单晶铌酸锂薄膜上光栅耦合器研究
铌酸锂晶体(LN)是一种多功能光电材料,具有很多优良的物理性质,如电光、
声光、光折变、非线性光学、压电、介电、铁电、热释电等,并且其机械稳定性
好,本征带宽大,波长透光范围宽。铌酸锂在非线性光学和集成光学领域有重要应
用。近年来,基于离子注入和晶圆键合技术,人们制备了单晶铌酸锂薄膜(Lithium
niobate on insulator,LNOI),这种薄膜材料具有可以与晶体材料接近的物理性
质。并且,由于LN和二氧化硅(Si02)隔离层之间的高折射率对比,使得以其为基
底制作的各类薄膜光电器件具有更好的限光能力,更小的横截面尺寸,能够实现
更高密度的集成。
利用LNOI材料人们制备了一系列性能优异的光电器件,如频率转换器、电光
调制器、二次谐波产生器,以及周期性极化的铌酸锂(PPLN)上的倍频器件等。光
纤与LNOI器件间的耦合是集成光学一个重要的研究方向,具有重要应用价值。为
了实现光纤与LNOI波导器件的耦合,可以有多种耦合方式,如端面耦合法和表面
耦合法。一般LN薄膜的厚度在0.5 μm左右,而单模光纤的纤芯直径为8-10μ
m,模式不匹配导致光纤与波导间的耦合变得比较困难。
通过应用锥形波导结构、拉锥透镜光纤结构可以提高端面的模式匹配,进而
提高耦合效率。但是端面耦合需要对波导进行端面抛光,有时还需要外接透镜光
路或对光纤头进行特殊处理,这增加了耦合系统的复杂性。利用周期性刻蚀的光
栅结构,可以对衍射场进行相位调制,制作光栅耦合器。这种波导光栅耦合器具有
可以加载在LNOI基片上的任意位置,所需光栅尺寸小,不需要对LNOI波导进行后
续端面抛光,不需要对光纤进行磨锥等特殊处理的优点,能够满足集成光路对单
芯片上器件集成和测试的需求。
波导光栅耦合器的制备方法有很多,如反应离子束刻蚀、氩离子刻蚀、感应
耦合等离子体刻蚀等。这些方法都需要与紫外光刻或电子束曝光结合来完成光栅
图形的制样,形成的光栅对光刻精度的依赖性很大。聚焦离子束刻蚀(Focused
ion beam etching,FIB)法是一种微加工技术,利用静电透镜系统将离子束进行聚
焦来实现图像显微、微结构刻蚀。FIB不需要像其他方式那样对样品进行光刻掩
膜,使用聚焦的离子束可以直接对样品进行刻蚀。
FIB通过采集低能的离子感生电子成像,因此在刻蚀过程中可以同时实现对
样品结构的成像、分析。图像的分辨率和微加工的精度是由束流强度在样品上分
布的大小和形状决定的。本文中应用FIB技术来进行各类光栅的制备。目前,关
于LNOI上波导光栅耦合器的研究报道还较少,主要有以下几个单位在进行。
2015年至2017年,卡耐基梅隆大学的M.Mahmund,华中电子科技大学的
M.S.Nisar,瑞典皇家理工学院的M.A.Baghban等人分别在LNOI上制备了波导光
栅耦合器,实验测量获得的耦合效率分别约为-12 dB,-9.5 dB和-10 dB。LNOI
上光栅耦合器的研究还须要更进一步,以期获得高效、宽带、大容差的耦合器。
本文主要是在LNOI上设计、制备和研究各类光栅耦合器。主要的研究内容和结
果如下:1.单晶铌酸锂薄膜上均匀光栅耦合器的研究应用光栅耦合的布拉格条件,
理论计算获得了能够实现LNOI波导与单模光纤耦合的波导光栅周期。
以这个周期值为一般初始条件,利用时域有限差分算法(FDTD),对均匀光栅
耦合器的各个参数,如周期、刻蚀深度、薄膜厚度、隔离层厚度、光纤入射角度、
光纤位置等进行了系统优化,研究了这些参数对光栅耦合性能的作用机理。模拟
发现,这些耦合参数对LNOI上光栅的耦合性能存在较大影响。当铌酸锂薄膜的厚
度为400 nm,光栅周期为980 nm,填充因子为0.5,刻蚀深度为225 nm时,在波长
1550 nm处,可获得约-3.5 dB的耦合效率。为了测量光栅的耦合效率,搭建了光
纤-光栅-波导-光栅-光纤耦合测试系统(光栅耦合测试系统),并应用FIB刻蚀技
术在一片厚度为400 nm的LNOI基片上刻蚀了一组波导和光栅。
实验测得耦合效率为-9.2 dB(波长1550 nm处),3 dB带宽为96 nm。2.单晶
