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。     

铌酸锂薄膜上的非线性频率变换

铌酸锂晶体是一种综合性质优异的多功能光学材料.在过去几十年里,对铌酸锂晶体的研究一直是光学研究的热点之一.近年来发展起来的绝缘体上铌酸锂(LNOI),亦称为铌酸锂薄膜(LNTF),在光学领域被公认为是一项变革性技术.基于LNOI的集成光子器件让铌酸锂晶体又焕发了新生命,再次成为集成光子学的研究焦点.作为最优秀的非线性晶...     

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.     

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。     

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。     

小型铌酸锂多功能集成光学器件

为满足小型光纤陀螺对光学器件小体积的要求,对铌酸锂多功能集成光学小型化器件的结构做了分析和优化设计。采用BPM软件分析了Y形分支波导的S形波导损耗与弯曲长度及折射率差的关系。通过调整退火质子交换的工艺参数,增加了波导对光的束缚能力;降低了小型化芯片上S形波导的弯曲损耗;去掉了原有Y形波导的输出端直波导,直接由S形弯曲波导引至输出端,在更短的芯片上得到了更长的弯曲过渡区。设计制作的芯片长度由常规的20 mm减至12.5 mm,封装后的器件长度减小到20 mm,为目前同类常规器件尺寸的2/3。设计制作的器件插入损耗典型值小于2.5 dB,全温损耗变化量小于0.2 dB。     

掺镁铌酸锂晶体结构的研究

通过LiNbO₃：MgO(6.7 mol/kg)晶体在常温和低温下的喇曼光谱分析,研究了掺Mg²⁺后晶体结构的变化情况．研究结果表明,常温下晶格略有畸变,个别的散射峰有耦合现象存在,随温度降低,耦合逐渐减少,但掺Mg²⁺后晶格基本结构并无变化. 关键词：     

铌酸锂薄膜器件脊形波导和光纤耦合特性研究

铌酸锂薄膜因其优异光学性能及容易与结构紧凑的光波导等器件相集成等诸多优势,目前已经成为可调谐Fabry-Perot滤波器、电光调制器等器件领域向集成化和微小型化趋势发展的首选光学材料。由于光波导和光纤的尺寸差异而引起了严重的模场失配使得光纤与光波导耦合时存在着较大的插入损耗问题。仿真分析了超高数值孔径光纤和脊形波导直接耦合时,其光场模式分布、折射率、耦合效率和耦合损耗等关键性能的相互影响。结果表明当刻蚀深度和宽度分别为300 nm和0.8μm时,铌酸锂脊型波导与单模光纤（UHNA7）的耦合效率可达33.8%,而耦合损耗为4.71 dB。仿真比较了上包层材料替换为二氧化硅和氮化硅材料时,脊型波导和单模光纤的耦合效率显著增加到63.4%而耦合损耗被降低到1.98 dB。     

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。     

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。     

基于周期性极化铌酸锂倍频的光学电压传感方法

从光学电压传感器的原理出发,在周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体倍频(SHG)效应基础上,提出了一种新的光学电压传感方法,讨论了周期性极化铌酸锂不同长度、不同占空比对该电压传感性能的影响,并给出了图示。结果表明：当周期性极化铌酸锂长度一定,在占空比为0．3或0．7时,灵敏度最高;在占空比趋于0．5,但不等于0．5时,电压测量范围最大;长度增加,灵敏度提高,但测量范围变小。这些结果为制作此类传感器提供了可靠的理论依据。     

非线性光学晶体铌酸钾锂的二次谐波产生

研究铌酸钾锂晶体的近经这过光谱：利用铌酸钾锂晶体对８９０￣９６０ｎｍ的Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ近红外激光进行倍频,获得蓝得蓝绿光输出;研究了晶体的倍频特性,探讨了提高晶体倍频效率的方法。     

锂铌比对铪铁铌酸锂晶体全息存储性能的影响

以掺杂4mol%Hf4+的LiNbO3:Fe:Hf系列晶体([Li]/[Nb]比变化)为研究对象,研究了系列晶体的可见吸收光谱,在632.8nm的写入光下晶体的衍射效率、灵敏度和抗光散射能力在不同[Li]/[Nb]下的变化规律.研究发现Hf4+的浓度达到阈值浓度后,随着[Li]/[Nb]比的增大,晶体的可见吸收边会发生红移,而且晶格中[Fe2+]/[Fe3+]也会增加,这就导致随着[Li]/[Nb]比的增加,样品的衍射效率逐渐减小,写入时间缩短,灵敏度增大.同时,在晶体中,随着[Li]/[Nb]的增大,陷阱中心Fe2Li+数量增大会使得晶体抗光散射能力减弱.     

