单晶铌酸锂薄膜上光栅耦合器研究
基于亚波长光栅辅助定向耦合器的集成铌酸锂偏振分束器
transmission capacity of photonic communication systems. In recent years, PBS has been successfully implemented based on
various structures. Among them, the PBS based on subwavelength grating-assisted directional coupling structure stands out due
heterogeneous integration. Simulation results show that the device achieves a polarization extinction ratio greater than 24. 49 dB
in the wavelength range of 1 500 nm to 1 600 nm. Experimental data further confirms that the polarization extinction ratio of
基金项目:甘肃省自然科学基金重点项目(23JRRA1026) ;甘肃省自然科学基金在站博士后专项项目(23JRRA1126)
作者简介:陈 力(1998—) ,男,浙江省人,硕士研究生。 E-mail:lchen2021@ lzu. edu. cn
通信作者:田永辉,博士,教授。 E-mail:siphoton@ lzu. edu. cn
the device is greater than 18. 06 dB in the wavelength range of 1 500 nm to 1 580 nm.
薄膜铌酸锂 光模块 结构
薄膜铌酸锂光模块结构薄膜铌酸锂光模块是一种基于薄膜铌酸锂材料制备的光学器件。
铌酸锂是一种具有优异光学性能的非线性光学晶体材料，广泛应用于光通信、激光器和光学传感器等领域。
薄膜铌酸锂光模块具有结构简单、体积小、重量轻等优势，逐渐成为光学器件领域的研究热点。
薄膜铌酸锂光模块的结构主要包括铌酸锂薄膜层、波导层和衬底层。
首先，通过离子交换法或溶胶-凝胶法在衬底上制备出铌酸锂薄膜层。
这些方法能够在晶体表面形成具有均匀晶格结构的铌酸锂薄膜，提高了光学器件的性能。
然后，在铌酸锂薄膜层上制备出波导层，常用的方法有离子注入法、物理气相沉积法和分子束外延法等。
这些方法可以在铌酸锂薄膜层中形成具有高折射率的波导结构，实现光信号的传输和耦合。
最后，在波导层上加上一层衬底层，以提高光学器件的稳定性和可靠性。
薄膜铌酸锂光模块的工作原理是基于铌酸锂材料的非线性光学效应。
非线性光学效应是指在外界光场的作用下，材料的光学性质发生变化。
铌酸锂材料具有非线性光学效应，主要包括二次谐波发生、光学参量振荡和自相位调制等。
这些效应可以通过在薄膜铌酸锂光模块中引入适当的波导结构来实现。
当光信号通过薄膜铌酸锂光模块时，会发生光信号的传输、耦合和调制等过程，最终实现光学器件的功能。
薄膜铌酸锂光模块具有许多优点。
首先，薄膜铌酸锂光模块的结构简单，制备工艺相对容易。
其次，由于薄膜铌酸锂材料具有优异的光学性能，薄膜铌酸锂光模块具有较高的光学效率和灵敏度。
此外，薄膜铌酸锂光模块的体积小、重量轻，便于集成和使用。
因此，薄膜铌酸锂光模块在光通信、激光器和光学传感器等领域有着广泛的应用前景。
薄膜铌酸锂光模块是一种基于薄膜铌酸锂材料制备的光学器件，具有结构简单、体积小、重量轻等优势。
薄膜铌酸锂光模块的工作原理是基于铌酸锂材料的非线性光学效应。
薄膜铌酸锂光模块在光通信、激光器和光学传感器等领域有着广泛的应用前景。
未来，随着材料制备技术的不断发展和光学器件需求的增加，薄膜铌酸锂光模块将会得到更广泛的应用和研究。
基于薄膜铌酸锂的光子集成FBG解调系统
基于薄膜铌酸锂的光子集成FBG解调系统目录一、内容简述 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 研究内容与方法 (5)二、理论基础 (6)2.1 薄膜铌酸锂材料特性 (7)2.2 光子集成技术 (8)2.3 FBG解调原理 (9)三、系统设计 (11)3.1 总体架构设计 (12)3.2 光纤布拉格光栅设计 (13)3.3 激光器与探测器选型 (14)3.4 信号处理电路设计 (15)四、系统实现与优化 (16)4.1 制备工艺与封装技术 (18)4.2 系统调试与优化 (19)4.3 性能测试与分析 (20)五、应用前景与展望 (21)5.1 应用领域拓展 (23)5.2 技术创新与突破 (24)5.3 发展趋势与挑战 (25)六、结论 (26)6.1 主要研究成果 (27)6.2 存在问题与不足 (28)6.3 后续工作与展望 (29)一、内容简述本文档深入探讨了一种创新的“基于薄膜铌酸锂的光子集成光纤Bragg光栅（FBG）解调系统”。
该系统巧妙地将薄膜铌酸锂材料的高性能光子特性与先进的FBG技术相结合，旨在实现高精度、高稳定性和低成本的波长解调。
在系统设计上，我们特别强调了集成化、低功耗和易于集成的特点，以满足现代通信应用中对高速、可靠解调方案的需求。
在阐述系统的工作原理时，我们将详细介绍如何利用薄膜铌酸锂材料的优异光波导特性来有效地调制和传输光信号。
通过采用先进的FBG技术，我们实现了对光信号的精确解调，从而确保了解调过程的准确性和可靠性。
我们还对系统中涉及的关键技术和算法进行了详细的讨论和分析，以揭示其背后的科学原理和技术细节。
在实验验证部分，我们通过一系列的实验测试来评估系统的性能指标，包括解调精度、稳定性、响应速度等。
实验结果充分证明了我们的系统在解决光通信系统中波长解调问题方面的有效性和优越性。
我们相信，这种基于薄膜铌酸锂的光子集成FBG解调系统具有广泛的应用前景和市场潜力，将为光通信领域的发展带来新的机遇和挑战。
单晶铌酸锂薄膜的转移制备技术研究
