应对调制带宽-铌酸锂调制器测试挑战，是德科技推出高带宽薄膜铌酸锂时域测试解决方案

近两年，在光通信领域薄膜铌酸锂成为了一个非常火的话题。铌酸锂也被称之为光学硅。因此有这么一句话 “铌酸锂之于光通信，相当于硅之于半导体”。我们都知道硅在电子革命中的重要性，那么是什么让业界如此看好铌酸锂材料呢？

铌酸锂是什么？铌酸锂用途有哪些？

如果说电子革命的中心是以使其成为可能的硅材料命名的，那么光子学革命可能就要溯源到铌酸锂这种材料身上了，具有“光学硅”之称的铌酸锂是一种集光折变效应、非线性效应、电光效应、声光效应、压电效应与热电效应等于一体的无色透明材料。它的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等因素调控。被广泛用来制备光波导、光开关、压电调制器、电光调制器、二次谐波发生器、激光倍频器等多种产品。在光通信产业中，调制器则是铌酸锂的重要应用市场。

随着 5G 与 AI、大数据、物联网、人工智能等技术深度融合，将触发更多 To B 端和 To C 端的新型应用场景，从而进一步打开流量增长的空间。数据量的持续增长，高带宽通讯的需求不断增加，核心光网络向超高速和超远距离传输升级，对光通信骨干网的需求也在不断增加。光调制器是光通讯的重要环节，其中，电光调制器是现在通信产业的核心部件。电光调制器位于光发射环节，它将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，进而实现信息在光纤中的远距离高速传输。

从实际应用来看，电光调制器的制备可分为硅基方案、磷化铟（InP） 方案和铌酸锂（LiNbO3）三种方案，三者相比较来说铌酸锂性能优势明显，能够充分满足传输距离长（100 公里以上）、容量大（100G 以上）的需求 ，主要用于100Gbps以上直至1.2Tbps的长距离骨干网相干通讯。铌酸锂虽然相较之硅基方案和磷化铟方案优势明显，但是传统铌酸锂基电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插入损耗等关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈，并且技术革新要求其在端口密度越来越大的情况下不增加调制器臂长度的情况下减小调制电压，传统铌酸锂调制器的弊端凸显无疑。传统铌酸锂电光调制器以体铌酸锂为材料，对光场的束缚能力差，其封装后的尺寸较大。

薄膜铌酸锂制备流程

薄膜铌酸锂制备流程

薄膜铌酸锂（LNOI）技术在硅基衬底上蒸镀二氧化硅（SiO2）层，将铌酸锂衬底高温键合构造出解理面，最后剥离出铌酸锂薄膜。薄膜铌酸锂相较于传统铌酸锂波导提升，对光信号束缚能力增强，形成的薄膜铌酸锂电光调制器具备显著的低损耗，小尺寸，高带宽特点。

铌酸锂调制器原理

铌酸锂调制器（thin-film lithium niobate modulator）利用铌酸锂晶体的电光效应并结合光电子集成工艺制作而成，因其具有高响应速度，低插入损耗以及低半波电压倍广泛应用在光纤通信，微波光子，光纤传感等领域。今天我们介绍一下铌酸锂晶体的电光效应及应用。铌酸锂晶体为负单轴晶体(no>ne)，属于三角晶系，具有3m点群对称操作。图1描述了其晶胞结构及物理坐标系的选取。

从图1可以看出，其Z轴为3次旋转轴，y轴在对称平面上，x轴垂直于对称平面。这样的晶体结构注定了铌酸锂晶体具有较好的热电效应、压电效应、弹光效应、电光效应等。

薄膜铌酸锂调制器（thin-film lithium niobate modulator）是一种基于铌酸锂（LiNbO3）材料制作的光学调制器。它利用铌酸锂具有的电光效应来实现光信号的调制。

薄膜铌酸锂调制器是将铌酸锂薄膜沉积在光纤或者其他光学波导上，形成一个光学调制器。当施加电场时，铌酸锂薄膜会发生折射率变化，从而改变光的传输特性，实现光信号的调制。相比于传统的铌酸锂晶体调制器，薄膜铌酸锂调制器具有更小的体积和更低的驱动电压，因此更适合用于集成光学系统中。

薄膜铌酸锂调制器在光通信、光传感、激光雷达等领域都有广泛的应用。铌酸锂调制器是相干通信光模块的必要组件 光信号调制是光模块的必要功能，但是调制器不是光模块中的必要器件。在短距 离场景下，可以采用内调整的方式替代独立的调制器；在中长距光通信场景中，特别 是相干通信中，调制器则是必要器件。目前行业内的主流电光调制器有三种，其基底分别采用硅、磷化铟和铌酸锂材料， 并且根据其优缺点不同，可适用于不同通信距离的应用场景。其中，铌酸锂电光调制器主要用在100Gbps以上的长距骨干网相干通讯和单波100/200Gbps的超高速数据中心中。

