铌酸锂集成光子器件的发展与机遇

铌酸锂,作为应用最广泛的非线性光学晶体之一,近十年来由于薄膜铌酸锂晶圆的出现而再次获得了学术界与产业界的关注.基于薄膜铌酸锂的集成光电子器件的优越性能已在诸多应用中得到演示,例如光信息处理、激光雷达、光学频率梳、微波光子学和量子光学等. 2020年,薄膜铌酸锂器件通过光刻技术在6 in(1 in=2.54 cm)晶圆上的成功制备,推动了铌酸锂加工从实验室逐步走向工业化.薄膜铌酸锂光子器件的研究主要聚焦于利用电光、声光和二阶/三阶非线性效应进行光调制或频率转换;最近三年,掺杂稀土离子还成功赋予铌酸锂增益特性,实现了片上铌酸锂放大器和激光器.本文将简略回顾薄膜铌酸锂的发展过程,着眼于集成光子器件,介绍国内外研究组取得的进展、意义以及面临的挑战.     

薄膜铌酸锂集成非线性光学：走向全光信息时代的新路径

光芯片的强大信息处理能力令人期待,而集成光子学是光芯片的基础。铌酸锂号称“光学硅”,是一种综合性能优异的多功能晶体材料。新兴的薄膜铌酸锂解决了传统铌酸锂基光学集成的重大难题,为现有集成光子学器件发展提供了新的爆发点,也为非线性光学的研究和应用提供了良好的平台,有望实现高效的片上全光信息处理。文章将介绍薄膜铌酸锂平台上非线性光学相关的最新重要突破和进展,并简述集成非线性光学如何助推未来光子学革命。     

用于有线电视发射机的铌酸锂外调制器研究

介绍了铌酸锂调制器在1550nm有线电视(CATV)外调制发射机中的功能及其结构,调制器集成了高频相位调制器、模拟强度调制器和无源3dB耦合器在同一芯片上。分析了CATV调制器的关键技术和解决方案,采用了新颖的非平行电极、磨凹芯片背面的结构和阻抗变换方案。设计制作的模拟强度调制器获得了优于±0.5dB平坦的响应和小于-20dB的电反射。基于工艺容差和BPM软件模拟优化设计的3dB耦合器使器件得到大于30 dB的开关消光比。     

基于嵌入填充层的薄膜铌酸锂-氮化硅电光调制器

提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器,由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构,调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO₂,以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了相应的电光调制器,并提出一种倒台阶型薄膜结构,该结构可实现输入、输出波导与调制区波导的高效耦合。对该电光调制器进行行波高速匹配设计,所得器件的半波电压长度积为1.77 V·cm,3 dB调制带宽为140 GHz,且调制区长度仅为5 mm。所提器件结构有望在大带宽薄膜铌酸锂电光调制器设计中发挥优势,助力薄膜铌酸锂光子集成器件的快速发展。     

抛物型折射率包层的铌酸锂单晶光纤

利用镁离子内扩散的方法，实现了铌酸锂单晶光纤具有抛物型折射率包层的波导结构。对扩散层中的镁离子浓度分布进行了理论模拟，理论和实验结果相符合。     

超低损耗铌酸锂光子学

铌酸锂光子集成是推动未来高速光通信和光信息处理领域变革性发展的重要前沿技术.介绍了利用铌酸锂光子芯片制造技术制备集成光路中关键光子结构与器件的最新研究进展.得益于单晶铌酸锂晶体的高非线性系数和强电光效应,利用制备的高性能铌酸锂光子器件演示了多种高效的非线性光学过程.     

