單晶鈮酸鋰薄膜上光柵耦合器研究

1、單晶鈮酸鋰薄膜上光柵耦合器研究鈮酸鋰晶體 (LN)是一種多功能光電材料 , 具有很多優(yōu)良的物理性質(zhì) , 如電光、 聲光、光折變、非線性光學(xué)、壓電、介電、鐵電、熱釋電等 , 并且其機(jī)械穩(wěn)定性 好,本征帶寬大 ,波長(zhǎng)透光范圍寬。鈮酸鋰在非線性光學(xué)和集成光學(xué)領(lǐng)域有重要應(yīng) 用。近年來(lái), 基于離子注入和晶圓鍵合技術(shù) , 人們制備了單晶鈮酸鋰薄膜 (Lithium niobate on insulator,LNOI),這種薄膜材料具有可以與晶體材料接近的物理性質(zhì)。并且,由于 LN和二氧化硅(Si02) 隔離層之間的高折射率對(duì)比 ,使得以其為基 底制作的各類(lèi)薄膜光電器件具有更好的限光能力 ,更小的橫截面尺寸

2、 , 能夠?qū)崿F(xiàn) 更高密度的集成。利用 LNOI材料人們制備了一系列性能優(yōu)異的光電器件 , 如頻率轉(zhuǎn)換器、電光 調(diào)制器、二次諧波產(chǎn)生器 , 以及周期性極化的鈮酸鋰 (PPLN)上的倍頻器件等。光 纖與 LNOI器件間的耦合是集成光學(xué)一個(gè)重要的研究方向 , 具有重要應(yīng)用價(jià)值。為 了實(shí)現(xiàn)光纖與 LNOI波導(dǎo)器件的耦合 ,可以有多種耦合方式 , 如端面耦合法和表面 耦合法。一般 LN薄膜的厚度在 0.5 m左右, 而單模光纖的纖芯直徑為 8-10 m,模式不匹配導(dǎo)致光纖與波導(dǎo)間的耦合變得比較困難。通過(guò)應(yīng)用錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、拉錐透鏡光纖結(jié)構(gòu)可以提高端面的模式匹配, 進(jìn)而提高耦合效率。但是端面耦合需要對(duì)波導(dǎo)進(jìn)

3、行端面拋光 , 有時(shí)還需要外接透鏡光 路或?qū)饫w頭進(jìn)行特殊處理 , 這增加了耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性。利用周期性刻蝕的光 柵結(jié)構(gòu), 可以對(duì)衍射場(chǎng)進(jìn)行相位調(diào)制 ,制作光柵耦合器。這種波導(dǎo)光柵耦合器具有 可以加載在 LNOI基片上的任意位置 ,所需光柵尺寸小 ,不需要對(duì) LNOI波導(dǎo)進(jìn)行后 續(xù)端面拋光 , 不需要對(duì)光纖進(jìn)行磨錐等特殊處理的優(yōu)點(diǎn) ,能夠滿足集成光路對(duì)單 芯片上器件集成和測(cè)試的需求。波導(dǎo)光柵耦合器的制備方法有很多 , 如反應(yīng)離子束刻蝕、氬離子刻蝕、感應(yīng) 耦合等離子體刻蝕等。 這些方法都需要與紫外光刻或電子束曝光結(jié)合來(lái)完成光柵 圖形的制樣 , 形成的光柵對(duì)光刻精度的依賴(lài)性很大。聚焦離子束刻蝕 (

4、Focused ion beame tching,FIB) 法是一種微加工技術(shù) , 利用靜電透鏡系統(tǒng)將離子束進(jìn)行聚 焦來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像顯微、微結(jié)構(gòu)刻蝕。 FIB 不需要像其他方式那樣對(duì)樣品進(jìn)行光刻掩 膜, 使用聚焦的離子束可以直接對(duì)樣品進(jìn)行刻蝕。FIB 通過(guò)采集低能的離子感生電子成像 , 因此在刻蝕過(guò)程中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì) 樣品結(jié)構(gòu)的成像、 分析。圖像的分辨率和微加工的精度是由束流強(qiáng)度在樣品上分 布的大小和形狀決定的。本文中應(yīng)用 FIB 技術(shù)來(lái)進(jìn)行各類(lèi)光柵的制備。目前 , 關(guān) 于 LNOI上波導(dǎo)光柵耦合器的研究報(bào)道還較少 , 主要有以下幾個(gè)單位在進(jìn)行。2015年至 2017年, 卡耐基梅隆大學(xué)的 M.M

