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塊狀鈮酸鋰(BLN：Bulk lithium niobate) 幾十年來(lái)一直是光子學(xué)的核心技術(shù)。業(yè)界已將其廣泛用作長(zhǎng)途通信中電光 (EO：electro-optic) 調(diào)制器的晶體。該材料前所未有的可靠性已在數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中得到驗(yàn)證，包括早期的數(shù)據(jù)中心部署。

薄膜鈮酸鋰 (TFLN：thin-film lithium niobate) 的出現(xiàn)將這種成熟的材料引入了集成光子學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了低損耗的緊密約束波導(dǎo)，并可在晶圓級(jí)直接利用 Pockels 效應(yīng)。TFLN 的應(yīng)用前景十分廣闊，涵蓋超高速收發(fā)器、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)、量子信息處理和航空航天光子學(xué)等領(lǐng)域。

這些應(yīng)用實(shí)例表明，材料和生態(tài)系統(tǒng)的成熟度將共同塑造集成光子學(xué)的未來(lái)。與其他廣泛部署的光子材料平臺(tái)（包括硅光子學(xué)、磷化銦 (InP)、氮化硅（silicon nitride）、鈦酸鋇 (BTO：barium titanate) 和電光聚合物（EO polymers ））相比，TFLN 在大多數(shù)成熟平臺(tái)的功率效率和散熱管理日益成為關(guān)鍵瓶頸的當(dāng)下，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，TFLN 供應(yīng)鏈的可擴(kuò)展性和多樣性仍然是決定其在光子學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期地位的關(guān)鍵因素。

尋求可擴(kuò)展的電光調(diào)制

過(guò)去十年，全球數(shù)據(jù)流量、云服務(wù)和人工智能工作負(fù)載的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)改變了光通信的格局。每一代新型相干可插拔收發(fā)器都致力于在縮小尺寸和降低成本的同時(shí)，提供更高的每瓦比特每秒傳輸量。但這還不夠：與計(jì)算速度相比，互連速度在過(guò)去二十年中的增長(zhǎng)速度慢了 1000 倍。其結(jié)果是，不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建和處理量出現(xiàn)了帶寬瓶頸。

一種常見(jiàn)的器件——電光調(diào)制器——正處于這一挑戰(zhàn)的核心。調(diào)制器（將信號(hào)（在本例中為電子信號(hào)）轉(zhuǎn)換為光數(shù)據(jù)流的接口）的性能主要取決于其材料。這一變量決定了器件的電光響應(yīng)、光損耗和熱穩(wěn)定性。理想的材料應(yīng)能以低電壓和低損耗快速調(diào)制光，同時(shí)還能大規(guī)模生產(chǎn)。

幾十年來(lái)，塊狀鈮酸鋰（LN）一直是這種平衡的典范；其線性電光（Pockels）效應(yīng)為長(zhǎng)途和海底光鏈路提供了無(wú)與倫比的保真度，在這些部署中，性能比尺寸和成本更為重要。

然而，隨著小型化和規(guī)?；兊弥陵P(guān)重要，鈮酸鋰逐漸被淘汰。塊狀器件體積過(guò)大、成本過(guò)高，而且難以大規(guī)模生產(chǎn)，而高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心以及最近的人工智能（AI）的需求卻日益增長(zhǎng)。

硅光子學(xué)和磷化銦（InP）的出現(xiàn)填補(bǔ)了由此產(chǎn)生的空白。盡管這些材料相比塊狀鈮酸鋰 (LN) 在某些性能方面有所妥協(xié)，但它們具備晶圓級(jí)制造能力和成熟的生態(tài)系統(tǒng)。硅光子技術(shù)在高速傳輸中日益面臨能耗過(guò)高的問(wèn)題，而磷化銦 (InP) 生態(tài)系統(tǒng)則難以滿足未來(lái)晶圓產(chǎn)量方面的需求。

薄膜革命應(yīng)運(yùn)而生

當(dāng)前的變革再次改寫了TFLN的格局，并催生了TFLN的崛起。這場(chǎng)變革源于絕緣體上TFLN（LNOI：TFLN-on-insulator）晶圓的開(kāi)發(fā)。通過(guò)晶圓鍵合和離子切割（或稱智能切割）技術(shù)的結(jié)合，亞微米級(jí)LN薄膜現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)移到尺寸更大的硅晶圓上，其尺寸甚至超過(guò)了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手InP技術(shù)。這些薄膜能夠緊密地限制光線，從而實(shí)現(xiàn)更短的相互作用長(zhǎng)度和更小的電極尺寸。這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步為TFLN的復(fù)興奠定了重要的基礎(chǔ)，使人們重新關(guān)注這種曾經(jīng)被視為過(guò)時(shí)的材料。它使工程師能夠?qū)N的物理特性與硅基晶圓加工的集成能力相結(jié)合。