铌酸锂薄膜上含金属反射层的波导光栅耦合器的研究利用金属对光线的反射作
用,在LNOI上设计了含金属反射层的波导光栅耦合器(Metal-LNOI)。研究了
Metal-LNOI不同切向的光栅耦合器对参数的选择和耦合效率的影响,发现Z切的
Metal-LNOI上波导光栅耦合器传输TE光时对应的光栅周期优化值较X切的小,
刻蚀深度较X切的大。这与Z切和X切薄膜波导中TE模式有效折射率不同有密
切相关。
在Z切的Metal-LNOI结构上,发现当LN薄膜的厚度,Si02隔离层厚度,光栅
周期,填充因子,刻蚀深度和Au层厚度分别为400 nm,1275 nm,928 nm,0.5,160 nm
和 100 nm时,在波长 1550 nm处,可获得约-1.1dB的耦合效率。实验中,首先制
备了Metal-LNOI基片,然后在该基片上应用FIB技术制备了不同长度的波导和双
光栅结构。利用光栅耦合测试系统,研究了该光栅耦合器在波长1500-1600 nm
的传输特性。实验测得,该光栅耦合器的3 dB带宽为72 nm,耦合效率为-6.9 dB,
这个值要高于同时期报道的LNOI上其他光栅的耦合效率测量值。
3.单晶铌酸锂薄膜上非均匀光栅耦合器的研究通过调节每组光栅周期和填
充因子,可以提高光栅的衍射场分布与单模光纤模场分布的匹配度,进而提高波
导光栅的耦合效率。以此为理论基础,在LNOI基片上设计了波导非均匀光栅耦合
器,它由18个光栅周期组成。通过对前九组光栅周期和填充因子的线性调节,使
光栅衍射向上的模场分布能够更好的与光纤的高斯模场分布匹配。对比研究了波
导均匀光栅和非均匀光栅的耦合容差,发现因周期、刻蚀深度和填充因子偏离给
非均匀光栅耦合器带来的耦合效率降低比同样配置的均匀光栅小,但波峰移动量
相对较大。
同时,研究了不含金属反射层和含金属反射层的非均匀光栅耦合器,在波长
1550 nm处分别获得了-1.4 dB和-0.08dB的耦合效率。实验中,在厚度分别为
494nm和480nm的Z切LNOI和Metal-LNOI样品上,通过FIB刻蚀技术分别制备
了波导非均匀光栅结构。测量发现,不含金属反射层和含金属反射层的LNOI波导
非均匀光栅耦合器的耦合效率分别为-6.9 dB和-5.5 dB,3 dB带宽分别为90 nm
和84 nm。这种波导非均匀光栅耦合器制作工艺简单,不需要额外的光刻或沉积
步骤,具有一定的应用潜力。
4.铌酸锂单晶薄膜上Si光栅耦合器的研究硅(Si)是一种半导体材料,具有
优秀的电学特性,是集成电路的基础材料。如果LN薄膜能和Si薄膜结合在一起,
能充分利用LN材料的光学优势和Si材料的电学优势,制备出光电结合的、性能
优异的新型集成光电器件。因此,在LNOI上设计了两类Si光栅耦合器。第一类
Si光栅耦合器是在LNOI上制作Si加载条并在Si条上刻蚀光栅,称作Si加载条
光栅耦合器。
模拟优化了不同LN厚度,不同Si厚度下光栅耦合器的参数。发现一定的LN
厚度下,不同的Si层厚度对应的耦合效率不同,随着Si层厚度的增加,优化的周
期值变小,刻蚀深度增大。一定的Si层厚度下,优化的耦合效率随着LN厚度的增
加而逐渐降低。比较三种不同厚度LN薄膜上Si光栅的耦合效率,发现在LN和
Si薄膜厚度分别为300 nm和50 nm时,LNOI上Si光栅耦合器的耦合效率较大,
约为-4.3 dB。
实验中,通过剥离工艺制备了 Si加载条LNOI波导,利用FIB在Si加载条上
刻蚀了光栅结构。通过测试,研究了Si光栅在波长1420-1580 nm的耦合性能,
在波长1500 nm,可以获得-13 dB耦合效率。第二类Si光栅耦合器是在LNOI上
附着一小块区域、成周期性分布的Si条,称作LNOI波导上Si加载区光栅耦合器。
模拟发现,当Si层厚度为320 nm,光栅初始周期为840 nm,初始填充因子为0.24,
周期增量为0.01 μm,填充因子增量为0.04,附着的Si区域面积为12×18 μm2
时,可以获得-1.6 dB的耦合效率。
单晶铌酸锂薄膜上Si光栅耦合器的实现,表明能够在LNOI上沉积Si并仅对
硅进行刻蚀来制备各种集成光学器件。