基于铌酸锂（LiNbO3）的调制器可以提供更低的光损耗和更高的最大调制频率： 基于硅基的调制器期限速率约为 60-90Gbaud，基于磷化铟（InP）调制器可达到 130Gbaud，而基于 LiNbO3 的调制器可能超过 130 Gbaud。基于这种优势，铌酸锂调制器在长途相干光传输和超高速数据中心的场景具备良好的竞争力。铌酸锂材料走向薄膜化后，在具备优秀光学性能的同时，还能做到小型化，可满足相干光模块、数通光模块日渐小型化的要求。

2021-2027年100G及以上相干DSP市场规模从8.47亿美元增长至21.35亿美元，6年CAGR为16.65%；薄膜铌酸锂调制器适配的 600G 及以上相干光模块 DSP 市场，有望从 2021 年 的 1.31 亿美元，增长至 2027 年的 9.92 亿美元，6 年 CAGR 为 40.06%，薄膜铌酸锂调制器行业具备较高的成长性。铌酸锂调制在 800G PAM4 市场有望实现突破，从 2022 年开始全球 800G 以太网光模块出货量有望超过 15 万片，并在 2023-2025 年快速增长。2023-2025 年 800G 以太网光模块全球市场份额分别达到 4.25/9.87/18.98 亿美元，分别同比增长 133%/132%/92%。（来源：LightCounting 的预测数据）。

电光调制

利用电光效应实现的调制叫电光调制。电光调制的物理基础是电光效应，即是某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。调制晶体是电光调制器的核心部件，它按一定的方向加工成圆柱体或长方形体状。

电光调制器利用电光效应工作的光调制器，将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置称为调制器，其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号，电光调制属于外调制，即在激光器外的光路中进行调制。目前光通讯领域所用的电光调制器大多是铌酸锂材料做得光波导强度调制器

电光效应

光电效应是什么？

电光效应是指在直流电场(或低频电场)的作用下引起材料折射率明显变化的一种现象。也就是说外加电场改变了介质的光学性质。在某些材料中折射率的变化与所加电场的强度成线性关系，即线性电光效应，也称普克尔斯(Pockels)效应。

线性电光效应可认为是入射光场与直流电场混合作用在物质中产生的二阶非线性极化，由于线性电光效应是用二阶非线性极化率描写的，因此它只能在具有空间非对称的晶体中发生。在有空间中心对称的材料中，比如液体或玻璃，折射率的变化与所加电场的平方成正比，这就是二次效应或称克尔(Kerr)电光效应。与线性电光效应类似，它可用三阶非线性极化来描写。除此之外，还有更高次的电光效应。

电光效应可以用数学表达式表示，即：

式中 y、h为常数，no为未加电压时晶体的折射率。等式右边第一项即线性电光效应引起的折射率变化。因为一般情况下，高阶效应要比一次效应弱的多，所以在铌酸锂晶体中，我们只需考虑线性电光效应。

铌酸锂因其电光系数比III V族化合物磷化铟更高，因此调制效率更高，拥有更高的带宽。因此业内非常看好铌酸锂材料。薄膜铌酸锂主要被做成电光调制器，市场上除了薄膜铌酸锂，常见的电光调制器还有磷化铟，硅光等。另外铌酸锂还可以 做相位调制，这使得它在IQ调制的相干光通信中也可以一展拳脚。

薄膜铌酸锂调制器测试

今年OFC大会，国外某公司汇报了他们公司薄膜铌酸锂调制器的性能以及生产能力，其电带宽达到了90GHz，驱动电压降至1~2V，符号率可以支持到200G的波特率，可以应用于目前800G IMDD（强度调制直接检查），800G Linear Drive（线性直驱），单波200G直调或相干调制方案。

越是前沿的研究，测试难度越大。薄膜铌酸锂调制器的测试主要集中在时域和频域。时域的测试主要集中在眼图，这时会需要一个高波特率高带宽的信号源和一个高带宽的示波器作为接收机观察电光转换后的信号质量。频域的测试主要是频响和带宽。薄膜铌酸锂的电光带宽已经可以做到90GHz，未来可能会做到更高，这就要求测试设备的光电转化带宽在90GHz以上。

因此薄膜铌酸锂调制器测试最大的难点如下：

• 测试设备的带宽能否达到如此高的频率

• 能否提供完整的测试方案

调制带宽-铌酸锂调制器测试挑战

对于调制器器件，最关键的性能参数之一就是调制带宽，也就是调制器的频域特性。测试高带宽铌酸锂调制器的频域特性，需要使用高频率的网络分析仪来进行。但常用的网络分析仪只包含电信号输入输出端口，要测试光调制器还需要通过光探测器将调制器输出的光信号转化为电信号，再返回网络分析仪，构成完整的测试环路。下图是电光调制器测试系统的简单示意图。