掺镁铌酸锂质子交换光波导光学性能的研究

本文用质子交换反应在5mol％MgO:LiNbO_3晶体中引起了e光折射率的增加,晶体中MgO的存在并不影响LiNbO_3质子交换光波导阶跃型折射率分布的特点。用常规的质子交换法制备的MgO:LiNb·O_3波导存在着损耗大和有效折射率不稳定的缺点,经过退火处理后,这些缺点可明显地得到改善。     

铌酸锂集成光路：孕育自主产业链的前沿基础研究

大数据、人工智能、光量子信息等变革性领域对信息处理能力提出了前所未有的要求,而集成光路技术有望实现更快速、更有效、成本更低廉的信息处理器件,由此带来新的自主产业机会。铌酸锂集成光路技术在近年获得迅猛发展,展示了优越的器件性能,已经吸引了产业界的关注。文章将介绍该领域的研究背景以及若干近期的重要突破。     

质子交换铌酸锂多模干涉光功分器的研制

采用退火质子交换工艺在铌酸锂衬底上实现了渐变边界MMI光功分器。测量表明该器件有较好的光均分功能。利用红外光谱技术分析了利用纯苯甲酸质子交换源的退火质子交换波导的红外吸收光谱特性证明通过当地选择质子交换温度、时间和退火的温度与时间，可以实现低损耗质子交换光波导的制作。     

铌酸锂薄膜调制器的研究进展

铌酸锂薄膜调制器具有体积小、带宽高、半波电压低的优点,在光纤通讯和光纤传感领域具有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文梳理了铌酸锂薄膜调制器的波导结构、耦合结构、电极结构的研究进展,总结了LN薄膜波导的制备工艺,并深入分析了不同结构调制器的性能。基于SOI和LNOI结构,薄膜调制器实现了V_πL<2 V·cm,双锥形耦合方案实现了耦合损耗<0.5 dB/facet,行波电极结构实现了调制带宽>100 GHz。铌酸锂薄膜调制器的性能在大多数方面优于目前商用铌酸锂调制器,随着波导工艺进一步提升,将成为铌酸锂调制器的热门方案。最后对铌酸锂薄膜调制器的发展趋势和应用前景进行了展望。     

Characteristic of a broadband Ti:LiNbO3 optical modulator with buried electrodes and etched grooves in the buffer layer

Traveling wave Ti:LiNbO₃ Mach-Zehnder optical modulators with buried electrodes and etched grooves in the SiO₂ buffer layer are analyzed by the finite element method. The tradeoff between the bandwidth BW and the half-wave voltage Vπ is discussed. The value of BW/Vπ is used to weight the total performance of the modulator. Taking a thick buffer layer and etching deep grooves in the buffer layer are demonstrated as two effective methods to improve the performance of the modulator. A 3-dB optical bandwidth of 18 GHz with half-wave voltage 5V at a wavelength of 1.55 pm could be obtained even though the electrode is not very thick. When the requirement of half-wave voltage is not very critical, a bandwidth of more than 100 GHz can be obtained.     

准位相匹配铌酸锂波导倍频特性分析与优化设计

用标量有限元方法计算了周期性极化的铌酸锂光波导中模折射率和模场分布,并在计算中引入铌酸锂晶体折射率与温度变化的关系,分析了准位相匹配铌酸锂波导倍频效率与极化反转光栅周期、基频光波长、波导器件温度等关系.理论分析与实验结果符合得很好.在此基础上,分析了波导制作参数与倍频效率、光栅周期与晶体温度,以及温度带宽与光栅通光方向长度等关系,进而对铌酸锂波导倍频器件进行优化设计. 关键词： 铌酸锂 光波导 准位相匹配 有限元     

Ultra-Broad-Band LiNbO3 Electro-Optic Modulators with Novel Complex Electrode

The characteristics of Z- cut LiNbO3 optical modulators with novel complex electrode are discussed by using the finite element method (FEM) and studied experimentally in this paper. The travelling wave electrode consists of upper and lower parts. It can easily realize phase velocity matching between microwave and optical wave and drastically reduce microwave electrode loss. An electrooptic modulator with larger than 100 GHz bandwidth and half wave voltage 6 V is designed, fabricated and measured. Vπ is 5.1 V and the attenuation coefficient a0 is 0.3 dB/(cm· GHz1/2 ). The experimental results show that the modulator has great potentiality for expanding bandwidth.     