单晶铌酸锂薄膜的转移制备技术研究帅垚;李宏亮;吴传贵;王韬;张万里【摘要】以苯并环丁烯(Benzocyclobutene,BCB)作为键合层,采用离子注入剥离技术制备了Y36切型的单晶铌酸锂薄膜材料.经过对BCB键合层的前烘时间和退火曲线进行系统的研究,克服了由于铌酸锂和BCB之间热膨胀系数不匹配所导致的铌酸锂薄膜开裂问题,获得了高质量的Y36切型单晶铌酸锂薄膜材料.此外,通过在晶圆键合之前预先制备图形化的金属层,获得了带有下电极功能层的单晶铌酸锂薄膜,可应用于薄膜体声波谐振器等具有金属-绝缘层-金属结构的器件.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2019(038)007【总页数】6页(P7-12)【关键词】铌酸锂薄膜;晶圆键合;离子注入剥离技术;BCB【作者】帅垚;李宏亮;吴传贵;王韬;张万里【作者单位】电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都 610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都 610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都 610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TB331当今无线通信技术高速发展，尤其是5G、物联网时代即将到来，射频前端向高频、微型化发展，其中薄膜体声波谐振器(Film bulk acoustic resonator，FBAR)的滤波器扮演着非常重要的角色。
Y36切型的铌酸锂(LiNbO3，LN)具有良好的压电效应，纯纵波振动模式，且机电耦合系数高达0.24[1]，而其他压电材料的机电耦合系数比较小，比如氮化铝为0.065，氧化锌为0.085[2]，所以Y36切型的铌酸锂非常适合制备薄膜体声波谐振器。
然而，目前用于光电器件或者声学器件的LN均是块材的形式，这导致器件体积大，且难以实现硅基微系统集成。
薄膜铌酸锂 脊形光波导 退火研究
薄膜铌酸锂脊形光波导退火研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器的研究
低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器的研究一、材料选择铌酸锂（LiNbO3）是一种具有优异光学和声学性能的晶体材料，因其具有较高的非线性光学系数和较高的声光系数而被广泛研究和应用。
由于铌酸锂具有良好的透明性和稳定性，以及易于制备薄膜的特点，使得铌酸锂成为声光调制器的理想材料。
二、工作原理铌酸锂薄膜光波导声光调制器的工作原理基于光声效应和电光效应。
当光信号从光波导传输到声波传感器时，由于光声效应的作用，光信号会与声波相互作用，进而改变光信号的相位、振幅或频率。
通过施加外加电场，利用电光效应可以调节声波的产生和传播，从而实现对光信号的调制。
三、性能优势1. 低损耗：铌酸锂薄膜具有较低的传输损耗，可实现高效的光波导传输。
2. 高速调制：铌酸锂薄膜具有较高的声光系数，可实现快速的光信号调制。
3. 宽带宽：铌酸锂薄膜具有较宽的工作频率范围，可适应多种光信号调制需求。
4. 高稳定性：铌酸锂薄膜具有良好的光学和电学稳定性，可保证长时间稳定的调制性能。
四、应用前景由于铌酸锂薄膜光波导声光调制器具备低损耗、高速调制、宽带宽和高稳定性等优势，因此在光通信、光传感、光学计算和光学信号处理等领域具有广泛的应用前景。
1. 光通信：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光纤通信系统中的光信号调制，实现高速、高效率的光通信传输。
2. 光传感：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光纤传感系统中的光信号调制，实现高灵敏度的光传感探测。
3. 光学计算：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光学计算系统中的光信号处理，实现高速、低能耗的光学计算功能。
4. 光学信号处理：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光学信号处理系统中的光信号调制和处理，实现高速、高精度的光学信号处理。
低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器具有在光通信、光传感、光学计算和光学信号处理等领域广泛应用的潜力。
随着材料制备技术的不断发展和研究的深入推进，铌酸锂薄膜光波导声光调制器的性能将进一步提升，其应用前景也将更加广阔。
铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计
第47卷第6期2021年6月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.47No.6Jun.2021铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计杨登才1,陈雨康1,王云新2,向美华1,陈智宇3,刘萍萍1,兰 天1(1.北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院,北京 100124;2.北京工业大学理学部物理与光电学院,北京 100124;3.中国电子科技集团第29研究所电子信息控制重点实验室,成都 610036)摘 要:电光调制器的半波电压和带宽主要取决于其电极结构,基于绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator,LNOI)结构调制器波导与基底折射率差为传统工艺的10倍左右,能够大幅提高光场和电场的重叠度,降低调制器的半波电压,提升调制带宽.当前迫切需要针对这一新型调制结构的电极进行优化设计.应用COMSOL Multiphys⁃ic 和HFSS 软件对LNOI 结构的强度调制器进行协同仿真和优化设计.主要讨论了电极宽度㊁电极厚度㊁电极间距和上下包层厚度对调制器特性参数的影响,得到了调制器的电光重叠积分㊁微波折射率㊁微波衰减系数和电极特性阻抗等参数.