1. 系统测试带宽的挑战

随着新的光电调制器带宽不断升高，对测试系统的带宽要求也随之不断提升。市面上目前主流的67 G - 70 GHz频率范围的网络分析仪系统，无法满足测试带宽接近或超过100 GHz水平的铌酸锂薄膜调制器。测试光调制器还需要同等水平带宽的光探测器构成环路，才能保证系统的整体测试频率范围，这对于测试来说也是不小的挑战。

2. 频响测试精度的挑战

搭建好测试系统后，如何保证光调制器测试结果的准确性，是这个测试挑战最大的部分。在测试环路中包括射频线缆、高频电探针、高速光探测器等组件，它们的特性都会影响环路频域响应的测试结果。只有完整的对整个测试系统进行校准，才能保证测试结果真实反应被测件，也就是光调制器的特性参数。随着测试频率的不断提升，对校准的挑战也越来越高。

3. 测试效率的挑战

对于未封装的铌酸锂调制器，需要通过光探针和电探针来进行信号的耦合与连接。光探针的耦合不仅需要调节探针的位置与角度，还需要调节输入光偏振态，才能使调制器工作在最优状态。对于批量测试来说，手动进行探针耦合与网络分析仪的扫描测试整体效率很低，需要开发自动化的测试平台来提升效率。这对于未来产业化的调制器测试是必须攻克的挑战。

应对薄膜铌酸锂调制器测试，测试仪器的带宽目前达到了什么水平？

1.任意波形发生器目前带宽高达80GHz，采样示波器光带宽高达120GHz.光器件分析仪带宽高达110GHz。

2. 完整测试方案在测试结果的溯源性，测试结果的准确性以及测试设备之间的协调性方面提供了更完善的保障。

注：其实，除了上面讲的仪器外， 还有其它仪器可能被用到，包括可调谐激光器，光功率计，可调谐光衰减器，光偏振控制器以及光波长计！

高带宽薄膜铌酸锂调制器测试完整的解决方案

图一展示了高带宽薄膜铌酸锂时域测试解决方案。左边的M8199B任意波形发生器作为信号源为薄膜铌酸锂提供调制的电信号，右边的光采样示波器作为接收端对调制的光信号进行分析和测试。

图一 是德科技薄膜铌酸锂时域解决方案

M8199B任意波形发生器是基于AXIe机框平台的模块化产品。每通道256GSa/s的采样率以及高达80GHz的模拟带宽可以产生160GBaud甚至更高的符号率的直调信号或者矢量信号. 其最大的差分信号输出幅度达到了5Vpp（100MHz），即使产生128GBaud的高速信号差分输出幅度仍然可以达到2.6Vpp。

N1032B双通道光通信模块是基于N1000A采样示波器平台的光采样模块。先进的工艺以及技术使其光带宽可以达到惊人的120GHz足以满足当代以及下一代光电产品的测试要求。

高带宽薄膜铌酸锂频域测试解决方案

下图二展示了高带宽薄膜铌酸锂频域测试解决方案。为了进行100 GHz以上带宽的光电器件测试，是德科技推出了N4372E 110GHz光波元件分析仪（LCA）系统。

光波元器件分析仪可以精确表征宽带光纤系统元件（例如激光器、LED、光电二极管和电光调制器）的扫描调制频率响应。光波元器件分析仪包含高达110 GHz的毫米波网络分析仪，以及专用的光扩展座，通过参考光发射机和参考光接收机实现网络分析仪电信号与被测器件所需的光信号的转换。

最重要的一点是，N4372E LCA系统出厂时对测试系统整体校准到110 GHz的频率响应，确保光电器件，例如激光器、光调制器和光探测器的频响参数测试准确性。下图是是德科技N4372E光波元件分析仪的实物图。

N4372E包括网络分析仪，扩频头，电光以及光电转换光座，因此可以完成无论是电光，光电，电电或者是光光的频域测试，其系统带宽可以达到110GHz。

图二 是德科技薄膜铌酸锂频域解决方案

是德科技的LCA系统支持网络分析仪常用的射频校准方式，包括机械校准件、电子校准件、以及探针厂商提供的探针专用校准件等。通过射频校准将电口响应提取出之后，再通过LCA系统自带的光座响应参数进行系统响应的计算与补偿。

为了应对高带宽调制器测试效率的挑战，是德科技提供完整的自动化测试软件平台Pathwave Test Automation，用户可以通过自动化软件控制LCA、光源、偏振控制器、光功率计等仪表与探针台协同工作，完成自动化的探针对齐、测量、器件切换等功能。