基于铌酸锂薄膜的Y波导集成调制器设计
2024-04-22 15:38:18 | 技术支持          浏览量:420

基于铌酸锂薄膜的Y波导集成调制器设计

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公式1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,模块效率低公式2。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)、公式3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。


设计与材料


(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图

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。


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:

当光波通过调制长度为 L 的波导时,其相位变化表示图

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:

相位变化 π 所对应的外加电压一般称为半波电压图

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:

TFLN PM的Vπ表示图


(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)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。

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)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。

(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)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。

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°图

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)

模场误配损耗可用下式表示:公式6图

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。


实验验证

基于 LN 衬底的 TFLN 调制器显微镜成像图

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。


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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Y波导电光调制器图



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