高性能电光（EO）调制器是现代电信网络和数据中心内部互连的关键组件。低驱动电压、宽EO带宽、紧凑的器件尺寸和多频段工作能力对于各种应用场景至关重要，尤其是在节能高速数据传输方面。然而，同时满足所有这些要求极具挑战性。本文展示了一种采用低介电常数（低k）填充材料的高性能双频段薄膜铌酸锂EO调制器，以实现整体性能的提升。低k材料有助于降低调制器的射频损耗，并通过窄电极间隙实现完美的波速匹配，从而克服电压带宽的限制，同时扩展EO带宽并提高调制效率。所制备的7毫米长调制器在C波段和O波段分别具有1.9V和1.54V的低半波电压Vπ，其半波电压长度乘积分别为1.33V·cm和1.08V·cm。同时，这种新型设计在C波段（O波段）实现了220GHz（218GHz）的超宽外推3dB电光带宽。首次使用同一器件在C波段和O波段展示了PAM8高速数据传输，数据速率高达390Gbit s⁻¹，实现了0.69fJ bit⁻¹的创纪录低能耗，为下一代高性价比超高速光通信奠定了基础。

薄膜铌酸锂（TFLN）凭借其优异的材料特性，包括显著的泡克尔斯效应（≈30.9pmV⁻¹）、出色的温度稳定性、宽广的透明窗口（350nm–5µm）以及有利于紧凑电极布局的强光限制，已成为一种用途广泛的光子平台。作为光子集成电路的关键组件，具有低驱动电压、宽带宽和紧凑尺寸的高速TFLN电光（EO）调制器对于未来的大容量数据中心、电信系统和量子光学至关重要。

自2018年问世以来，TFLN调制器在过去几年中取得了令人瞩目的进展。基于传统共面波导（CPW）电极的TFLN调制器难以同时实现低半波电压和宽调制带宽，因为电极间隙减小会导致微波损耗增加。为了克服传统CPW电极的电压带宽限制，Liu等人提出采用电容加载行波电极（CL-TWE）来提升TFLN调制器的性能。随后，他们实现了超过50GHz的电光带宽（VπL为2.6V·cm）和超过67GHz的带宽（VπL为1.7V·cm）。最近，采用CL-TWE的双极化TFLN同相正交调制器实现了高达110GHz的带宽和2.35V·cm的VπL。为了进一步提高TFLN调制器的调制效率，人们提出了多种特殊的电极和波导结构，例如双电容电极布局或高介电常数包层。然而，前者由于严重的微波损耗和显著的速度失配而导致带宽较窄，而后者中使用的glycerol包层则引发了可靠性问题。显然，如何在保持宽电光带宽的同时实现高调制效率仍然是一个挑战。

本文提出并演示了一种采用低介电常数（low-k）苯并环丁烯（BCB）底部填充材料的超高效TFLN马赫-曾德尔调制器（MZM），突破了电压带宽限制，显著提升了整体性能。这种简单的low-k底部填充材料赋予了调制器设计更大的灵活性，并在保持完美速度匹配的同时，大幅降低了高频微波损耗。因此，无需复杂的电极或波导结构，即可采用更窄的电极间隙来提高调制效率。所制备的7mm长TFLN调制器在C波段（1550纳米）和O波段（1310纳米）分别实现了1.9V和1.54V的低半波电压Vπ，其VπL值分别低至1.33V·cm和1.08V·cm。在高达110GHz的频率范围内，该器件的电光频率响应滚降仅为0.77dB(0.83dB)，对应于C波段(O波段)220GHz(218GHz)的外推3dB电光带宽。采用八电平脉冲幅度调制(PAM8)的高速数据传输在C波段和O波段均实现了高达390Gbit s⁻¹的数据速率（130Gbaud），其强度调制与直接检测（IM-DD）系统创下0.69fJ bit⁻¹的超低能耗纪录。与目前报道的其他TFLN MZM相比，我们的器件在保持优异高频性能的同时，展现出显著更高的调制效率，使其成为下一代高容量、低成本数据中心内部互连和光通信系统的理想选择。

图1展示了所提出的采用低介电常数(low-k)底部填充的CL-TWE的TFLN调制器的示意图。该调制器制造在绝缘体上铌酸锂(LNOI)晶圆上，该晶圆由500µm厚石英衬底上的600nm厚X切TFLN层和2µm厚的埋入式SiO₂层组成。在整个电极下方沉积了100nm厚的SiO₂缓冲层，以减少金属电极引起的光吸收损耗。LN脊形波导的刻蚀深度选择为200nm，波导的宽度和侧壁角度分别设置为1µm和50°。波导几何结构确保了C波段和O波段具有相似的群折射率（ng=2.221@1550nm和2.2@1310nm），从而便于在两个波段同时实现速度匹配。射频调制信号通过90度弯曲的GSG焊盘馈入调制器，并在CL-TWE末端通过片上匹配电阻进行终端匹配。