5、ahmund華, 中電子科技大學(xué)的 M.S.Nisar, 瑞典皇家理工學(xué)院的 M.A.Baghban 等人分別在 LNOI上制備了波導(dǎo)光 柵耦合器 ,實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的耦合效率分別約為 -12 dB,-9.5 dB 和-10 dB 。LNOI 上光柵耦合器的研究還須要更進(jìn)一步 , 以期獲得高效、寬帶、大容差的耦合器。 本文主要是在 LNOI 上設(shè)計(jì)、制備和研究各類(lèi)光柵耦合器。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié) 果如下 :1. 單晶鈮酸鋰薄膜上均勻光柵耦合器的研究應(yīng)用光柵耦合的布拉格條件 , 理論計(jì)算獲得了能夠?qū)崿F(xiàn) LNOI 波導(dǎo)與單模光纖耦合的波導(dǎo)光柵周期。以這個(gè)周期值為一般初始條件 , 利用時(shí)域有限差分算法 (

6、FDTD),對(duì)均勻光柵 耦合器的各個(gè)參數(shù) ,如周期、刻蝕深度、薄膜厚度、隔離層厚度、 光纖入射角度、 光纖位置等進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化 , 研究了這些參數(shù)對(duì)光柵耦合性能的作用機(jī)理。模擬 發(fā)現(xiàn), 這些耦合參數(shù)對(duì) LNOI上光柵的耦合性能存在較大影響。 當(dāng)鈮酸鋰薄膜的厚 度為 400 nm,光柵周期為 980 nm,填充因子為 0.5, 刻蝕深度為 225 nm時(shí), 在波長(zhǎng) 1550 nm處,可獲得約 -3.5 dB 的耦合效率。為了測(cè)量光柵的耦合效率 ,搭建了光 纖-光柵-波導(dǎo)-光柵-光纖耦合測(cè)試系統(tǒng) (光柵耦合測(cè)試系統(tǒng) ), 并應(yīng)用 FIB 刻蝕技 術(shù)在一片厚度為 400 nm的 LNOI基片上刻蝕了

7、一組波導(dǎo)和光柵。實(shí)驗(yàn)測(cè)得耦合效率為 -9.2 dB( 波長(zhǎng) 1550 nm處),3 dB 帶寬為 96 nm。2. 單晶 鈮酸鋰薄膜上含金屬反射層的波導(dǎo)光柵耦合器的研究利用金屬對(duì)光線的反射作 用,在 LNOI上設(shè)計(jì)了含金屬反射層的波導(dǎo)光柵耦合器 (Metal-LNOI) 。研究了 Metal-LNOI 不同切向的光柵耦合器對(duì)參數(shù)的選擇和耦合效率的影響 ,發(fā)現(xiàn) Z切的 Metal-LNOI 上波導(dǎo)光柵耦合器傳輸 TE光時(shí)對(duì)應(yīng)的光柵周期優(yōu)化值較 X切的小 , 刻蝕深度較 X切的大。這與 Z切和 X切薄膜波導(dǎo)中 TE模式有效折射率不同有密 切相關(guān)。在 Z切的 Metal-LNOI 結(jié)構(gòu)上, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)

8、LN薄膜的厚度 ,Si02 隔離層厚度 , 光柵 周期, 填充因子 , 刻蝕深度和 Au層厚度分別為 400 nm,1275 nm,928 nm,0.5,160 nm 和 100 nm 時(shí),在波長(zhǎng) 1550 nm 處, 可獲得約 -1.1dB 的耦合效率。實(shí)驗(yàn)中 , 首先制 備了 Metal-LNOI 基片, 然后在該基片上應(yīng)用 FIB技術(shù)制備了不同長(zhǎng)度的波導(dǎo)和雙 光柵結(jié)構(gòu)。利用光柵耦合測(cè)試系統(tǒng) , 研究了該光柵耦合器在波長(zhǎng) 1500-1600 nm 的傳輸特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得 , 該光柵耦合器的 3 dB 帶寬為 72 nm,耦合效率為 -6.9 dB, 這個(gè)值要高于同時(shí)期報(bào)道的 LNOI 上其他

