【光电集成】【PPT】传输介质--光纤

今日光电 2024-07-22 18:01

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今日光电

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。追光逐电，光赢未来...欢迎来到今日光电！

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一代材料，一代器件，一代产业，一个时代。铌酸锂晶体是一种集压电、电光、声光、光弹、非线性、光折变及激光活性等效应于一身的罕见晶体，加上自身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，尤其是实施不同掺杂后能呈现出各种各样的特殊性能，是至今人们所发现的光子学性能最多、综合指标最好的晶体，具有十分广阔的市场应用前景，因此也被人称为光子时代的“光学硅”材料，被广泛的应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D 全息显示、非线性光学器件、光量子通信等方面。

《激光与光电子学进展》于2024年第11期（6月）推出创刊六十周年系列专题之“铌酸锂光子学器件”。此系列专题集中展示了我国在铌酸锂光学器件领域的最新研究进展，有助于促进学术交流，推动铌酸锂相关领域向纵深发展。我们本次将对专题中的“薄膜铌酸锂光波导器件的研究进展”一文进行分享，让大家更好地了解铌酸锂及其相关应用。

“薄膜铌酸锂光波导器件的研究进展”是由电子科技大学光电科学与工程学院的陈开鑫教授及其团队受邀发表的文章。

铌酸锂材料因其宽的透明窗口、成熟的波导制作工艺，以及优异的电光效应，在过去几十年中被广泛应用于制作高性能光波导电光调制器与电光开关。近年来，随着高质量薄膜铌酸锂的商品化，研究人员又开发了多种高性能的薄膜铌酸锂光波导器件，这些器件的性能已经远远超过了传统块状铌酸锂波导器件。该文章主要梳理了近年来薄膜铌酸锂平台上的光波导、光栅耦合器、边缘耦合器、电光调制器及可调谐滤波器的研究进展，简要讨论了现阶段薄膜铌酸锂光波导器件面临的挑战。

文章链接：http://www.opticsjournal.net/Articles/OJfaebaf46159cdfd2/FullText

光波导是集成光路中最为基础的元件，低损耗光波导是实现高性能光波导器件的基础。传统块状LN光波导器件通常采用钛扩散或退火质子交换工艺制作光波导，但这种方式形成的波导的折射率差较小，对光场的限制能力较弱。为了降低LN光波导的损耗，针对弯曲波导通常采用较大的波导弯曲半径，而针对电光调制器则需要较宽的电极间距，但这都会导致器件的尺寸较大、调制器的半波电压较高、器件的集成度较低。为了解决上述问题，特别地，为了实现大带宽、低半波电压的高性能LN 电光调制器，采用单晶LN 薄膜制作调制器是最佳选择。为了研制成功高质量的LN 单晶薄膜，需要借助制作绝缘体上硅（SOI）的离子切割技术。离子切割技术制作的LN 单晶薄膜通常也称为绝缘衬底上的LN（LNOI）。近10 年来，基于LNOI 的各种高性能集成光电子器件逐渐被开发出来，比如电光调制器、可调谐滤波器和宽带光频梳等。

制备出高质量的LN薄膜是实现高性能集成光子器件的基础。利用离子切割技术制备出高质量LN薄膜的工艺流程如下图所示。首先使用高质量的He+轰击LN晶圆，使He+在晶圆中一定深度形成注入层。随后将该晶圆与另一块生长有微数米厚度二氧化碳的硅基底键合（也可采用生长有二氧化硅的铌酸锂或直接采用石英作为基底），然后将键合好的晶圆放入高温炉中退火。在这个过程中，注入层中的 He+会膨胀使该层的 LN 晶体受损分裂，LN 薄膜因此被剥离了下来，得到 LNOI。之后将 LNOI 放入高温炉中二次退火，以修复在离子注入过程中产生的晶格缺陷，最后将 LN 薄膜表面抛光即可得到高质量的 LNOI。

离子切割技术制作LNOI 的工艺流程

LNOI的结构和SOI类似，可以通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的刻蚀工艺制作条形或脊形波导，其左右及上包层可以是二氧化硅或其他低折射率材料甚至就是空气，波导具有较大的折射率差，可实现比传统的钛扩散或质子交换的LN光波导更强的限光能力，这有利于实现曲率半径较小的弯曲波导，使光波导器件更紧凑，提高芯片的集成度。此外，对于电光器件，电极也能被放置在离波导更近的位置，提高了器件的电光相互作用强度。因此，基于LNOI的集成光波导器件具有波导截面尺寸小、电场密度高、电光相互作用效率高、非线性效应强、电光调制半波电压低、器件体积小等优点。

制造传统LN光波导通常采用的退火质子交换工艺也可以制作低传输损耗的LNOI光波导，但是由于这种波导的折射率差较低，对光场的限制能力较弱，不能充分利用LNOI的优势。因此，可以利用另一种方法，将LN薄膜和其他材料异质集成得到混合集成波导(条载波导)。如下图所示：