图1 a)所提出的TFLN调制器的三维示意图。b)调制区域的横截面视图。c)CL-TWE的细节。

调制器的性能很大程度上取决于CL-TWE的T型导轨之间的电极间隙。图2展示了电极间隙对金属引起的吸收损耗和调制效率的影响。显然，100nm厚的SiO₂缓冲层可将光损耗降低两个数量级以上，而VπL仅略有增加。对于2.7µm的电极间隙（可确保光吸收损耗低于0.5dBcm⁻¹），在C波段（O波段）的调制效率估计为VπL=1.3V·cm（1.09V·cm）。O波段更高的调制效率是由于短波长下相位累积增强所致。

图2 模拟了a)金属引起的光学损耗和b)在C波段和O波段有/无100nm厚SiO₂缓冲层时的调制效率。

TFLN调制器在高频下的调制性能主要受三个因素影响：微波信号与光信号之间的速度失配、阻抗失配以及电极的射频损耗。当速度和阻抗匹配得到保证时，射频损耗最终会限制调制带宽。调制器的射频损耗主要归因于行波电极的导体损耗、绝缘材料的介电损耗以及辐射损耗。CPW电极的导体损耗由下式给出：

其中c₀是真空中的光速，k是与电极几何形状相关的参数，Rs(f)表示导体的表面电阻，ε_eff是CPW的有效介电常数，C^a表示真空中与电极结构相关的电容（更多详情请参见补充信息）。

对于给定的T型导轨电极间隙（G_T），可以通过调节信号电极的宽度（W_S）和主CPW电极之间的间隙（G_CPW）来最小化速度和阻抗失配。图3b和3c分别绘制了不同T型导轨间隙下CL-TWE的微波折射率和阻抗。如图3a所示，减小T型导轨间隙可以提高调制效率，但会导致微波损耗增加。图3d可以解释这一现象，图中绘制了不同G_T值下实现速度和阻抗匹配的最佳W_S值以及相应的分布电容。较窄的T型导轨间隙对应于更大的电极电容，根据公式1，这表明微波损耗增加。同时，为了适应阻抗匹配所需的更大电容，需要更窄的信号电极，这也导致了微波损耗的增加。此外，根据图3b，微波折射率随着T型导轨间隙的减小而增加，这会阻碍速度匹配。这需要在调制效率和调制带宽之间做出权衡。

图3 电极间隙G_T对a)微波损耗、b)微波折射率、c)特性阻抗、d)电容和信号电极宽度的影响。

为了克服窄T型导轨间隙带来的大电容难题，在主CPW电极下方形成低介电常数BCB（ε=2.6516）填充层，如图1b所示。引入低介电常数BCB填充层降低了有效介电常数，从而减小了分布电容，并允许使用更宽的信号电极，进而降低电极电阻和微波损耗。同时，由于可以通过调节BCB填充层的厚度来调控有效微波折射率，因此也有助于实现速度匹配。

图4a显示了在固定电极间隙为2.7µm的情况下，不同BCB底部填充层厚度的石英基板上CL-TWE的模拟微波损耗。对不同BCB底部填充层厚度的CL-TWE的结构参数进行了优化，以确保速度匹配和阻抗匹配，同时最大限度地降低微波损耗。介电损耗通过表1中总结的损耗角正切数据来考虑。如图4a所示，引入BCB层显著降低了微波损耗。图4b绘制了在有无BCB底部填充层的石英基板上CL-TWE的计算微波有效折射率。BCB底部填充层有助于降低微波折射率，从而有利于速度匹配。最终，考虑到制造可行性，采用2µm厚的BCB层和85µm宽的信号线来降低微波损耗。顺便一提，低介电常数（low-k）的底部填充材料也可用于硅衬底上形成的TFLN调制器，以降低射频损耗并实现速度匹配，从而避免形成悬浮结构的复杂衬底去除工艺。

图4 a)不同CL-TWE的微波损耗；b)不同CL-TWE的有效微波折射率；c)在有/无2µm厚BCB底部填充的石英基板上CL-TWE的模拟损耗。

CL-TWEs的微波损耗包含不同频率依赖性的贡献项。先前研究表明，主CPW电极引起的导体损耗与频率平方根成正比，而T型导轨引起的损耗则与频率平方成正比。介质损耗与频率呈线性关系，辐射损耗则随频率呈立方变化。因此总损耗的频率依赖性可建模为（详见补充资料）：

