基于铌酸锂薄膜的Y波导集成调制器设计

0 导言

在过去的几十年里，光子集成电路（PIC）已经成为一种成熟的工业平台，能够以可扩展的方式在单个芯片上集成有源和无源光学元件。重要的PIC平台是绝缘体上硅（SOI）、氮化硅（SiN）、磷酸铟（InP）和铌酸锂（LN）。铌酸锂（LiNbOLN），由于它具有宽的透明窗口和优异的电光性能。而成为最显著的光学平台之一。LN相位调制器（PM）被用作将电信号转换为光信号的工具，在精密光学传感器、量子光子学和非互易光学、光通信网络中起着至关重要的作用。LN调制器的尺寸和功率效率是其应用的关键，传统的LN调制器是由具有弱光学约束的低折射率对比度波导形成的，这导致弯曲和其他绝热波导的半径甚至高达30mm。电极必须远离光学波导放置，以最大限度地减少吸收损耗，这会导致驱动电压增加。因此，传统LN调制器体积庞大，模块效率低。近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）作为一种有前途的材料，它克服了传统低指数对比铌酸锂调制器在电压和尺寸上的基本权衡，使铌酸锂调制器的性能和尺寸达到了新的水平。

本文分析、模拟和设计了一种基于 TFLN 平台的新型Y波导电光PM调制器。分析了低半波电压与缓冲层厚度的关系。利用光束传播法（BPM）对不同间距 LN 波导的传播损耗进行了优化。最后，与传统的LN调制器相比，设计的电光调制器具有低光损耗（<5 dB）、和小尺寸（t<2 cm）等特点。本文的研究结果可为设计高性能、多功能的电光调制器提供有益的参考。

1 设计与材料

图 1 （a）TFLN 相位调制器结构示意图，（b）TFLN 相位调制器波导截面结构

本文所研究的装置是Z形切割TFLN在 LN 衬底上沉积，利用最大电光系数γ33。图 1（a）显示了 TFLN 电光 PM 的原理图。在图 1（a）中，偏振器（L1）是通过金属覆盖层实现的，金属覆盖层可以吸收 TM 模式，从而在质子交换波导的基础上提供高偏振抑制。Y 结（L2）是一个 3 dB 的无源波导耦合器，是高性能光纤陀螺仪的最佳技术组合，也是（FOG）的最佳技术组合。在波导上方垂直制作金属电极以实现相位调制（L3）。采用端面耦合技术将 LN 衬底与光纤耦合。图 1（b）显示了 TFLN 调制器的横截面。如图 1（b）所示，基于 TFLN 板的垂直电极配置不仅减少了电极间隙，还增加了积分Γ。为了避免波导正上方的电极产生光吸收，在 TFLN 板和电极之间插入了一层 SiO2 薄膜缓冲层。

2 分析与模拟

当光波通过调制长度为 L 的波导时，其相位变化可表示为：

式中：Δβ 为外加电场引起的传播常数的变化，ne 为超常光波的折射率，Δne 为外加电场引起的折射率的变化，γ33 为铌酸锂晶体的电光学系数，E 为波导中的外加电场，Γ 为波导中的电场积分系数，γ 为铌酸锂晶体的电光学系数。为铌酸锂晶体的电光系数，E 为波导中的外加电场，Γ 为电场与光场之间的电光积分因子。

对于传统的块状 LN 永磁体，相位变化 π 所对应的外加电压一般称为半波电压，可表示为：

根据公式（2），可以发现在固定的调制长度 L 下，降低 Vπ 的正确方法是缩小电极间隙 G 或提高电光积分系数 Γ。

对于固定的调制长度 L，降低 Vπ 的正确方法是缩小电极间隙 G 或提高电光积分因子 Γ。一般来说，电极间隙应保持一定距离，以避免波导可能出现的光吸收。对于 LN 晶体表面的共面电极结构，积分 Γ 不可能大幅增加。因此上述方法并不适用于在大块镧系元素 PM 上制造的传统镧系元素。带有垂直电极的 TFLN PM 有利于缩短 G 值并同时提高积分Γ。与块状镧系元素晶体中电极结构的 40% 至 50% 的积分Γ 相比，垂直电极结构的积分Γ 可高达 90% 至 100%。图 1（b）中，缓冲层厚度为 b2，相应的折射率（n2）为 1. TFLN 板厚度为 b1，折射率（n1）为 2. 根据电磁场的边界条件（见公式 （3）和公式（4），TFLN PM 的 Vπ 可表示为：

图 2 （a）不同调制长度下，传统体相位调制器 G 与半波电压 Vπ关系图，其中 Γ = 0. 5，（b）不同调制长度下，薄膜相位调制器 b2 与半波电压 Vπ关系图，其中 Γ = 0. 9，b1=5 μm

图 2（a）显示了在调制长度 L 为 5 毫米、10 毫米、20 毫米和积分Γ为 50%时，有条件的散装永磁体的 Vπ 与 G 的函数关系。10 毫米，20 毫米，积分 Γ 为 50%。图 2（b） 显示了在 Γ = 90% 和 b1=5 μm 条件下，TFLN PM 的 Vπ 与 b2 的函数关系。与块状 LN PM 相比，在采用相同调制长度时，TFLN PM 的 Vπ 可以显著降低。这有利于实现高性能的集成电路。此外，还可以观察到当 L>10 mm 时，Vπ 将小于 1.5 V。因此，为了满足电路设计的需要，我们提出的调制器采用 L3=1000 μm。