混合集成的 LNOI 波导

LNOI 条形或脊形波导可将光波充分限制在 LN 中，从而充分利用 LN 的非线性效应和电光效应。LNOI 条形或脊形波导主要的制作方法有金刚石切割、化学机械抛光（CMP）和干法刻蚀（如下图所示）。使用金刚石刀片可以在LN薄膜上切割得到低损耗的光波导；采用化学机械抛光可以制作得到亚纳米表面粗糙度的超低损耗光波导，波导传输损耗可低至0.027dB/cm；使用干法刻蚀制作LNOI脊型波导是目前最常用的方法。氟基的干法刻蚀工艺在刻蚀LN时会产生氟化铌和氟化锂这两种产物。其中，氟化铌易挥发，在刻蚀过程中会被抽汽系统带走。但氟化锂不易挥发，在刻蚀过程中会沉积在LN表面，阻碍进一步的刻蚀，同时还增加了刻蚀表面的粗糙度。为了解决这个问题，可以在刻蚀之前先对 LN 进行质子交换，用 H+ 替换掉 Li+，这样便减少了刻蚀过程中氟化锂的沉积，提高了刻蚀速率和刻蚀深度。电子科技大学 Li 等人通过这种方法在 LNOI 上制作了刻蚀深度达 900 nm的低损耗条形弯曲波导。

图3 LNOI脊形波导（a）（b）使用金刚石刀片切割制作的波导；（c）化学机械抛光制作的波导；（d）干法刻蚀制作的波导。

下表对比了不同工艺制作的 LNOI 光波导的传输损耗。总体来讲，随着微纳加工技术的发展，已报道的大部分 LNOI 光波导的损耗都在1dB/cm 以下，可以满足绝大多数的应用要求。目前基于干法刻蚀制作的LNOI 光波导的损耗主要来源是侧壁粗糙度引起的散射损耗，这一点可以通过使用 CMP 等方法减小侧壁粗糙度。另一方面，在设计时也可以采用宽度更宽、浅刻蚀的脊形波导，使光场更多地被限制在芯层中，从而减小侧壁的散射损耗。

LNOI 光波导传输损耗对比

由于 LNOI 光波导具有较大的折射率差，因此波导尺寸较小，当其与普通单模光纤耦合时波导与光纤间存在严重的模场失配时，耦合效率较低，增加了器件的插入损耗。为了实现 LNOI 光子器件的商品化，采用合适的耦合方式提高 LNOI 光波导-光纤之间的耦合效率至关重要。借助于相对较为成熟的 SOI 波导与光纤的耦合技术，科研人员开发了光栅耦合器和边缘耦合器，用于LNOI光波导-光纤之间的高效耦合。

光栅耦合器研究进展

光栅耦合器采用的是垂直耦合方式，它可以通过衍射作用将波导中的光耦合到垂直放置的光纤中。光栅耦合器的损耗主要来源于基底的泄漏光以及衍射光场和光纤光场之间的模场失配。为了减少泄漏光，可以在光栅底部增加金属反射镜，如图4（a）。山东大学 Chen 等经实验测得无金属反射镜和有金属反射镜的 LNOI 光栅耦合器的最大耦合效率分别为-9.1 dB和−6.9dB，证明金属反射镜可将耦合效率提高 2.2dB。皇家墨尔本理工大学 Krasnokutska 等通过对光栅结构的进一步优化，将 LNOI 光栅耦合器的耦合效率提高到了−3.5dB。卡内基梅隆大学 Cai 等通过对啁啾光栅耦合器的参数进行优化从而减小了模场失配和内部反射，如图 4（b）所示，其耦合效率相比均匀光栅提高了 1.9 dB，达到了-3.6dB。南开大学 Kang 等同时使用金属反射镜和啁啾光栅，将耦合效率进一步提高到了−1.42 dB。目前耦合效率最高的光栅耦合器是由浙江大学 Chen 等在 2022 年设计制作的，其结构如图 4（c）所示。耦合器的反射镜制作在光栅的上表面，同时通过刻蚀去除光栅区域下方的硅衬底使光纤可以通过该窗口和光栅相互耦合。此外，在光栅的两端还制作了两个布拉格反射镜形成谐振腔，增强了光场在光栅区域的分布，大大提高了耦合效率，使其达到了−0.89dB。

图 4　用于 LNOI 波导的光栅耦合器（a）带有金属反射镜的光栅耦合器结构示意图；(b）啁啾光栅耦合器的电子显微镜照片（c）谐振腔增强的光栅耦合器

除了直接在 LN 上制作光栅外，也有将 LNOI 和其他材料结合的混合型光栅耦合器，制作这些光栅耦合器通常不需要直接刻蚀 LN，避免了LN 刻蚀后形成的非直角侧壁对光栅性能的影响。下表对比了用于 LNOI 波导的光栅耦合器的性能。