9、光柵的耦合效率測(cè)量值。3. 單晶鈮酸鋰薄膜上非均勻光柵耦合器的研究通過(guò)調(diào)節(jié)每組光柵周期和填 充因子 , 可以提高光柵的衍射場(chǎng)分布與單模光纖模場(chǎng)分布的匹配度 , 進(jìn)而提高波 導(dǎo)光柵的耦合效率。以此為理論基礎(chǔ) ,在 LNOI基片上設(shè)計(jì)了波導(dǎo)非均勻光柵耦合 器,它由 18個(gè)光柵周期組成。通過(guò)對(duì)前九組光柵周期和填充因子的線性調(diào)節(jié),使光柵衍射向上的模場(chǎng)分布能夠更好的與光纖的高斯模場(chǎng)分布匹配。 對(duì)比研究了波 導(dǎo)均勻光柵和非均勻光柵的耦合容差 , 發(fā)現(xiàn)因周期、刻蝕深度和填充因子偏離給 非均勻光柵耦合器帶來(lái)的耦合效率降低比同樣配置的均勻光柵小 , 但波峰移動(dòng)量 相對(duì)較大。同時(shí),研究了不含金屬反射層和含金屬反射

10、層的非均勻光柵耦合器 , 在波長(zhǎng) 1550 nm處分別獲得了 -1.4 dB 和-0.08dB 的耦合效率。實(shí)驗(yàn)中 , 在厚度分別為 494nm和 480nm的 Z切 LNOI和 Metal-LNOI 樣品上,通過(guò) FIB 刻蝕技術(shù)分別制備 了波導(dǎo)非均勻光柵結(jié)構(gòu)。 測(cè)量發(fā)現(xiàn) , 不含金屬反射層和含金屬反射層的 LNOI波導(dǎo) 非均勻光柵耦合器的耦合效率分別為 -6.9 dB 和-5.5 dB,3 dB 帶寬分別為 90 nm 和 84 nm。這種波導(dǎo)非均勻光柵耦合器制作工藝簡(jiǎn)單 , 不需要額外的光刻或沉積 步驟, 具有一定的應(yīng)用潛力。4. 鈮酸鋰單晶薄膜上 Si 光柵耦合器的研究硅 (Si) 是

11、一種半導(dǎo)體材料 , 具有 優(yōu)秀的電學(xué)特性 ,是集成電路的基礎(chǔ)材料。 如果 LN薄膜能和 Si 薄膜結(jié)合在一起 , 能充分利用 LN材料的光學(xué)優(yōu)勢(shì)和 Si 材料的電學(xué)優(yōu)勢(shì) , 制備出光電結(jié)合的、性能 優(yōu)異的新型集成光電器件。因此 ,在LNOI上設(shè)計(jì)了兩類(lèi) Si 光柵耦合器。第一類(lèi) Si 光柵耦合器是在 LNOI上制作 Si 加載條并在 Si 條上刻蝕光柵 ,稱(chēng)作 Si 加載條 光柵耦合器。模擬優(yōu)化了不同 LN厚度,不同 Si 厚度下光柵耦合器的參數(shù)。 發(fā)現(xiàn)一定的 LN 厚度下,不同的 Si 層厚度對(duì)應(yīng)的耦合效率不同 ,隨著 Si 層厚度的增加 ,優(yōu)化的周 期值變小 ,刻蝕深度增大。一定的 Si 層厚度下 , 優(yōu)化的耦合效率隨著 LN厚度的增 加而逐漸降低。比較三種不同厚度 LN薄膜上 Si 光柵的耦合效率 ,發(fā)現(xiàn)在 LN和 Si 薄膜厚度分別為 300 nm和50 nm時(shí),LNOI 上Si 光柵耦合器的耦合效率較大 ,約為-4.3 dB實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)剝離工藝制備了 Si 加載條 LNOI波導(dǎo),利用FIB在Si 加載條上 刻蝕了光柵結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)試 ,研究了 Si 光柵在波長(zhǎng) 1420-1580 nm 的耦合性能 , 在波長(zhǎng) 1500 nm,可以獲得 -13 dB 耦合效率。第二類(lèi) Si 光柵耦合器是在 LNOI上 附著一小塊區(qū)域、成周期性分布的 Si條,稱(chēng)作 LNOI波導(dǎo)上