薄膜工藝可實(shí)現(xiàn)低至 0.1 至 0.3 dB/cm 的傳播損耗和約 1 V 的 CMOS 兼容驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)集成密度比體鈮酸鋰 (LN) 提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前最先進(jìn)的器件已展現(xiàn)出超過(guò) 100 GHz 的電光帶寬，其帶寬限制更多地取決于驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)試設(shè)備和封裝技術(shù)，而非材料本身。

重要的是，TFLN 工藝與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工具集兼容?？刹捎脴?biāo)準(zhǔn)光刻、干法刻蝕和后端金屬化方案，從而實(shí)現(xiàn)最大 150 mm 的晶圓尺寸，并且 200 mm 的晶圓尺寸也正在開(kāi)發(fā)中。這些特性使鈮酸鋰從一種分立的光學(xué)元件轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可擴(kuò)展的、與微電子兼容的、大批量生產(chǎn)的制造平臺(tái)。

實(shí)際上，TFLN 兼具傳統(tǒng)高端調(diào)制器的光學(xué)性能和現(xiàn)代集成光子電路的可制造性。因此，該材料平臺(tái)有望成為下一代高速、低功耗光子平臺(tái)的有力候選者，能夠滿足數(shù)據(jù)中心和人工智能日益增長(zhǎng)的需求。

光子平臺(tái)比較

每種光子材料平臺(tái)都代表著電光效率、可制造性和系統(tǒng)級(jí)可擴(kuò)展性之間的一種折衷方案。隨著帶寬目標(biāo)提升至每個(gè)模塊 1.6T 和 3.2T（，驅(qū)動(dòng)電壓、熱穩(wěn)定性和集成成熟度的差異變得至關(guān)重要。

一、硅

硅光子仍然是 100G 和 200G 單通道光器件的主力軍。其與 CMOS 工藝的兼容性、大規(guī)模晶圓基礎(chǔ)設(shè)施以及現(xiàn)有的封裝生態(tài)系統(tǒng)使其在大規(guī)模生產(chǎn)中具有成本效益。

然而，硅的調(diào)制機(jī)制——載流子注入或耗盡——受到固有速度限制和熱敏感性的制約。商用器件的工作頻率約為 50 至 60 GHz，所需的驅(qū)動(dòng)電壓是目前最先進(jìn)的或更低 CMOS 工藝節(jié)點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的；它們需要更大、更耗電的驅(qū)動(dòng)器。熱光漂移進(jìn)一步導(dǎo)致需要使用每個(gè)模塊功耗超過(guò) 1 瓦的環(huán)形加熱器，從而增加了能源和冷卻需求。

在高數(shù)據(jù)速率下，硅的性能只能通過(guò)并行性來(lái)提升——例如，增加通道數(shù)和/或增加發(fā)熱量——而不是通過(guò)更快的物理速率。因此，在帶寬目標(biāo)不斷提高的情況下，硅的性能面臨著根本性的功率密度限制。

二、磷化銦 (InP)

InP 仍然是唯一能夠原生集成激光器、調(diào)制器和探測(cè)器的單片材料平臺(tái)。然而，InP 平臺(tái)中使用的外部調(diào)制激光器存在熱穩(wěn)定性問(wèn)題，因?yàn)閹峨S溫度的變化會(huì)影響偏置點(diǎn)和波長(zhǎng)。這會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)中心和人工智能機(jī)架等嚴(yán)苛環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)自發(fā)熱和信號(hào)失真，溫度可高達(dá) 85°C。

此外，在制造方面，該技術(shù)需要復(fù)雜的層狀外延堆疊結(jié)構(gòu)以及高精度的再生長(zhǎng)步驟，并且受限于最大 6 英寸的晶圓直徑。這些因素都會(huì)推高成本。磷化銦（InP）是產(chǎn)生光的關(guān)鍵材料，但作為調(diào)制平臺(tái)，它價(jià)格昂貴且難以擴(kuò)展以滿足未來(lái)的供應(yīng)需求。