用于LNOI 波导的光栅耦合器性能对比

边缘耦合器研究进展

边缘耦合器通过使用倒锥形结构增加波导端面的模场尺寸，从而实现其与光纤模场之间的匹配。2019 年，Krasnokutska 等在 500 nm 厚度的 Z 切LNOI 上制作了尖端宽度 200 nm 的尖锥结构，测试得到其与锥形光纤的耦合损耗为（2. 5±0.5） dB。同年，哈佛大学 He 等在 600 nm 厚度的 X 切 LNOI 上制作了双层锥形结构的边缘耦合器，如图 5（a）所示,使用锥形光纤作为输入光纤，测得其耦合损耗低于1.7dB。为了进一步提高耦合效率，研究人员又提出了包层波导和锥形结构结合的边缘耦合器，如图 5（b）所示。边缘耦合器首先将光纤中的光耦合到包层波导中，然后通过锥形结构将包层波导中的光以模式演变的方式耦合到 LNOI 波导中。这种结构的边缘耦合器和锥形光纤或超高数值孔径光纤之间的耦合损耗可低至 0.5dB。2022 年，电子科技大学 Wang 等提出了一种低成本的 LNOI 边缘耦合器及其制作方案。该耦合器为多层阶梯结构，制作时首先通过控制刻蚀深度在芯片两端制作出多层阶梯，随后再在芯片上同时制作出器件和边缘耦合器。这种边缘耦合器仅通过垂直方向的阶梯结构即可实现波导和超高数值孔径光纤之间的高效耦合，因此使用i线光刻即可实现，并且在制作时无需高精度的对准，适用于低成本的晶圆级规模化生产。2023 年，中山大学 Chen 等在此基础上又引入了包层波导结构，仿真结果表明，对 TE偏振光，该边缘耦合器在845 nm，1310nm 和 1550 nm波长的耦合损耗分别为 0.62dB，0.38dB和0.47dB。同时该耦合器还具有超宽的工作带宽，在1200~2000nm波长范围内，耦合损耗低于1dB，在845~ 2000 nm 波长范围内，耦合损耗低于2dB。同年，电子科技大学 Zhang 等提出了另一种低成本的边缘耦合器，Zhang 等使用倾斜抛光的方法在芯片端面抛光得到缓坡斜面，随后在端面波导上制作出聚合物波导，如图 5（c）所示。Zhang 等在 300 nm 厚氮化硅和 300 nm 厚LNOI 平台上进行了实验验证，测量结果表明，波导和高数值孔径光纤的耦合损耗分别为 1.31dB 和1.49dB，该边缘耦合器同时还表现出了偏振不敏感的特性。表 3 对比了用于 LNOI 波导的边缘耦合器的性能。

图5　用于 LNOI 波导的边缘耦合器（a）双锥形边缘耦合器以及不同位置波导的模场分布；(b)带有包层波导结构的双锥形边缘耦合器以及不同位置波导的模场分布；（c）垂直锥形结构的边缘耦合器

表3 用于LNOI波导的边缘耦合器性能对比

LNOI 凭借其优异的电光性能、低光学损耗和高集成度等优点，为集成光学的发展提供了新的平台。结合多种微纳加工技术，基于 LNOI 的各种光电子器件在近几年来取得了重大进展，显示了它们在各种应用中的潜力。此外，将 LNOI 与直接带隙材料（III-V 半导体、铟磷等）异质集成或者对其进行掺杂稀土元素（如 Er，Nb，Tm 等），可以制作出激光器、探测器和光放大器等有源器件，从而实现结构更复杂、性能更强的多功能集成光子系统，这为未来的高速通信系统、微波光子集成等领域提供了新的发展方向。需要指出的是，在 LNOI 光波导器件取得显著进展的同时，也面临着不少挑战。首先，由于 LN 材料比较脆，大尺寸LNOI 的制备工艺困难，目前商用的主要是 3、4、6寸的小尺寸晶圆，制备出大尺寸的晶圆将有利于降低大规模生产 LNOI 器件的成本。其次，LNOI 的波导制备工艺还有进一步优化的空间。尽管目前 LNOI 光波导的损耗已经低至 2.7dB/m，但该值仍远高于材料的吸收极限（<0.4dB/m）。最后，对于 LN 材料的电荷积累现象还需进一步研究以解决 LNOI 调制器和可调谐器件的工作点漂移等问题。总而言之，目前的 LNOI光电子器件正处于快速发展的阶段，相信随着微纳加工技术的进步以及相关研究的深入，LNOI 将会迎来其广阔的应用前景。

来源：恒元光电