----追光逐电 光赢未来----
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。
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。
LNOI 光波导传输损耗对比
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
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