称共面波导电极结合周期式容性负载的结构方案，区别于现有研究中均匀行波电极或单一容性加载方案，该结构通过周期性调控电极特征阻抗以补偿行波传输过程中的速度失谐和损耗累积效应，在不增加器件整体尺寸的前提下同步实现了带宽拓展与半波电压降低。此外，专家开发的一体化端面耦合接口方案首次在TFLN平台上实现了无需透镜光纤介入的低成本耦合封装流程，规避了进口高端透镜光纤供货渠道不稳定的风险。与国际同类研究相比，本项目的调制器优值和封装损耗两项核心指标已与国际先进水平持平，在制备工艺与封装成本方面更具工程化优势。