在此基础上,通过约束算法优化设计这些性能参数达到提高带宽和降低半波电压的目的.结果表明,在电极长度为1cm 的情况下,半波电压约为2.17V,3dB 带宽大于70GHz.该研究工作对基于LNOI 结构的电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.关键词:协同仿真;薄膜铌酸锂;行波电极;相速匹配;重叠积分;电极结构参数中图分类号:TN 252文献标志码:A文章编号:0254-0037(2021)06-0565-08doi :10.11936/bjutxb2020010007收稿日期:2020⁃01⁃08基金项目:国家自然科学基金资助项目(61771438,61871007);装备预研基金资助项目(6141B08231102)作者简介:杨登才(1978 ),男,副研究员,主要从事光电子器件方面的研究,E⁃mail:dengcaiyang@Collaborative Simulation and Optimal Design of LiNbO 3Thin Film ModulatorYANG Dengcai 1,CHEN Yukang 1,WANG Yunxin 2,XIANG Meihua 1,CHEN Zhiyu 3,LIU Pingping 1,LAN Tian 1(1.Institute of Laser Engineering,Faculty of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.College of Physics and Optoelectronics,Faculty of Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;3.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,CETC29,Chengdu 610036,China)Abstract :The half⁃wave voltage and bandwidth of the electro⁃optic modulator depend mainly on its electrode structure.The difference of refractive index between the waveguide and the substrate of the modulator based on the lithium niobate on insulator (LNOI )is about ten times of the traditional technique,which can significantly improve the overlap degree of light field and electric field,reduce the half⁃wave voltage,and improve the bandwidth.Therefore,it is urgent to optimize the electrode design ofthis structure.In this paper,COMSOL Multiphysics and HFSS were used to simulate and optimize the electrode of intensity modulator based on LNOI structure.The effects of electrode width,electrode thickness,electrode gap,upper and lower cladding thickness on the characteristic parameters of the modulator were discussed.Then,the parameters of the modulator,such as electro⁃optic overlap integral,microwave effective refractive index,microwave attenuation coefficient and electrode characteristic impedance,were obtained.On this basis,these performance parameters were optimized to improve北 京 工 业 大 学 学 报2021年bandwidth and reduce half wave voltage.Results show that the half⁃wave voltage reaches2.17V,and the bandwidth of3dB is better than70GHz when the electrode length is1cm.The proposed work has important significance for the electrode design of LNOI⁃based electro⁃optic modulator.Key words:collaborative simulation;lithium niobate thin film;traveling wave electrode;phase velocity matching;electro⁃optic overlap integral;parameters of electrode 铌酸锂(lithium niobate,LN)材料具有电光系数大㊁光谱响应范围宽和加工工艺技术成熟的优点[1⁃2],在光纤通信㊁光纤陀螺等领域得到了广泛应用[2].传统的铌酸锂强度调制器采用质子交换或者钛扩散的方法制备光波导[1⁃5],由于掺杂部分的铌酸锂与无掺杂的铌酸锂衬底折射率差很小,约为0.007,导致光模场直径为9μm左右.为了避免两波导发生模式耦合,通常要求调制电极之间具有较大的间距,这就间接降低了电光作用强度.