图 3 （a）Y 波导结构，（b）在不同 α下，Y 波导 W 与 L2 的关系图

图 3（a）显示了由两个相同的 S 波导组成的 Y 结的原理图。S 波导之间的距离、宽度、高度、长度和弯曲角度分别为S 波导的长度和弯曲角度分别用 W，w，h，L2，和 α 表示。图 3（b） 显示了不同弯曲角度 α 下 W 与 L2 的函数关系。由图 3（b）可知，W 随调制长度 L2 的增大而增大。同时，随着弯曲角 α 的减小，W 也随之减小。为了减少调制器的占地面积并降低光的传播损耗还需要优化 Y 结波导的参数。此外，W 应满足经验值 150 μm ≤W≤400 μm，这与 V 形槽耦合过程相匹配。因此，Y结的光导引特性为 αμ波导（h=7 μm，w=7 μm，αn=0.015，α=0. 4~1. 0°和 L=0利用RSoft 商业软件，采用 BPM 方法模拟了L2=0. 4~1. 2 cm的流场进行了数值模拟。

图 4 （a）BPM 仿真结果图，（b）波导截面折射率分布图，（c）Y 波导能量分布仿真图

图 4（a）显示了输入磁场通过 Y 型结时，输出端口的归一化输入功率。从图 4（a）中可以看出，输出端口的功率与输入端口的功率相等。功率随 L2 的增大而减小。此外，输出功率也随着弯曲角 α 的增大而减小。为了平衡损耗和制造工艺，α=0. 6°和 L2=9000 μm 被选作最优参数。α =0. 6° 和 L2=9000 μm 的仿真结果如图 4（b-c）所示。模拟结果（图 4（b））显示了 L2=100 μm 时波导段的折射率曲线。图 4（c）显示了 Y 结波导内部的电场分布。很明显，输入功率几乎被平均分成了两个分支。

图 5 模拟调制器插入损耗的结果，其中 L1=1 000 μm，L2=9 000 μm，L3=1 0000 μm，α=0. 6°

利用 RSoft 软件中的 BPM 方法仿真了直径为 7 μm 的 TFLN PM 的整体插入损耗（耦合损耗和傅立叶变换损耗）。仿真结果如图 5 所示。可以看出，整体插入损耗为 4.7 dB。7 dB，其中耦合损耗几乎占了插入损耗的 94%，而耦合损耗是由光模场的错误匹配引起的。模场误配损耗可用下式表示：式（6）

其中，ϕf（x，y）为光纤的模场分布，ϕw （x，y）为波导的模场分布。本文模拟了平端光纤与未处理波导端面直接连接的结果。由于扩散波导对光场的限制能力较弱，波导模场分布直径 ϕw（x，y）（about 10 μm）大于光纤场分布直径 ϕf（x，y）（6 μm），从而导致模场失配。ϕw（x，y）可以通过在波导输出端增加一个光斑尺寸转换器（SSC） 从而降低耦合损耗。

3 实验验证

图 6 基于 LN 衬底的 TFLN 调制器显微镜成像图

图 6 显示了结合在 LN 衬底上的 TFLN 板的横截面。退火后的质子交换是引导的（w=7 μm，h=7 μm，L1=1 000 μm，L2=9 000 μm，L3=10 000 μm）是在大块铌酸锂衬底上的 Z 切薄膜铌酸锂平板上制作的。中间的亮条纹是铌锂薄膜，下面稍暗的区域是块状铌锂衬底。

采用直接键合技术和化学机械抛光工艺，在块状铌酸锂衬底上制作了 Z 切薄膜铌酸锂晶片，并获得了 10 μm 的薄膜。随后，将 TFLN 硅片浸入含有苯甲酸锂的苯甲酸熔体中，进行质子交换过程。开始温度约为 200 ℃，持续时间约为 4~5 小时。之后，将 TFLN 芯片置于三区扩散炉的LD中心。热退火过程在 330 ℃ 左右的温度下进行。晶片在炉中放置数小时。最后，将 TFLN 波导晶片切割成单个芯片，并对端面进行抛光。

在波长为 1310 nm 时，采用对接耦合法测定了 TFLN 波导的插入损耗。在 TFLN 波导样品的输入端口和输出端口分别放置了一根模场直径（MFD）为 6. 使用 SLD 光源获得的插入损耗为 ~5. 0 dB，它受到 V 形槽工艺的波导耦合方法的限制。边缘耦合方法可进一步提高该值。

4 结论

综上所述，我们分析、模拟和设计了一种新型的Y波导电光调制器。低半波电压与缓冲器厚度的相关性、分析了低半波电压与缓冲层厚度的相关性。结果发现，低半波电压与缓冲层厚度之间存在负相关关系。与块状 LN PM 相比，当增加相同的调制长度时，TFLN PM 的 Vπ 可以显著降低，这有利于高性能 PIC 的实现。此外，利用 BPM 方法优化了不同波导间距的 LN 波导的传播损耗。结果发现总体插入损耗为 4.7dB。最后，制备出了低光损耗（< 5 dB）、更小基底面（t< 2 cm）的片上LN相位调制器。

[作者]  郭宏杰，刘海锋，王振诺，谭满清，李智勇，雷 明，郭文涛

[来源期刊]  红外与毫米波学报

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