三、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列

VCSEL 針對(duì)短距離鏈路（<100 米）進(jìn)行了優(yōu)化。它們采用直接調(diào)制方式工作，高效且成本低廉，在對(duì)成本敏感的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接中占據(jù)主導(dǎo)地位。

然而，由于 VCSEL 直接調(diào)制原理導(dǎo)致的芯片限制，這些光源的帶寬距離積被限制在 <50 GHz，傳輸距離也僅為幾十米。它們還存在熱滾降現(xiàn)象，即輸出功率會(huì)隨著結(jié)溫的升高而降低。此外，VCSEL 在高驅(qū)動(dòng)電流下壽命有限，并且工作波長(zhǎng)不在電信波段（~850 nm），這限制了其與現(xiàn)有單模光纖網(wǎng)絡(luò)的兼容性，而長(zhǎng)距離傳輸（例如數(shù)據(jù)中心之間）是必需的。

四、電光聚合物

電光聚合物具有很高的Pockels系數(shù)（r33約為100 pm/V），在實(shí)驗(yàn)室器件中可實(shí)現(xiàn)低于1 V的驅(qū)動(dòng)電壓和高于80 GHz的帶寬。

然而，其老化和穩(wěn)定性仍然是其作為材料平臺(tái)廣泛應(yīng)用的主要障礙。暴露于70 °C至85 °C以上的高溫或紫外光照射會(huì)逐漸破壞非線性發(fā)色團(tuán)的排列，從而降低其性能和壽命。因此，其在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性尚未得到驗(yàn)證，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商在獲得符合Telcordia嚴(yán)格認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證指標(biāo)之前，仍將保持謹(jǐn)慎態(tài)度。

五、鈦酸鋇

鈦酸鋇 (BTO) 具有極高的泡克爾斯效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下已展現(xiàn)出 80 GHz至 100 GHz 的帶寬。

然而，其熱穩(wěn)定性較差，居里溫度約為 120 °C。為了維持極化狀態(tài)，該材料必須在 20 至 40 V 的偏壓下持續(xù)極化。這不僅會(huì)增加功耗，還會(huì)引入長(zhǎng)期應(yīng)力和疇漂移。此外，其制備工藝也十分復(fù)雜，需要專用的高應(yīng)力沉積設(shè)備，而這些設(shè)備難以規(guī)?；a(chǎn)，因?yàn)殁佀徜^通常在分子束外延反應(yīng)器中生長(zhǎng)，而分子束外延反應(yīng)器只能滿足小批量生產(chǎn)的需求。

六、薄膜鈮酸鋰

薄膜鈮酸鋰 (TFLN) 是唯一能夠同時(shí)提供 >100 GHz 電光帶寬、<2 V 驅(qū)動(dòng)電壓和非熱運(yùn)行的平臺(tái)。其場(chǎng)驅(qū)動(dòng)泡克爾斯效應(yīng)消除了載流子注入，從而實(shí)現(xiàn)了快速線性調(diào)制，且發(fā)熱量和漂移均可忽略不計(jì)。該材料的居里溫度約為 1100 °C，確保其在遠(yuǎn)超工作溫度的條件下仍具有優(yōu)異的固有熱穩(wěn)定性。此外，該材料的可靠性已在電信系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)數(shù)十年的驗(yàn)證。

TFLN 面臨的主要挑戰(zhàn)是工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。晶圓尺寸正從 150 毫米過(guò)渡到 200 毫米，并且與 InP 激光器和探測(cè)器的混合集成仍然是一項(xiàng)必要要求。

隱藏的瓶頸

隨著光互連模塊的容量向 1.6T 和 3.2T 邁進(jìn)，功耗和散熱正成為擴(kuò)展性的終極限制。散熱管理不再僅僅是一個(gè)工程問(wèn)題，它將決定哪些平臺(tái)可以擴(kuò)展，哪些平臺(tái)不能。

現(xiàn)代 800G 相干可插拔收發(fā)器已經(jīng)消耗 20瓦到 25 瓦的功率，其中大部分功率來(lái)自驅(qū)動(dòng)電子器件、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 以及用于熱穩(wěn)定的集成加熱器。如果這些架構(gòu)的功耗與通道數(shù)或波特率線性增長(zhǎng)，則每個(gè)模塊的總功耗將達(dá)到 80 到 100 瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)四通道小型可插拔雙密度 (QSFP-DD) 或八通道小型可插拔 (OSFP) 模塊的散熱能力。