在1.55μm的工作波长下,传统铌酸锂强度调制器的半波电压与电极长度乘积一般在10V㊃cm以上[4⁃5].近年来,由于铌酸锂薄膜工艺的突破,绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator,LNOI)结构调制器逐渐成为研究热点.LNOI基片的衬底材料为硅或者铌酸锂,衬底上生长了一定厚度的二氧化硅,二氧化硅层表面键合着一层薄薄的铌酸锂单晶薄膜[6].LNOI结构波导主要是通过刻蚀或腐蚀工艺加工铌酸锂薄膜形成脊形波导.脊型波导与二氧化硅包层的折射率差为0.7左右,更大的折射率差能获得尺寸更小的导模,光模场直径约为1μm[7],这样能极大地减小电极间距,增大电光作用效率.目前,国内外报道的基于铌酸锂薄膜的电光调制器,半波电压长度乘积达到了2.2V㊃cm[8⁃10],1cm电极长度下电光调制带宽达到了70GHz以上[11],这些性能参数均大大优于传统铌酸锂调制器.同时,新的衬底结构要求相匹配的电极结构,才能获得更低半波电压并提高调制带宽.然而目前尚未见专门针对LNOI结构的调制电极进行优化设计的相关报道[8,10⁃15].本文基于有限元方法,对基于铌酸锂薄膜强度调制器的电极结构进行了深入分析和优化设计.该研究对LNOI结构的电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.1 电极结构分析马赫增德尔(Mach⁃Zehnder,MZ)强度调制器利用电极施加电压信号来改变调制臂光波相位,两臂干涉后实现输出光强的调制功能.输出光强最大和最小时对应的电压差即为半波电压[16],可表示为Vπ=λg n3eγ33Γl(1)式中:λ为光波长;g为电极间距;n e为e光折射率;γ33为晶体z轴电光系数;l为电极长度;Γ为电光重叠积分因子[10],可以表示为Γ=g V∬E2o(x,y)E(x,y)d x d y∬E2o(x,y)d x d y(2)式中:V为外加电压;E(x,y)为微波场分布;E o(x, y)为光模场分布.频率响应函数H(f)的表达式[17]为H(f)=e-αL[2sin h(2αl)2+sin(2εl)(2αl)22(+εl)2]20.5(3)式中:ε为相速失配因子,ε=2πf(n eff-n o)/c,n eff为介质中微波的有效折射率,统一简称为微波折射率, n eff=cβ/ω,β为相位常数,ω为角频率,c为真空中的光速,n o为铌酸锂介质中光的有效折射率;α为微波衰减系数,包括导体损耗和介质损耗,Np/m.当频率响应函数H(f)等于1/2时,对应的频率范围即为3dB电光调制带宽Δf[17].与集总电极相比,行波电极结构具有调制带宽大的特点,所以本文以行波电极结构为对象进行分析.为了避免微波反射,需要进行阻抗匹配,即行波电极特性阻抗要接近50Ω负载阻抗.行波电极的特性阻抗Z0[18]为Z0=R+jωLG+jωC(4)式中R㊁L㊁G㊁C分别为行波电极的等效电阻㊁电感㊁电导和电容.综上所述,在给定电极长度和电极间距的条件下,调制器的半波电压Vπ主要由电光重叠积分Γ决定;调制带宽Δf主要由介质中的微波折射率n eff 和衰减系数α决定.回波损耗主要由特性阻抗Z0决定.要得到上述调制器特征参数,需要对强度调制器的调制臂建模进行截面分析和频率扫描分析.665 第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计2 模型建立2.1 整体模型为了实现宽带宽调制,调制器的电极通常采用共面波导(coplanar waveguide,CPW)行波电极结构,其建模基于传输线结构.图1(a)显示的是铌酸锂MZ 调制器内部的电极俯视图,可以看到,电极主要分为调制区和过渡连接区,其中调制区决定了器件的半波电压和带宽.调制器的截面模型如图1(b)所示.图中黄色部分代表电极,电极材料为金,中间为信号电极(S),两边为地电极(G),红色部分为二氧化硅,青色部分为铌酸锂薄膜刻蚀后的脊波导结构,橘黄色部分为硅衬底.截面参数主要有:信号电极宽度w㊁电极厚度t㊁电极间距g㊁上包层厚度t u和下包层厚度t d .图1 CPW行波电极结构Fig.1 Structure of CPW traveling wave electrode 2.2 协同仿真流程利用COMSOL集团的COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件和ANSYS公司的HFSS高频电磁场仿真软件进行协同仿真设计,仿真流程如下. 1)从电极截面出发,建好截面模型后,利用COMSOL软件提取CPW行波电极的R㊁L㊁G㊁C分布参数,计算得到微波有效折射率㊁特性阻抗和微波衰减系数;同时进行模式分析得到波导内的光模场分布,进而求得电光重叠积分.2)对电极的厚度t㊁电极宽度w㊁多电极间距g㊁上包层厚度t u和下包层厚度t d进行参数化扫描,优化得到一组综合性能指标最优的电极参数. 3)利用优化得到的电极参数在HFSS中建立三维传输线模型,设置波导端口激励和网格后,进行频率扫描,可以计算得到电极的S参数.该协同仿真模型中,截面二维模型利用COMSOL软件计算,复杂的三维模型利用HFSS软件计算,发挥了各个软件的优势,具有求解速度快㊁节省计算机资源的优点.3 电极优化设计3.1 模型验证在上述建模基础上,完成电极设计,通过实验验证仿真方法的有效性.首先根据文献[10]中的电极参数进行仿真,并将仿真结果(simulation result,SR)和实验结果(experimental results,ER)进行了比较,电场和光模场分布如图2所示,其中左侧颜色栏表示光模场强度,右侧颜色栏表示电场强度㊂实验脊波导参数为:脊顶部宽度1.0μm,脊厚0.3μm,脊下薄膜层厚度0.3μm,倾角75°.可以得到,单模光斑较好地束缚在脊波导里,且波导内的电场作用分布较强.仿真和实验数据对比如表1所示,半波电压与电极长度乘积的实验结果略大于仿真结果,在误差允许范围内;特性阻抗和微波有效折射率的仿真结果和实验结果非常接近,验证了上述方法建模的有效性.