锂铌比对铪铁铌酸锂晶体全息存储性能的影响

以掺杂4 mol%Hf⁴⁺的LiNbO₃:Fe:Hf系列晶体（[Li]/[Nb]比变化）为研究对象,研究了系列晶体的可见吸收光谱,在632.8nm的写入光下晶体的衍射效率、灵敏度和抗光散射能力在不同[Li]/[Nb]下的变化规律.研究发现Hf⁴⁺的浓度达到阈值浓度后,随着[Li]/[Nb]比的增大,晶体的可见吸收边会发生红移,而且晶格中[Fe²⁺]/[Fe³⁺]也会增加,这就导致随着[Li]/[Nb]比的增加,样品的衍射效率逐渐减小,写入时间缩短,灵敏度增大.同时,在晶体中,随着[Li]/[Nb]的增大,陷阱中心Fe²⁺Li数量增大会使得晶体抗光散射能力减弱.     

Ⅰ型准相位匹配周期性极化铌酸锂倍频蓝光输出

在周期为14．5μm的周期性极化铌酸锂中,利用d31得到了一阶Ⅰ型EY^ωEY^ω-Ez^2ω(oo-e)准相位匹配蓝光二次谐波。在150C下,由114μJ抽运光,得到了52μJ,0．473μm倍频蓝光,对应于平均最大转换效率45．6%。制备了一阶和三阶周期分别为4．5μm和13．5μm的周期性极化铌酸锂。在EY^ωEY^ω-Ez^2ω(ee-e)准相位匹配0．473μm蓝光倍频中。150C下,分别得到了41．3%和19%的倍频转换效率。oo-e准相位匹配比传统的ee-e准相位匹配有较大的光栅周期,尤其在短波长区域倍频输出应用中,降低了周期性结构制作的困难,其较大的容许带宽在实验中提高了频率转换效率。实验结果表明了在周期性极化铌酸锂中准相位匹配倍频的偏振相关性。     

I型准相位匹配周期性极化铌酸锂倍频蓝光输出

在周期为 14 .5 μm的周期性极化铌酸锂中 ,利用d3 1,得到了一阶I型EωYEωY-E2ωZ (oo-e)准相位匹配蓝光二次谐波。在 15 0℃下 ,由 114 μJ抽运光 ,得到了 5 2 μJ ,0 .4 73μm倍频蓝光 ,对应于平均最大转换效率 4 5 .6 %。制备了一阶和三阶周期分别为 4 .5 μm和 13.5 μm的周期性极化铌酸锂。在EωZEωZ-E2ωZ (ee -e)准相位匹配 0 .4 73μm蓝光倍频中 ,15 0℃下 ,分别得到了 4 1.3%和 19%的倍频转换效率。oo -e准相位匹配比传统的ee -e准相位匹配有较大的光栅周期 ,尤其在短波长区域倍频输出应用中 ,降低了周期性结构制作的困难 ,其较大的容许带宽在实验中提高了频率转换效率。实验结果表明了在周期性极化铌酸锂中准相位匹配倍频的偏振相关性。     

掺铒铌酸锂晶体的上转换发光

首次报道了掺铒铌酸锂晶体的频率上转换发光效率和该晶体的全吸收谱、绿光发射上能级＾４Ｓ３／２态的荧光寿命，以及其与温度变化的关系等，并讨论了上转换发光的机制及实现其激光运转的可能性。     

级联二阶非线性铌酸锂全光开关的研制

以基于准位相匹配和频与差频级联二阶非线性[X^(2)：X^(2)]基础上的全光开关的理论分析作指导,进行了周期极化铌酸锂晶体(PPLN)和退火质子交换光波导(APE)的实验制备,利用所研制的PPLN-APE器件,以自行研制的工作波长为1．54μm的被动调Q掺钴铝酸镁激光器作为控制光源,以工作波长为1．5μm的连续二极管激光器为信号光源进行了级联二阶非线性全光开关实验。当控制光峰值功率为3kw,信号光功率为1mW时,实现13％的开关效率,分析了进一步提高全光开关性能的途径。