這一挑戰(zhàn)——集成光子學(xué)的“熱墻”——源于組件層面的能量效率低下。在自由載流子調(diào)制器（例如硅光子學(xué)中使用的調(diào)制器）中，注入或耗盡載流子會(huì)改變局部折射率，同時(shí)產(chǎn)生熱量。這些熱波動(dòng)需要進(jìn)行溫度控制，因?yàn)樗鼈儠?huì)改變光程。

每個(gè)環(huán)形加熱器或熱調(diào)諧器通常每個(gè)模塊消耗 1 瓦或更多的功率。每個(gè)交換機(jī)包含數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)這樣的組件，因此數(shù)據(jù)中心機(jī)架用于維持溫度平衡的能量可能比傳輸數(shù)據(jù)的能量還要多。

類似的自加熱機(jī)制也存在于電吸收調(diào)制器或直接調(diào)制 InP 器件中。偏置相關(guān)的吸收會(huì)隨溫度變化，需要進(jìn)行補(bǔ)償，從而限制了長(zhǎng)期穩(wěn)定性。從技術(shù)上講，將這些架構(gòu)擴(kuò)展到更高的波特率是可行的，但這只能通過(guò)蠻力并行化來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如使用更多的通道、光模塊和/或更高的 DSP 處理能力。這種方法或許能實(shí)現(xiàn) 1.6T 和 3.2T 的磁化強(qiáng)度，但超過(guò) 3.2T 后便難以持續(xù)，因?yàn)闊崦芏取⒗鋮s需求和 DSP 復(fù)雜性都會(huì)變得難以承受。

相比之下，諸如 BTO 和 TFLN 之類的所謂 Pockels 材料無(wú)需移動(dòng)電荷載流子即可工作。其調(diào)制機(jī)制是純粹的電子極化響應(yīng)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生熱量。典型的 Pockels 器件所需的驅(qū)動(dòng)電壓小于 2V，并且比基于載流子的系統(tǒng)消耗的調(diào)諧功率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

這種差異——場(chǎng)驅(qū)動(dòng)與載流子驅(qū)動(dòng)——直接轉(zhuǎn)化為更低的每比特能耗和系統(tǒng)級(jí)熱管理的極大簡(jiǎn)化。這一特性在功率受限的環(huán)境以及冷卻預(yù)算和尺寸限制嚴(yán)格的場(chǎng)合（例如 AI 數(shù)據(jù)中心、電信樞紐或衛(wèi)星有效載荷）中尤為關(guān)鍵。

供應(yīng)鏈因素

硅的統(tǒng)治地位并非必然，而是源于工業(yè)化。標(biāo)準(zhǔn)化的晶圓尺寸、代工廠模式和設(shè)計(jì)工具包的出現(xiàn)，構(gòu)建了一個(gè)促進(jìn)創(chuàng)新倍增的生態(tài)系統(tǒng)。

TFLN如今也面臨著類似的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。目前，美國(guó)、歐洲和亞洲的LNOI晶圓供應(yīng)商能夠提供一致的150毫米襯底，200毫米襯底也正在涌現(xiàn)。試點(diǎn)生產(chǎn)線驗(yàn)證了均勻的薄膜厚度和低缺陷密度，適用于高良率器件制造。

多家公司也在生產(chǎn)基于TFLN的光學(xué)引擎。代工廠已開(kāi)始提供多項(xiàng)目晶圓服務(wù)，并配備用于調(diào)制器、諧振器和耦合器的標(biāo)準(zhǔn)化工藝設(shè)計(jì)工具包。設(shè)備供應(yīng)商正在改造最初為硅和化合物半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的蝕刻和拋光工具，以應(yīng)對(duì)LN的晶體結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。

然而，該行業(yè)仍需達(dá)成幾個(gè)重要的里程碑才能實(shí)現(xiàn)完全的產(chǎn)業(yè)化成熟。必須建立多家合格的晶圓供應(yīng)商，以降低單一供應(yīng)商帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。在晶圓代工層面，必須推進(jìn)可重復(fù)、高良率的工藝流程。為了實(shí)現(xiàn)晶圓廠的可移植性，行業(yè)需要標(biāo)準(zhǔn)化的工藝設(shè)計(jì)工具包和設(shè)計(jì)規(guī)則。

