單晶鈮酸鋰薄膜上光柵耦合器研究.pdf

1、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，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(SiO2)隔離層之

2、間的高折射率對(duì)比，使得以其為基底制作的各類薄膜光電器件具有更好的限光能力，更小的橫截面尺寸，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

3、膜的厚度在0.5μm左右，而單模光纖的纖芯直徑為8-10μm，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)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

4、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)合來完成光柵圖形的制樣，形成的光柵對(duì)光刻精度的依賴性很大。聚焦離子束刻蝕(Focused ion beam etching，F(xiàn)IB)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

5、焦來實(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通過采集低能的離子感生電子成像，因此在刻蝕過程中可以同時(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)來進(jìn)行各類光柵的制備。
　　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

6、隆大學(xué)的M.Mahmund，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-12dB，-9.5dB和-10dB。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<

7、br>　　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(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400nm，光柵周期為980nm，填充因子為0.

8、5，刻蝕深度為225nm時(shí)，在波長(zhǎng)1550nm處，可獲得約-3.5dB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400nm的LNOI基片上刻蝕了一組波導(dǎo)和光柵。實(shí)驗(yàn)測(cè)得耦合效率為-9.2dB（波長(zhǎng)1550nm處），3dB帶寬為96nm。
　　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LN

9、OI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)LN薄膜的厚度，SiO2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

10、nm，1275nm，928nm，0.5，160nm和100nm時(shí)，在波長(zhǎng)1550nm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)1500-1600nm的傳輸特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，該光柵耦合器的3dB帶寬為72nm，耦合效率為-6.9dB，這個(gè)值要高于同時(shí)期報(bào)道的LNOI上其他光柵的耦合效率測(cè)量值。

11、r>　　3.單晶鈮酸鋰薄膜上非均勻光柵耦合器的研究
　　通過調(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

12、給非均勻光柵耦合器帶來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層的非均勻光柵耦合器，在波長(zhǎng)1550nm處分別獲得了-1.4dB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-6.9d

13、B和-5.5dB，3dB帶寬分別為90nm和84nm。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Si光

14、柵耦合器。第一類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300nm和50nm時(shí)，L

15、NOI上Si光柵耦合器的耦合效率較大，約為-4.3dB。實(shí)驗(yàn)中，通過剝離工藝制備了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)。通過測(cè)試，研究了Si光柵在波長(zhǎng)1420-1580nm的耦合性能，在波長(zhǎng)1500nm，可以獲得-13dB耦合效率。第二類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，稱作LNOI波導(dǎo)上Si加載區(qū)光柵耦合器。模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Si層厚度為320nm，光柵初始周期為840nm，初始填充