其中αdc代表与频率无关的损耗。图4c显示了有无2µm厚BCB底部填充的CL-TWE的模拟微波损耗分解。结果表明，导体损耗（包括主CPW电极和T型导轨的损耗）是主要损耗，而辐射损耗的影响可以忽略不计。2µm厚的BCB底部填充有助于有效降低导体损耗，从而显著降低总微波损耗。

图5a展示了采用7mm长CL-TWE、2.7µm宽T型导轨间隙和2µm厚BCB底部填充的TFLN调制器的模拟微波S参数，表明其具有220GHz的6.4dB电带宽和良好的阻抗匹配，S11低于-17dB。图5b显示了提取的微波有效折射率，其接近光学群折射率（ng=2.221@1550nm和2.225@1310nm）。根据图5c，我们调制器的特性阻抗约为43Ω，略低于标准的50Ω特性阻抗。根据电光频率响应模型（更多细节请参见补充信息），计算了不同终端电阻下的电光响应，如图5d所示。显然，当终端电阻为50Ω时，电光响应在低频下呈现陡峭的滚降。采用略低于43Ω的终端电阻有助于消除这种滚降并扩展电光带宽。在本研究中，我们选择35Ω的片上终端电阻来增强电光带宽。基于这些结果，图5e显示了仿真得到的电光调制响应。在C波段（O波段），3dB电光调制带宽估计分别为240GHz（244GHz）。

图5 a)模拟微波传输和反射。b)提取微波有效折射率和光学群折射率。c)提取特性阻抗。d)模拟1550nm波长下不同终端电阻的电光响应。e)计算TFLN调制器在C波段和O波段的电光响应。

3.1器件制造

首先，采用电子束光刻（EBL）对TFLN晶圆进行图案化，然后利用氩气反应离子刻蚀（RIE）形成1µm宽、200nm厚的LN波导。接着，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在TFLN晶圆上沉积100nm厚的SiO₂层。为了确保高对准精度，采用EBL定义间隙为2.7µm的T型导轨图案，并通过磁控溅射和双层光刻胶剥离工艺形成200nm厚的Cr/AuT型导轨电极。随后，在晶圆上旋涂2µm厚的光敏BCB层，并利用紫外光刻进行图案化，以暴露T型导轨电极，使其与主电极接触。在真空条件下固化BCB薄膜后，采用磁控溅射法形成主CPW电极，并通过电镀将其增厚至1.7µm以降低微波损耗。在CL-TWE末端形成片上NiCr终端电阻，用于终止微波调制信号。图6a显示了调制长度为7mm的调制器的光学显微镜图像，图6b和6c则分别展示了调制区域和片上终端电阻的细节。

图6 a)调制长度为7毫米的调制器的光学显微镜图像；b)调制区域；c)片上终端电阻。

3.2微波S参数表征

图7a显示了使用110GHz矢量网络分析仪(VNA，Keysight N5291A)和一对110GHz GSG微波探针测量的7mm长CL-TWE的S参数。射频损耗在110GHz以下仅为3.4dB，表明采用低k值填充的CL-TWE具有低微波损耗特性。图7b绘制了提取的微波折射率，并证实了其与光学群折射率的完美速度匹配。110GHz处的微波折射率为2.22，与我们在图5b中所示的仿真结果高度吻合。图7d比较了所制备器件的微波损耗，表明采用低k值填充的CL-TWE的微波损耗显著降低。据我们所知，我们的结构是迄今为止报道的TFLN调制器中微波损耗最低的。

图7 a)测量调制长度为7mm的调制器的S参数。提取b)微波折射率和c)特性阻抗。d)有无低介电常数底部填充时的微波损耗。e)拟合微波损耗、共面波导导体损耗、T型导轨导体损耗和介质损耗随频率的变化曲线。

基于测得的微波S参数和公式（2）给出的解析模型，提取出不同的损耗分量，如图7e所示。导体损耗在总损耗中占主导地位。在低于100GHz的频率下，共面波导（CPW）损耗是主要损耗来源；而在高于150GHz的频率下，T型导轨损耗则成为主要损耗来源。

3.3电光响应特性

所制备调制器的总插入损耗在1550nm波长处测量为15.49±0.27dB，片上损耗为2.6dB（更多细节请参见补充信息）。每个端面的耦合损耗估计为6.4dB，这主要归因于亚微米波导和光纤之间的模式失配，采用多层锥形耦合器可以显著降低这种失配。