图2 电场和光模场分布Fig.2 Distribution of electric field and optical mode field表1 实验结果与仿真结果比较Table1 Comparison of ER and SR参数w/μmt/μmg/μmVπ㊃l/(V㊃cm)Z0/Ωn eff ER130.651.4502.3 SR1.1492.3765北 京 工 业 大 学 学 报2021年 利用该模型进行优化设计.根据经验数据和实际工艺条件[8,10,19⁃20],本文仿真条件设置如下:光波长为1.55μm,微波信号频率设为20GHz,电极宽度的扫描范围为5~30μm,步长为2μm,初始电极宽度为13μm;电极厚度的扫描范围设为0.6~5.0μm,步长为0.4μm,初始电极厚度为1μm;电极间距的扫描范围设为3~10μm,步长为1μm,初始电极间距为5μm;下包层的扫描范围设为1~2μm,步长为0.2μm,初始下包层厚度为1.6μm;上包层的扫描范围设为0~2μm,步长为0.2μm,初始上包层厚度为0.3μm.3.2 电光重叠积分根据式(1)可得,电光重叠积分越大,半波电压越小.分析不同电极间距下,电光重叠积分的变化情况.将式(1)做如下变换Vπ=λg n3eγ33ΓL =λn3eγ33L1Γ/g(5)式中Γ/g为重叠积分与电极间距之比.由式(5)可以得到,半波电压随Γ/g的增大而减小.设置电极宽度㊁电极厚度㊁下包层厚度和上包层厚度参数为初始值,对电极间距进行扫描,得到Γ/g随电极间距的变化,仿真结果如图3(a)所示.可以看出,电极间距越小,Γ/g越大,表明电极间距减小,模场处的电场强度增强,而电极宽度的变化不会引起电极间电场的变化.此外,电极厚度和上㊁下包层厚度对电极间电场分布均有一定的影响.不同下包层厚度下,电光重叠积分随电极厚度的变化如图3(b)所示.仿真时设置电极宽度㊁电极间距和上包层厚度为初始值,不同下包层厚度下对电极厚度进行扫描.当下包层厚度为定值时,随着电极厚度的增大,电光重叠积分快速增大,电极厚度从0.6μm增加到3.0μm时,重叠积分增幅为8.6%,当电极厚度大于3.0μm之后,曲线趋于平缓,变化小于0.1%,即模场处快速增大的电场此后基本趋于稳定,电极厚度最优取值不低于3.0μm,以得到较大的重叠积分;当给定电极厚度,下包层厚度从1.0μm增加到2.0μm的过程中,电光重叠积分逐渐增大,增幅约为3.4%.设置电极宽度㊁电极间距㊁电极厚度和t d参数为初始值,对t u进行扫描,分析电光重叠积分随上包层厚度的变化关系时,得到的变化曲线如图3(c)所示㊂没有覆盖上包层(t u=0)时,电光重叠积分处于最小值1.13;当覆盖上包层,并逐渐增加t u,但不超过电极厚度1.0μm时,电极间分布的电场得到了一定的束缚,局部电场增大,电光重叠积分迅速提高图3 电极参数对电光重叠积分的影响Fig.3 Influence of electrode parameters onelectro⁃optic overlap integration了3.5%.当t u大于电极厚度1.0μm时,电极间的电场束缚不再增强甚至开始减弱,所以电光重叠积分略有减小的趋势.因此,t u应不超过电极厚度.3.3 微波折射率根据前面的分析可知,调制带宽主要与相速失配和微波衰减有关,相速失配越小,带宽越大.相速失配的原因是铌酸锂波导中的微波折射率接近光波折射率的2倍,需要通过改变电极结构参数来降低微波折射率.微波折射率可表示为n eff=εeff,εeff 为介质的有效介电常数,所以改变微波折射率的方法主要是通过改变电极附近低介电常数材料的结构865 第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计或面积,来达到改变有效介电常数的目的.首先,对电极宽度和电极间距进行扫描,得到不同电极间距下,微波折射率随电极宽度的变化如图4(a)所示.随着电极宽度的增加,微波折射率逐图4 电极参数对微波折射率的影响Fig.4 Influence of electrode parameters onmicrowave refractive index渐增大,当电极间距为7μm 时,电极宽度从10μm 增加到30μm 的过程中,微波折射率增幅最大为2.2%,另外电极间距从3μm 增加到6μm 的过程中,微波折射率逐渐减小,不同电极宽度下的减少幅度在3.0%~4.6%变化,电极间距大于6μm 之后微波折射率趋于不变.因此缩小电极宽度和增大电极间距,有利于降低微波折射率,而且增大电极间距的效果更为显著.此外,上下包层厚度和电极厚度的改变也会影响有效介电常数进而影响微波折射率.电极厚度和下包层厚度对微波折射率的影响如图4(b)所示,在仿真扫描范围内电极和下包层越厚,微波折射率越低,在电极厚度从0.6μm 增加到5.0μm 时,微波折射率降低了9.4%左右,下包层厚度从1.0μm 增加到2.0μm 时,微波折射率降低了5.4%左右.上包层厚度对微波折射率的影响如图4(c)所示.微波折射率随着上包层厚度的增加而增加,厚度从0增加到2.0μm 时,微波折射率增加了6.8%.因此,增加电极厚度和下包层厚度,减小上包层厚度,有助于降低微波折射率.3.4 微波衰减系数影响带宽的另一因素是电极的微波衰减系数,衰减系数越小,带宽越大.衰减系数由导体损耗和介质损耗共同决定.导体损耗源于导线阻抗对电流的消耗,由于射频信号的趋肤效应,导致电流损耗变大;介质损耗源于介质的极化,交流电场使介质中电偶极子极化方向不断变化,消耗能量.首先分析电极宽度和电极间距对衰减系数的影响.不同电极间距下,衰减系数随电极宽度的变化如图5(a)所示.电极宽度增大时,电极截面变大,阻抗减小,导体损耗也将减小,而介质损耗近似不变,所以衰减系数减小,当电极间距增大时,局部电场减弱,介质极化变弱,介质损耗将减小,而导体损耗近似不变,所以衰减系数也减小,这与图中曲线的变化趋势十分契合.因此增大电极宽度和电极间距有助于减小微波衰减.其次分析电极厚度的变化与电极宽度的变化类似,随着电极的加厚,电极截面变大,导体损耗减小,而介质损耗不变,所以衰减系数将减小,如图5(b)所示.从图中还注意到电极厚度大于3倍趋肤深度(1.65μm)时,剧烈下降的衰减系数开始趋于平缓;另外下包层厚度增大时,介质损耗稍有降低,衰减系数略有减小.