幸運(yùn)的是，行業(yè)正朝著這個(gè)方向發(fā)展。這一模式與早期硅光子學(xué)的發(fā)展軌跡相似：在首次學(xué)術(shù)演示后的幾年內(nèi)，晶圓代工廠、多項(xiàng)目晶圓以及電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）集成相繼出現(xiàn)。如果這一發(fā)展軌跡得以保持，TFLN有望在未來(lái)十年內(nèi)達(dá)到與當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)類似的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)健性水平。

全新應(yīng)用

隨著成熟的生態(tài)系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中，TFLN 的潛力正催生出多種新興應(yīng)用。盡管有些應(yīng)用比其他應(yīng)用更直接，但每一種應(yīng)用都蘊(yùn)藏著巨大的增長(zhǎng)潛力，有望推動(dòng)各個(gè)垂直市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

一、高速收發(fā)器

TFLN 最直接的應(yīng)用是用于長(zhǎng)距離和數(shù)據(jù)中心互連的相干收發(fā)器和 PAM4 收發(fā)器。集成 TFLN 調(diào)制器已展現(xiàn)出超過(guò) 100 GHz 的帶寬、約 1 至 2 V 的驅(qū)動(dòng)電壓以及小于 3 dB 的光纖損耗，所有這些都集成在尺寸小于 1 cm 的緊湊型芯片上。這些特性可直接轉(zhuǎn)化為更小、更冷、更快的收發(fā)器模塊。

由于 LN 擁有數(shù)十年的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，其認(rèn)證門檻低于其他新型材料。一些早期生產(chǎn)部署已經(jīng)在相干可插拔器件中使用了基于 LN 的調(diào)制器，這展現(xiàn)了從傳統(tǒng)體硅器件到薄膜集成器件的過(guò)渡。

二、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)

接入網(wǎng)正迅速?gòu)那д谉o(wú)源光網(wǎng)絡(luò) (GPON) 升級(jí)到 10 Gb 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) (XGS-PON) 和 50 Gb 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。每一代都要求更高的帶寬和更低的單用戶成本，同時(shí)還要保持與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性。

TFLN 調(diào)制器在單一平臺(tái)上提供多標(biāo)準(zhǔn)支持。其低插入損耗和 <1 V 的驅(qū)動(dòng)電壓降低了光功率預(yù)算和驅(qū)動(dòng)器成本，而 200 毫米晶圓加工工藝則支持大規(guī)模生產(chǎn)。

此外，由于 LN 具有熱穩(wěn)定性，PON 收發(fā)器無(wú)需主動(dòng)冷卻即可在戶外環(huán)境所需的寬溫度范圍內(nèi)工作，從而降低總運(yùn)營(yíng)成本。

三、量子光子學(xué)

量子信息系統(tǒng)提出了獨(dú)特的要求，包括超低損耗、快速精確的相位控制以及集成非線性光學(xué)器件。

TFLN 滿足這三個(gè)參數(shù)。其低損耗波導(dǎo)（演示中損耗 <0.2 dB/cm）可保持量子比特的相干性。其基于 Pockels 結(jié)構(gòu)的移相器可實(shí)現(xiàn)無(wú)熱噪聲的確定性控制。更重要的是，LN 的 χ(2) 非線性支持片上光子對(duì)生成和頻率轉(zhuǎn)換，從而在單個(gè)基板上實(shí)現(xiàn)光子源、路由器和探測(cè)器。

此外，該材料具有從可見(jiàn)光波長(zhǎng)到約 5 μm 的寬透明窗口，允許可見(jiàn)光波段量子發(fā)射器之間的耦合。這一特性支持多種量子光計(jì)算范式，包括囚禁離子和氮空位中心，以及電信波段光纖網(wǎng)絡(luò)。這代表了極少數(shù)材料能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)的潛力。

此外，一些學(xué)術(shù)和工業(yè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在開(kāi)發(fā)基于 TFLN 的量子芯片原型，這些芯片將無(wú)源路由、快速電光調(diào)制和非線性生成集成在同一芯片上。

四、激光雷達(dá)和自由空間傳感

汽車和工業(yè)激光雷達(dá)系統(tǒng)正朝著固態(tài)和頻率調(diào)制連續(xù)波架構(gòu)發(fā)展。此類設(shè)計(jì)需要高線性度、低噪聲的相位調(diào)制來(lái)生成穩(wěn)定的光啁啾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的距離和速度測(cè)量。