图8a绘制了在1MHz下记录的调制曲线，表明C波段的Vπ为1.9V，对应的VπL较低，为1.33V·cm，与我们的理论估计基本吻合。调制器的电光响应由110GHz光波分量分析仪（LCA，Keysight N4372E）表征，如图8b所示。采用35Ω的片上终端电阻，略低于CL-TWE的特性阻抗，以消除低频下的陡降。如图8b所示，电光频率响应的3dB带宽远超110GHz，而电反射S11保持在-10dB以下。基于提取的射频损耗、有效微波折射率和特性阻抗，利用行波MZM的分析模型，将调制器的电光响应外推至110GHz以上。如图8c所示，仿真结果与实验结果在110GHz范围内完全吻合，我们调制器的外推3dB带宽为220GHz，在110GHz范围内滚降小于0.77dB。

图8 a)7毫米长调制器的消光特性。b)测量高达110GHz的电光响应和电反射。c)在1550和1310nm波长下，测量和预测高达250GHz的电光响应。

我们还测试了该调制器在O波段的性能。如图8a所示，该调制器在1310nm波长处的半波电压为1.54V，对应的VπL值为1.08V·cm。同时，如图8b和8c所示，该调制器在O波段110GHz处的电光响应滚降仅为0.83dB，外推3dB带宽为218GHz。由于C波段和O波段的光群速度几乎相同（1550nm处ng=2.221，1310nm处ng=2.225），该调制器在两个波段均表现出同样优异的性能。

为了进一步验证我们宽带调制器的高速数据传输能力，我们在C波段和O波段进行了一系列不归零（NRZ）和脉冲幅度调制（PAM）下的眼图测试，实验装置如图9a所示。在发射端，伪随机比特序列（PRBS）由256GSa/s任意波形发生器（Keysight M8199A）生成，并映射到NRZ/PAM符号。将符号重采样至数模转换器（DAC）的采样率后，使用升余弦滤波器对脉冲信号进行整形。接下来，预加重滤波器对DAC和67GHz电放大器（EA，GT-LNA-67G）的低通滤波进行预补偿。需要注意的是，我们的实验中没有采用任何非线性预补偿。放大后的射频信号和偏置电压经65GHz偏置器（SHF BT652-B）合路后，通过67GHz GSG探头馈送至调制器。调制后的光信号由掺铒光纤放大器（EDFA）或掺镨光纤放大器（PDFA）放大。在接收端，发射的光信号由配备65GHz光采样模块（Keysight N1030A）的数字采样示波器（DSO）采集，然后经过简单的低通滤波和前馈均衡（FFE）处理。

图9 a)TFLN调制器高速眼图测量装置示意图。b)1550nm和c)1310nm波长下不同符号速率和调制格式的眼图测量结果。TLS：可调谐激光源，PC：偏振控制器，AWG：任意波形发生器，EA：电放大器，EDFA：掺铒光纤放大器，PDFA：掺镨光纤放大器，PD：光电探测器，DSO：数字采样示波器。

图9b和9c分别展示了在1550nm和1310nm波长下，符号速率分别为112Gbaud和130Gbaud时，NRZ、PAM4、PAM6和PAM8调制格式的记录眼图。在C波段和O波段，不同符号速率下均实现了清晰的眼图张开。目前，数据速率主要受限于传输系统中射频元件的模拟带宽，包括任意波形发生器(AWG)、电放大器(EA)、偏置T型电路、微波探针和光电探测器(PD)。我们坚信，在未来的演示中，通过采用具有更高波特率能力的AWG，我们的高性能调制器将支持更高的单通道数据速率。

调制器每比特的能耗可估算为We=Vrms²/(B·R)，其中Vrms为均方根驱动电压，B为比特率，R为驱动阻抗。在我们的实验中，C波段（O波段）390Gbits^-1数据调制采用245.6mV（97.6mV）的电Vrms，对应的电能耗分别为4.42fJ bit^-1（0.69fJ bit^-1）。O波段较低的Vrms源于更小的半波电压和更小的插入损耗，这是由于模式限制更严格所致。此外，我们仅对O波段的测试条件进行了精心优化，以确保最低的Vrms。据我们所知，这是IM-DD传输实验中报道的最低功耗。需要注意的是，能耗还包括微波探头和射频电缆的功耗。

表2总结了已报道的TFLN MZM在IM-DD传输中的性能。我们的调制器在C波段和O波段均展现出同样出色的整体性能，包括低Vπ、宽电光带宽和超高的调制效率。此外，我们还展示了在双频段下，IM-DD系统能够以最低的能耗实现超高速数据传输。