所以增大电极厚度和下包层厚度有利于降低微波衰减.最后分析衰减系数随上包层厚度的变化,如图5(c)所示.随着上包层厚度的增加,电极间电场强度变大,介电损耗将增大,所以衰减系数也有所增加.因此上包层越薄,衰减系数越小,仿真扫描范围内变化幅度小于6.5%.3.5 特性阻抗行波电极的特性阻抗与负载阻抗不匹配,即阻抗失配,会引起回波损耗.阻抗失配越小,即特性阻抗越接近负载阻抗,回波损耗越小.965北 京 工 业 大 学 学 报2021年图5 电极参数对衰减系数的影响Fig.5 Influence of electrode parameters onattenuation coefficient首先分析不同电极间距下,特性阻抗随电极宽度的变化.根据前面的分析,电极宽度越宽,电极截面越大,所以特性阻抗将减小.电极间距越大,高频电信号与地电极的距离变大,所以特性阻抗将变大,仿真结果如图6(a)所示.其次分析不同下包层厚度下特性阻抗随电极厚度的变化,如图6(b)所示.随着电极厚度的增加,电极截面变大,特性阻抗迅速减小.下包层厚度增大,阻抗略有增加.因此减小电极宽度,增大电极间距,减小电极厚度以及增大下包层厚度,有助于增大特性阻抗.最后分析上包层厚度对特性阻抗的影响,如图6(c)所示.随着上包层的增厚,特性阻抗逐渐减小.因此减小上包层的厚度有利于增大特性阻抗,从图6 电极参数对特性阻抗的影响Fig.6 Influence of electrode parameters oncharacteristic impedance2.0μm厚度减小到0μm,特性阻抗增大了6.2%.3.6 优化分析电极宽度㊁电极间距㊁电极厚度和上下包层厚度对各电极性能参数的影响十分复杂,无法同时达到最优值,所以它们的取值应该综合考虑.这里采用软件内置的多变量约束优化算法,把电极宽度㊁电极间距和电极厚度作为自变量,半波电压㊁微波有效折射率㊁微波衰减系数和特性阻抗作为因变量,暂时不覆盖上包层,首先设置下包层厚度为2.0μm,在一定范围内随机改变自变量的值使得半波电压㊁微波衰减系数趋近最小值,微波有效折射率和特性阻抗分别趋近光模式有效折射率1.876和匹配阻抗50Ω,经过数次迭代,得到了一组优化解,电极宽度㊁电极间距和电极厚075 第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计度分别为6.0㊁6.0㊁6.0μm,此时计算得到20GHz 下微波折射率为1.842,特性阻抗为46.6Ω,半波电压为2.61V,当覆盖厚度为0.4μm 的上包层时,模型分析得到光模式有效折射率为1.895,微波有效折射率为1.864,特性阻抗为46Ω,相速匹配和阻抗匹配均良好,半波电压为2.45V,降低了0.16V .由于下包层的增厚对各表征参数均有利,因此接下来将下包层厚度设置为4.6μm,重复优化求解步骤,得到新的一组优化解,电极宽度㊁电极厚度㊁电极间距参数分别为13.3㊁2.2㊁5.3μm,在20GHz 下微波折射率为1.950,特性阻抗为49.2Ω,半波电压降为2.35V,当覆盖厚度为0.4μm 的上包层时,微波有效折射率为1.975,特性阻抗为48.8Ω,半波电压为2.17V,这表明在下包层厚度增加后,器件阻抗得到了更好的匹配,半波电压也得到了进一步降低.LNOI 结构电光调制器的调制波导可以采用干法或湿法刻蚀工艺,在LNOI 衬底上刻蚀出脊型波导,目前哈佛大学㊁山东大学㊁中山大学等多个研究机构已经进行了深入的研究和探索[7,10⁃11],并成功实现了铌酸锂薄膜波导的刻蚀.然后,通过蒸镀一定厚度的金电极实现调制电极的制备.蒸镀电极之前,在铌酸锂表面溅射一层几纳米的金属铬膜,用于增加金电极的黏附性,而这层铬膜对电极性能的影响很小,因此,分析时常忽略不计.最后,溅射一层二氧化硅作为脊波导的上包层,降低脊波导表面粗糙度带来的损耗.接下来对4.6μm 下包层厚度下选定的参数建立片上行波电极模型,进行频率扫描分析.图7 行波电极的频率响应曲线Fig.7 Frequency response curve of traveling⁃wave electrode4 高频特性分析利用优化得到的电极参数在HFSS 软件中建立三维CPW 传输线模型,电极长度设为1cm,对其进行频率扫描,扫描范围为0.1~75.0GHz,步长0.1GHz .扫描得到电光S21(EO⁃S21)和电极回波损耗S11(E⁃S11)的频率响应曲线如图7所示.可以看出,3dB 调制带宽大于70GHz,高频条件下的回波损耗整体低于-20dB .5 结论1)仿真分析表明,脊上覆盖的上包层能够有效增大电光重叠积分,上包层越厚,电光重叠积分越大,当t u 超过电极厚度时,重叠积分变化趋缓.然而,上包层的加厚会降低阻抗,增大微波折射率和微波损耗,不利于阻抗匹配和相速匹配,但是能够降低半波电压.因此,需要权衡考虑脊上覆盖的上包层的参数设计,兼顾半波电压㊁带宽等性能.2)随着t d 的增加,电光重叠积分和特性阻抗均增大,微波折射率和微波损耗均减小,既有利于降低半波电压和电极回波损耗,又能增大带宽,所以应在工艺允许范围内尽可能增加t d .3)优化得到了一组电极参数,当电极长度为1cm 时,器件半波电压为2.17V,3dB 带宽大于70GHz,回波损耗在高频条件下整体低于-20dB,达到了较好的优化设计结果.由于目前还没有针对这种新结构的电极分析的报道,因此本文的研究对基于LNOI 结构电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.参考文献:[1]NOGUCHI K,MITOMI O,MIYAZAWA limeter⁃wave Ti:LiNbO 3optical modulators [J ].Journal of Lightwave Technology,1998,16(4):615⁃619.[2]WOOTEN E L,KISSA K M,YI⁃YAN A,et al.A reviewoflithiumniobatemodulatorsforfiber⁃opticcommunications systems [J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2000,6(1):69⁃82.