NIR-MX-LN和NIR-MPX-LN调制器加工工艺详解

NIR-MX-LN及NIR-MXP-LN系列介绍

北京波威科技有限公司代理的法国iXblue公司的NIR-MX-LN和NIR-MPX-LN是超宽带的振幅和相位电光调制器，能够传输波长从980到1150nm的光学信号, 带宽高达20GHz。这系列调制器的芯片会被特别筛选，已保证单模传输特性。这款调制器可以使用在许多激光应用领域中：

iXblue调制器是在近红外波段的最佳选择，波长覆盖可从780-1150nm。 我们这里将介绍制造NIR-MX-LN和NIR-MPX-LN调制器的加工工艺及其效果的影响。

调制器外界因素的干扰

基于铌酸锂基底的调制器的性能取决于很多外部参数，例如光功率，温度和电加载过程。这些影响产生的结果分别称为光折变效应(Photo-refractive)，热释电效应(Pyroelectric)，热膨胀和应力效应等。那么我们该如何做，才能降低上述不希望出现的效应呢？

光波导结构的选择，铌酸锂调制器的基底切向：

对于铌酸锂调制器，通常可以采取两种切向的基底。Z切向（电场施加方向），这种调制器通常表征为较低的插入损耗和半波电压V，它的电-光转化的有效性更高。然而，热释电效果很强，导致调制器漂移（调制器传输曲线不稳定），而且一些Z切向的调制器当测试环境变化时（例如温度）非常难以控制。X切向（光波导相对电波导结构对称）提供略微低于Z切向的电光转换效率(稍高的Vpi和插入损耗)。然而，X切向的调制器稳定性更好，漂移被很大的限制，热释电效应非常弱。也就是说，X切向允许得到比Z切向更稳定的性能。

绝大多数iXblue调制器是基于X切向，即使在产品参数手册上，我们的光学或电光参数看起来不如Z切向的好，但是可以保证调制器长时间的稳定工作，插入损耗稳定，减少传输曲线漂移。

Figure 1a : Z切向结构

Figure 1b : X切向结构

光波导加工工艺的选择，光折变效应：

很多的研究已经证明了光折变的影响，其中制造工艺是影响光折变效应的最大因素，两种技术目前被应用：钛扩散(Ti in-Diffusion)和退火质子交换(Annealed Proton Exchange)，这两种工艺是为了在铌酸锂基底上增加波导的折射率。

钛扩散技术最被广泛使用，主要是光通讯领域（O,C,L波段）。事实上，这是一种比较容易实现的加工技术，它在加工过程中可以容易实现较低的光损耗。然而，这种工艺对于短波长（小于1310nm）展现出更多光折变的影响。光波导的折射率随激光功率变化，表征为调制器传输曲线的漂移，消光比的变差和损耗的增加。同时，光折变效应随时间变化，这导致标称的参数不再稳定。

退火质子交换工艺相比钛扩散更难以实现。然后，这是为了实现调制器在近红外波段工作的最佳技术。如下图，退火质子交换工艺的激光阈值要远远高于钛扩散工艺制造出的调制器。当入射激光功率较高时，光折变效应出现时，波导的折射率随时间变化，这将导致调制器不稳定，消光比的变差和光学损耗的增加。

Figure 2 : 插入损耗和消光比的对比，使用两个结构相同的调制器，但是不同的制造工艺。钛扩散调制器参数随时间抖动。左：退火质子交换。右：钛扩散

再一次声明，即使在某些厂商的参数手册上，钛扩散工艺制造出的调制器在近红外波段优于退火质子交换工艺，但是钛扩散工艺的光折变效应会在低激光功率时更早的介入，器件的性能将不再受控。所有iXblue近红外波段的调制器使用退火质子交换工艺，减小光折变的影响，提供更稳定的性能。

所有iXblue近红外调制器都是基于退火质子交换工艺，可以保证调制器长时间的稳定工作。

铌酸锂基底的选择，光折变效应

通过掺杂不同材料的铌酸锂基底，光折变效应还可以进一步减小，例如掺杂氧化镁的铌酸锂基底(MgO-LiNbO3)，掺杂的介质允许在自由载流子的复合过程中限制一些不利因素。退火质子交换工艺，加上MgO-LiNbO3能够提高调制器的激光阈值，降低光折变的影响，这对短波长和高入射功率时尤其重要。

Figure 3 : 使用退火质子交换工艺的NIR-MX800-LN调制器插入损耗随时间的稳定性变化

电光效应， 带宽：

iXblue是光通讯行业超宽带调制器的主要供应商之一，波长通常在O,C和L波段。通过高频电极的特别设计，iXblue开发了在近红外波段1000nm (或NIR-MX800, 780 nm, 850 nm, 930 nm)高达20GHz (或NIR-MX800, 40GHz)的超宽带调制器，这种调制器可用来产生上升沿为皮秒数量级的超短脉冲。 另一方面，这种调制器的阻抗接近50欧姆，降低电子信号的回损，提高电光转换的有效性。

Figure 4a : NIR-MX800-LN-20的S参数

Figure 4b : NIR-MX800-LN-20产生的光学脉冲

消光比：

使用退火质子交换技术制造的光波导在近红外波段还有其他的好处：

 如前面所说，降低光折变影响

 能够实现偏振片功能，滤掉杂散偏振态，提高消光比

iXblue生产最优的芯片，提供消光比大于30dB的调制器

Figure 5a : 传输函数的实测结果，消光比>30 dB

Figure 5b : NIR-MX800和偏压控制一起使用，消光比随时间的变化