与采用高介电常数包层或透明导电氧化物（TCO）电极以提高调制效率的TFLN调制器相比，本文提出的采用低介电常数BCB底部填充的调制器易于实现，且适用于低成本大规模生产。高调制效率使其能够缩短器件长度，从而适用于紧凑型封装，例如四通道小型可插拔双密度（QSFP-DD）封装。超过200GHz的潜在电光带宽可支持未来超过200Gbaud的超高波特率数据传输。该调制器的双频段工作能力使其既可应用于C波段的长距离光纤通信，也可应用于O波段的短距离互连，并具备高波分复用能力。

本文实验验证了一种高性能双频段TFLN马赫-曾德尔调制器（MZM）。我们引入低介电常数BCB衬底填充层，在保持高调制效率的同时，显著提升了电光带宽，并简化了电极结构。通过形成BCB衬底填充层，实现了窄电极间隙行波电极的超低微波损耗和完美的波速匹配，从而同时提升了调制效率和高频电光性能。所制备的7毫米长调制器在C波段（O波段）展现出1.33V·cm（1.08V·cm）的低VπL值和超平坦的电光响应，滚降小于0.77dB（0.83dB），频率范围高达110GHz，外推电光带宽达220GHz。据我们所知，这是首次利用同一调制器在两个频段实现高速数据传输。针对下一代超高速低功耗IM-DD通信系统，我们展示了一种采用130Gbaud PAM8调制、功耗低至亚fJ比特级的超低功耗器件，其数据速率高达390Gbit s⁻¹。这种新型低介电常数设计将TFLN调制器的整体性能提升至前所未有的水平，我们预期该器件在未来的太比特每秒光通信应用中具有巨大的潜力，并能实现节能、低成本和多波长支持。

编后

在光通信迈向太比特每秒的时代，如何实现低电压、宽带、高效率的电光调制器，一直是学术界与工业界共同面临的挑战。超高速薄膜铌酸锂电光调制器研发的背后离不开精准、高效、多物理场协同的设计与仿真。我们相信，本文所提出的新型调制器架构，正是Lumerical与HFSS发挥协同仿真优势的典范场景：

Lumerical负责光学仿真：

• 精准模拟薄膜铌酸锂波导中的光场分布、群折射率与模场匹配。

• 优化波导尺寸与蚀刻参数，实现C波段与O波段的高效传输。

HFSS负责高频电磁仿真：

• 对电容加载行波电极（CL-TWE）进行全波电磁分析。

• 分析电极间隙对光损耗的影响，助力实现超低插入损耗设计。

• 优化电极结构，实现微波与光波的完美速度匹配与阻抗匹配。

• 精准预测微波损耗、有效折射率与S参数，支撑220GHz+的电光带宽设计。

• 分析低介电常数BCB填充层对微波性能的提升效果，验证损耗降低与带宽扩展。

本研究通过光学-电磁协同仿真，实现了从结构设计、参数优化到性能预测的全流程闭环，最终实验验证与仿真结果高度吻合，展现了仿真工具在高端光子器件研发中的不可替代价值。

无论是面向下一代数据中心互连、高速光纤通信，还是量子光电子集成，Lumerical与HFSS将继续为科研与工程团队提供可靠、精准、高效的多物理场仿真平台，助力更多光电融合创新走向现实。

欢迎联系我们，了解更多关于Lumerical与HFSS在光子集成电路、高速光调制器、微波光子等领域的仿真解决方案与应用案例！

参考文献

H. Liu, Y. He, B. Xiong, C. Sun, Z. Hao, L. Wang, J. Wang, Y. Han, H. Li, L. Gan, Y. Luo, Ultrahigh-Efficiency Dual-Band Thin-Film Lithium Niobate Modulator Incorporating Low-k Underfill for 390 Gbit s⁻¹ PAM8 Transmission. Laser Photonics Rev 2025, 19, 2402053. 

https://doi.org/10.1002/lpor.202402053相关阅读

Lumerical案例 | 内置直流偏置电极的薄膜铌酸锂行波调制器

Lumerical | 使用热感知光子电路仿真波分复用收发器

Lumerical | 高效慢光马赫-曾德尔调制器实现0.21V·cm效率且带宽超过110GHz

lumerical | 一种超高效率集成等离子体铌酸锂电光马赫-曾德尔调制器

Ansys 2025 R2 | Ansys光学与光子学仿真新功能介绍——Lumerical