[3]JANNER D,TULLI D,GARCÍA⁃GRANDA M,et al.Micro⁃structured integrated electro⁃optic LiNbO 3modulators [J].Laser &Photonics Reviews,2010,3(3):301⁃313.[4]LUO R,JIANG H,ROGERS S,et al.On⁃chip second⁃harmonic generation and broadband parametric down⁃conversion in a lithium niobate microresonator [J].Optics Express,2017,25(20):24531⁃24539.[5]NIKOGOSYAN D N.Nonlinear optical crystals:acomplete survey [M ].New York:Springer⁃Science,2005:5⁃74.[6]POBERAJ G,HU H,SOHLER W,et al.Lithium niobate on insulator (LNOI)for micro⁃photonic devices[J].Laser &Photonics 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薄膜铌酸锂铌奥光电
薄膜铌酸锂铌奥光电铌酸锂铌奥光电（LNO）是一种具有特殊光学性质的薄膜材料。
它由铌酸锂（LiNbO3）和铌酸锂（LiNbO3）复合而成，具有独特的光学和电学性能，被广泛应用于光学通信、光学传感、光学计算和光学储存等领域。
铌酸锂铌奥光电具有优良的光学性能，其中最重要的特性之一是其非线性光学效应。
这种效应使得铌酸锂铌奥光电在光学调制器、光学开关和光学调频器等光学器件中具有重要的应用。
铌酸锂铌奥光电的非线性光学效应主要包括二次非线性光学效应和电光效应。
二次非线性光学效应使得铌酸锂铌奥光电能够实现频率倍增、频率混频和光学参量放大等功能，而电光效应使得铌酸锂铌奥光电能够实现光学调制、光学开关和光学调频等功能。
除了非线性光学效应，铌酸锂铌奥光电还具有优异的光电性能。
它具有较高的光学吸收系数、较低的光学损耗和较高的光电响应速度，使得它在光电探测器、光电开关和光电调制器等光电器件中具有广泛的应用。
此外，铌酸锂铌奥光电还具有优异的光学稳定性和热稳定性，能够在高温和高功率的工作环境下稳定工作。
薄膜铌酸锂铌奥光电是一种将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜形式的技术。
通过薄膜制备技术，可以将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜材料，从而实现对其光学和电学性能的优化和控制。
薄膜铌酸锂铌奥光电具有较高的薄膜质量和较大的薄膜面积，能够实现更高的光学和电学性能。
因此，薄膜铌酸锂铌奥光电在光学器件中具有更广泛的应用。
薄膜铌酸锂铌奥光电的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法沉积等。
物理气相沉积是将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜的常用方法，它通过蒸发源蒸发铌酸锂铌奥光电材料，使其在基底上沉积成薄膜。
化学气相沉积是一种将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜的新方法，它通过在气相中使铌酸锂铌奥光电材料发生化学反应，从而使其在基底上沉积成薄膜。
溶液法沉积是一种将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜的简便方法，它通过将铌酸锂铌奥光电材料溶解在溶液中，然后将溶液倒在基底上，使其在基底上沉积成薄膜。
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单晶铌酸锂薄膜上光栅耦合器研究
铌酸锂晶体(LN)是一种多功能光电材料,具有很多优良的物理性质,如电光、
声光、光折变、非线性光学、压电、介电、铁电、热释电等,并且其机械稳定性
好,本征带宽大,波长透光范围宽。铌酸锂在非线性光学和集成光学领域有重要应
用。近年来,基于离子注入和晶圆键合技术,人们制备了单晶铌酸锂薄膜(Lithium
niobate on insulator,LNOI),这种薄膜材料具有可以与晶体材料接近的物理性
质。并且,由于LN和二氧化硅(Si02)隔离层之间的高折射率对比,使得以其为基
底制作的各类薄膜光电器件具有更好的限光能力,更小的横截面尺寸,能够实现
更高密度的集成。
利用LNOI材料人们制备了一系列性能优异的光电器件,如频率转换器、电光
调制器、二次谐波产生器,以及周期性极化的铌酸锂(PPLN)上的倍频器件等。光
纤与LNOI器件间的耦合是集成光学一个重要的研究方向,具有重要应用价值。为
了实现光纤与LNOI波导器件的耦合,可以有多种耦合方式,如端面耦合法和表面
耦合法。一般LN薄膜的厚度在0.5 μm左右,而单模光纤的纤芯直径为8-10μ
m,模式不匹配导致光纤与波导间的耦合变得比较困难。
通过应用锥形波导结构、拉锥透镜光纤结构可以提高端面的模式匹配,进而
提高耦合效率。但是端面耦合需要对波导进行端面抛光,有时还需要外接透镜光
路或对光纤头进行特殊处理,这增加了耦合系统的复杂性。利用周期性刻蚀的光
栅结构,可以对衍射场进行相位调制,制作光栅耦合器。这种波导光栅耦合器具有
可以加载在LNOI基片上的任意位置,所需光栅尺寸小,不需要对LNOI波导进行后
续端面抛光,不需要对光纤进行磨锥等特殊处理的优点,能够满足集成光路对单
芯片上器件集成和测试的需求。
波导光栅耦合器的制备方法有很多,如反应离子束刻蚀、氩离子刻蚀、感应
耦合等离子体刻蚀等。这些方法都需要与紫外光刻或电子束曝光结合来完成光栅
图形的制样,形成的光栅对光刻精度的依赖性很大。聚焦离子束刻蚀(Focused