TFLN 兼具低電壓、低損耗和卓越的相位穩(wěn)定性，使其成為此類架構(gòu)的理想之選。其在人眼安全優(yōu)先的 ~1.55 μm 波段具有高透明度，可在監(jiān)管限制范圍內(nèi)使用更高的發(fā)射功率，從而在確保安全性的同時(shí)擴(kuò)展探測(cè)范圍。在 2 μm 以上的波段，其透明度延伸至中紅外波段，為旨在改善大氣可見(jiàn)度的下一代激光雷達(dá)系統(tǒng)鋪平了道路。

此外，由于 TFLN 支持晶圓級(jí)工藝，因此能夠滿足汽車認(rèn)證所需的批量生產(chǎn)和成本目標(biāo)——這是機(jī)械掃描系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

五、微波光子學(xué)與航空航天

在雷達(dá)、衛(wèi)星通信和國(guó)防系統(tǒng)中，目標(biāo)是傳輸或處理高頻射頻 (RF) 信號(hào)，以降低損耗和電磁干擾。在該領(lǐng)域，鈮酸鋰 (LN) 調(diào)制器已成為模擬光子鏈路的標(biāo)準(zhǔn)配置，具有卓越的線性度和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。TFLN 調(diào)制器通過(guò)減小尺寸和驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)保持 100 GHz 以上的帶寬，進(jìn)一步擴(kuò)展了這些性能。

體鈮酸鋰調(diào)制器已展現(xiàn)出強(qiáng)大的抗輻射能力，并已通過(guò)航天任務(wù)的認(rèn)證。雖然 TFLN 工藝較新，但早期的輻射研究表明其具有類似的抗輻射能力。這些特性，加上其小尺寸、輕重量和低功耗，使得 TFLN 調(diào)制器在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域的衛(wèi)星有效載荷、相控陣天線以及安全射頻光纖鏈路方面極具吸引力。

六、傳感與光譜學(xué)

在化學(xué)、環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域，緊湊性和波長(zhǎng)靈活性至關(guān)重要。鈮酸鋰(LN)具有寬廣的光學(xué)窗口（約350納米至5微米）和χ(2)非線性特性，使其能夠在芯片上生成和操控多種波長(zhǎng)。這使得緊湊型光譜儀和傳感器能夠探測(cè)近紅外和中紅外波段的特定吸收線，而這些波段是傳統(tǒng)硅基光譜儀無(wú)法觸及的。此外，低電壓調(diào)諧和非熱效應(yīng)使得這些器件具有足夠高的能效，適用于便攜式或電池供電應(yīng)用，從而為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療診斷領(lǐng)域開(kāi)辟了新的應(yīng)用前景。

電光器件的下一個(gè)十年

隨著集成光子學(xué)進(jìn)入下一個(gè)階段，性能和可制造性必須兼顧。硅光子學(xué)在規(guī)模和生態(tài)系統(tǒng)成熟度方面仍然無(wú)可匹敵，但其對(duì)熱效應(yīng)和自由載流子效應(yīng)的依賴，在高數(shù)據(jù)速率下造成了功率和散熱方面的瓶頸。磷化銦（InP）可提供原生有源器件，但面臨經(jīng)濟(jì)性和規(guī)?；矫娴奶魬?zhàn)。新興材料，例如氧化鋇（BTO）和電光聚合物，展現(xiàn)出卓越的物理特性，但缺乏大規(guī)模部署所需的可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化。

TFLN 結(jié)合了可靠、經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證且熱穩(wěn)定的材料的物理特性和集成光子學(xué)的工程技術(shù)，具有光刻精度、晶圓級(jí)加工以及與硅的混合兼容性。曾經(jīng)限制鈮酸鋰（LN）的因素——尺寸、成本和集成度——通過(guò)薄膜加工得到了系統(tǒng)性地解決。

剩下的挑戰(zhàn)是產(chǎn)業(yè)層面的挑戰(zhàn)，而非物理層面的挑戰(zhàn)。接下來(lái)，業(yè)界必須解決可重復(fù)性、晶圓成本以及構(gòu)建穩(wěn)健的多供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)等問(wèn)題，以滿足收發(fā)器制造商的雙源采購(gòu)等要求。

如果滿足這些條件，TFLN有望成為電信、數(shù)據(jù)通信和量子技術(shù)領(lǐng)域超高速、低功耗電光調(diào)制的默認(rèn)平臺(tái)，就像硅在上個(gè)十年成為無(wú)源光器件的默認(rèn)平臺(tái)一樣。

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