质子交换LiNbO3光波导的特性研究

采用X射线衍射谱法和红外吸收光谱法对质子交换和退火质子交换LiNbO3光波导的特性进行了研究.研究结果表明:在LiNbO3晶体衬底X射线衍射主峰的左侧出现质子交换LiNbO3光波导的伴峰,则质子交换使光波导层Li1-xHxNbO3的晶格常数比衬底的晶格常数稍大,产生垂直于表面的应变,波导经过退火后,伴峰向主峰靠近,应变减少.质子交换波导中的OH-基团的红外吸收光谱在3 500和3 300 cm-1处存在特征峰,波导经过退火后,3 300 cm-1处的特征峰基本消失,而3 500 cm-1处的吸收强度基本不变.实验还表明,OH-在3 500 cm-1处吸收带的积分面积基本与交换时间的开方呈正比例关系.     

掺铒铌酸锂波导放大器增益特性的理论分析

对掺铒铌酸锂（Ｅｒ３＋：ＬｉＮｂＯ３）波导放大器在１４８０ｎｍ泵浦光单向和双向泵浦下的增益特性作了计算机模拟理论分析,采用二能级速率方程,忽略ＥＳＡ的影响,应用数值法得出方程解,优化设计放大器参数     

Cu,Fe掺杂LiNbO_3晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理对Cu,Fe单掺及共掺LiNbO_3晶体的电子结构和光学性质进行了计算.结果显示:Cu,Fe单掺杂LiNbO_3晶体禁带内均产生了杂质能级,主要由Cu3d,Fe3d轨道及O 2p轨道贡献;共掺LiNbO_3晶体禁带内出现了双能级结构,深能级由Cu3d和O2p轨道贡献,浅能级由Fe3d和O2p轨道贡献.Cu,Fe单掺和共掺LiNbO_3晶体带隙依次缩小,在可见光区的光吸收明显增强.共掺LiNbO_3在445和630nm左右分别表现出一个宽吸收峰,比单掺LiNbO_3晶体表现出更好的光吸收性质.研究表明,Fe占Nb位比Fe占Li位的双掺样品在双光存储应用中更有优势;同时,浓度比[Fe2+]/[Fe3+]值的适当降低有助于这种优势的形成.     

Z切LiNbO3晶体中退火质子交换光波导特性的研究

系统地研究Ｚ切ＬｉＮｂＯ３晶体中质子交换波导和退火质子交换波导的特性,得到了质子交换过程中的扩散常数和激活能。发现了质子交换波导的折射率呈线性阶跃型的折射率分布。通过连续退火,波导的折射率分布由线性阶跃型向高斯型过渡。退火可分为两个阶段,波导深度的增加在第一阶段随退火时间成指数关系,第二阶段与退火时间的平方根成线性关系。     

Collinear acoustooptical interaction in annealed proton-exchanged LiNbO_3 waveguides

The performances of the proto-exchanged(PE) LiNbO_3 waveguides as a key ele-ment of acoustooptical deflector or spectrum analyzer were distinctly improved after anneal-ing.In this paper,reasons for the improvement are analysed by applying the theories of modecoupling and multilayer waveguides,so as to provide a theoretical basis for further improve-ment of the performances of the devices.     

1.5μm波段基于级联二阶非线性的铌酸锂光波导全光波长变换的理论分析

研究了基于级联二阶非线性的铌酸锂波导全光波长变换器的特性.首先从耦合模方程出发,比较了数值分析结果与小信号近似分析的结果.其次在数值分析基础上,分析了铌酸锂晶体的温度变化导致相应基频光波波长与极化反转光栅周期的变化关系.最后分析了在不同相互作用长度下,转换的光波功率与有效基频光波波长带宽、温度调谐带宽、极化反转光栅周期带宽等关系,以对全光波长变换器件进行优化设计 关键词： 级联二阶非线性 波长变换 准位相匹配 铌酸锂光波导