ion beam etching,FIB)法是一种微加工技术,利用静电透镜系统将离子束进行聚
焦来实现图像显微、微结构刻蚀。FIB不需要像其他方式那样对样品进行光刻掩
膜,使用聚焦的离子束可以直接对样品进行刻蚀。
FIB通过采集低能的离子感生电子成像,因此在刻蚀过程中可以同时实现对
样品结构的成像、分析。图像的分辨率和微加工的精度是由束流强度在样品上分
布的大小和形状决定的。本文中应用FIB技术来进行各类光栅的制备。目前,关
于LNOI上波导光栅耦合器的研究报道还较少,主要有以下几个单位在进行。
2015年至2017年,卡耐基梅隆大学的M.Mahmund,华中电子科技大学的
M.S.Nisar,瑞典皇家理工学院的M.A.Baghban等人分别在LNOI上制备了波导光
栅耦合器,实验测量获得的耦合效率分别约为-12 dB,-9.5 dB和-10 dB。LNOI
上光栅耦合器的研究还须要更进一步,以期获得高效、宽带、大容差的耦合器。
本文主要是在LNOI上设计、制备和研究各类光栅耦合器。主要的研究内容和结
果如下:1.单晶铌酸锂薄膜上均匀光栅耦合器的研究应用光栅耦合的布拉格条件,
理论计算获得了能够实现LNOI波导与单模光纤耦合的波导光栅周期。
以这个周期值为一般初始条件,利用时域有限差分算法(FDTD),对均匀光栅
耦合器的各个参数,如周期、刻蚀深度、薄膜厚度、隔离层厚度、光纤入射角度、
光纤位置等进行了系统优化,研究了这些参数对光栅耦合性能的作用机理。模拟
发现,这些耦合参数对LNOI上光栅的耦合性能存在较大影响。当铌酸锂薄膜的厚
度为400 nm,光栅周期为980 nm,填充因子为0.5,刻蚀深度为225 nm时,在波长
1550 nm处,可获得约-3.5 dB的耦合效率。为了测量光栅的耦合效率,搭建了光
纤-光栅-波导-光栅-光纤耦合测试系统(光栅耦合测试系统),并应用FIB刻蚀技
术在一片厚度为400 nm的LNOI基片上刻蚀了一组波导和光栅。
实验测得耦合效率为-9.2 dB(波长1550 nm处),3 dB带宽为96 nm。2.单晶
铌酸锂薄膜上含金属反射层的波导光栅耦合器的研究利用金属对光线的反射作
用,在LNOI上设计了含金属反射层的波导光栅耦合器(Metal-LNOI)。研究了
Metal-LNOI不同切向的光栅耦合器对参数的选择和耦合效率的影响,发现Z切的
Metal-LNOI上波导光栅耦合器传输TE光时对应的光栅周期优化值较X切的小,
刻蚀深度较X切的大。这与Z切和X切薄膜波导中TE模式有效折射率不同有密
切相关。
在Z切的Metal-LNOI结构上,发现当LN薄膜的厚度,Si02隔离层厚度,光栅
周期,填充因子,刻蚀深度和Au层厚度分别为400 nm,1275 nm,928 nm,0.5,160 nm
和 100 nm时,在波长 1550 nm处,可获得约-1.1dB的耦合效率。实验中,首先制
备了Metal-LNOI基片,然后在该基片上应用FIB技术制备了不同长度的波导和双
光栅结构。利用光栅耦合测试系统,研究了该光栅耦合器在波长1500-1600 nm
的传输特性。实验测得,该光栅耦合器的3 dB带宽为72 nm,耦合效率为-6.9 dB,
这个值要高于同时期报道的LNOI上其他光栅的耦合效率测量值。
3.单晶铌酸锂薄膜上非均匀光栅耦合器的研究通过调节每组光栅周期和填
充因子,可以提高光栅的衍射场分布与单模光纤模场分布的匹配度,进而提高波
导光栅的耦合效率。以此为理论基础,在LNOI基片上设计了波导非均匀光栅耦合
器,它由18个光栅周期组成。通过对前九组光栅周期和填充因子的线性调节,使
光栅衍射向上的模场分布能够更好的与光纤的高斯模场分布匹配。对比研究了波
导均匀光栅和非均匀光栅的耦合容差,发现因周期、刻蚀深度和填充因子偏离给
非均匀光栅耦合器带来的耦合效率降低比同样配置的均匀光栅小,但波峰移动量
相对较大。
同时,研究了不含金属反射层和含金属反射层的非均匀光栅耦合器,在波长
1550 nm处分别获得了-1.4 dB和-0.08dB的耦合效率。实验中,在厚度分别为
494nm和480nm的Z切LNOI和Metal-LNOI样品上,通过FIB刻蚀技术分别制备
了波导非均匀光栅结构。测量发现,不含金属反射层和含金属反射层的LNOI波导
非均匀光栅耦合器的耦合效率分别为-6.9 dB和-5.5 dB,3 dB带宽分别为90 nm
和84 nm。这种波导非均匀光栅耦合器制作工艺简单,不需要额外的光刻或沉积
步骤,具有一定的应用潜力。
4.铌酸锂单晶薄膜上Si光栅耦合器的研究硅(Si)是一种半导体材料,具有
优秀的电学特性,是集成电路的基础材料。如果LN薄膜能和Si薄膜结合在一起,
能充分利用LN材料的光学优势和Si材料的电学优势,制备出光电结合的、性能
优异的新型集成光电器件。因此,在LNOI上设计了两类Si光栅耦合器。第一类
Si光栅耦合器是在LNOI上制作Si加载条并在Si条上刻蚀光栅,称作Si加载条
光栅耦合器。
模拟优化了不同LN厚度,不同Si厚度下光栅耦合器的参数。发现一定的LN
厚度下,不同的Si层厚度对应的耦合效率不同,随着Si层厚度的增加,优化的周
期值变小,刻蚀深度增大。一定的Si层厚度下,优化的耦合效率随着LN厚度的增
加而逐渐降低。比较三种不同厚度LN薄膜上Si光栅的耦合效率,发现在LN和
Si薄膜厚度分别为300 nm和50 nm时,LNOI上Si光栅耦合器的耦合效率较大,
约为-4.3 dB。
实验中,通过剥离工艺制备了 Si加载条LNOI波导,利用FIB在Si加载条上
刻蚀了光栅结构。通过测试,研究了Si光栅在波长1420-1580 nm的耦合性能,
在波长1500 nm,可以获得-13 dB耦合效率。第二类Si光栅耦合器是在LNOI上
附着一小块区域、成周期性分布的Si条,称作LNOI波导上Si加载区光栅耦合器。
模拟发现,当Si层厚度为320 nm,光栅初始周期为840 nm,初始填充因子为0.24,
周期增量为0.01 μm,填充因子增量为0.04,附着的Si区域面积为12×18 μm2
时,可以获得-1.6 dB的耦合效率。
单晶铌酸锂薄膜上Si光栅耦合器的实现,表明能够在LNOI上沉积Si并仅对
硅进行刻蚀来制备各种集成光学器件。