集成铌酸锂光子器件技术的研究进展

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)具有透光光谱宽,折射率高,二阶非线性高及压电响应大等优点,是一种重要的集成光子学基础材料。LNOI材料具有亚波长尺度的光约束和光电器件的高密度集成能力,能够实现具有更高性能、更低成本的全新器件及应用,给光通信和微波光子学带来革命性的变革。该文重点综述了LNOI的制备技术、LNOI电光调制器、LNOI声光调制器和LNOI电光频率梳的最新研究进展,简要讨论了铌酸锂光子器件在制作工艺和系统实现中面临的挑战。     

单晶铌酸锂薄膜的转移制备技术研究

以苯并环丁烯(Benzocyclobutene,BCB)作为键合层,采用离子注入剥离技术制备了Y36切型的单晶铌酸锂薄膜材料。经过对BCB键合层的前烘时间和退火曲线进行系统的研究,克服了由于铌酸锂和BCB之间热膨胀系数不匹配所导致的铌酸锂薄膜开裂问题,获得了高质量的Y36切型单晶铌酸锂薄膜材料。此外,通过在晶圆键合之前预先制备图形化的金属层,获得了带有下电极功能层的单晶铌酸锂薄膜,可应用于薄膜体声波谐振器等具有金属-绝缘层-金属结构的器件。     

聚焦离子束刻蚀铌酸锂的研究

铌酸锂物理性能稳定,电光、声光及非线性光学效应优异,是集成光学器件中重要的光学材料。然而,目前铌酸锂材料的加工工艺无法满足复杂且小型化的集成光路发展需求。聚焦离子束(FIB)是一种无掩膜、高精度的加工技术,但同时会引入离子注入和材料表面非晶化等损伤。研究了FIB离子剂量对铌酸锂刻蚀深度及表面粗糙度的影响,在离子剂量大于0.25 nC·μm~(-2)条件下实现了亚纳米表面粗糙度的刻蚀。通过采用共聚焦喇曼光谱法表征FIB刻蚀前后铌酸锂喇曼光谱的变化,证明了在离子剂量为0.1～1.0 nC·μm~(-2)下FIB刻蚀对铌酸锂薄膜造成的整体损伤小(喇曼峰展宽的平均变化小于5%),对使用FIB进行精密、可控的铌酸锂结构加工具有重要参考意义。     

铌酸锂微纳米结构的制备与分析

为实现铌酸锂光学器件的高效集成，在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此，本课题组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术，研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用Lambda950分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。结果表明：当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大于60 min时，铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构，并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增大；在可见光波段，铌酸锂表面纳米结构越高，增透效果就越明显；当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入射角度为70°、刻蚀时间为120 min时，铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143.5 nm的锥形结构，此时在可见光范围内铌酸锂样片的峰值透射率为83.5%，相较于原片的透射率提高了约12.5个百分点。     

铌酸锂薄膜高速电光开关的设计与制备

基于硅基铌酸锂薄膜（Lithium Niobate on insulator,LNOI）材料平台，设计并制备了高速电光开关芯片，并实现了芯片的光纤耦合、管壳封装和性能测试。测试结果表明，该高速电光开关器件的开关速度达到13.4 ns，消光比达到31.8 dB。研究工作对未来研制光学延时芯片和波束形成网络芯片具有重要的支撑意义。     

锌离子注入铌酸锂晶体的光谱特性

利用离子注入技术和氧气氛围高温退火制备了不同掺锌剂量的铌酸锂样品,并研究了锌离子浓度以及退火状态对铌酸锂晶体紫外和红外波段特性的影响。紫外波段,锌离子的注入使铌酸锂晶体的吸收边红移,退火后吸收边均与纯铌酸锂晶体的相同,锌离子的注入降低了铌酸锂晶体的透射率;红外波段,纯铌酸锂晶体分别在3486 cm-1、2851 cm-1和2917 cm-1处出现主次吸收峰,掺锌样品的主吸收峰位置与纯铌酸锂晶体相比发生微小的红移,X切向铌酸锂样品有明显的次吸收峰,而退火前Z切向铌酸锂样品的次吸收峰不明显,退火后吸收峰变锐利。锌离子的注入以及退火状态对铌酸锂晶体的透射率有影响,分别增强和减弱X切向和Z切向铌酸锂晶体的透射率。     

掺铁铌酸锂晶体中光损伤的暗衰减效应

为了研究铌酸锂晶体中的光损伤,着重对掺铁铌酸锂晶体中光损伤的暗衰减效应进行研究,发现在薄样品中光损伤的暗衰减时间远大于在厚样品中的暗衰减时间,利用红外吸收光谱和喇曼光谱对这个现象的潜在机理进行了初步分析,综合几个实验结果发现,晶体厚度对光损伤的暗衰减是一个重要的影响因素.     

铌酸锂晶片的抛光机理及损伤层控制研究

铌酸锂的抛光机理复杂,抛光片的损伤层受多种因素的影响,其机械损伤来源主要有两个途径,其一是晶片在抛光前各道工序加工中引入的损伤,这可以通过增加抛光去除量加以控制,其二是在抛光过程中带来的机械损伤,抛光液的组分、pH值、抛光布、抛光压力、抛光盘转速等条件都与损伤层有直接的关系。这些参数都是通过改变抛光过程中机械作用和化学作用的平衡来影响损伤层,因此控制抛光过程中二者的平衡才是控制损伤的关键。     

掺镁铌酸锂晶体的ICP刻蚀性能

掺镁铌酸锂晶体(Mg:LiNbO3)是一种相对难刻蚀的晶体,Mg:LiNbO3的干法刻蚀速率和刻蚀形貌控制是铌酸锂光电子器件加工中的关键技术之一。采用牛津仪器公司的Plasmalab System 100以SF6/Ar为刻蚀气体,具体研究Mg:LiNbO3的刻蚀速率随着感应耦合等离子体(ICP)功率、反应离子刻蚀(RIE)功率、气室压强和气体流量配比等刻蚀参数的变化,同时研究发现SF6/(Ar+SF6)气体流量配比还会影响刻蚀表面的粗糙度。实验结果表明:在ICP功率为1000W,RIE功率为150W,标准状态(0℃,1个标准大气压)下气体总流量为52mL/min,压强为0.532Pa,SF6/(Ar+SF6)气体体积分数为0.077的条件下,刻蚀速率可达到152nm/min,刻蚀表面粗糙度为1.37nm,可获得刻蚀深度为2.5μm,侧壁角度为74.8°的表面平整脊形Mg:LiNbO3结构。     

钽酸锂晶体滤波器的离子束刻蚀技术研究

以钽酸锂晶体作为晶体滤波器压电材料。通过优化离子束刻蚀工艺参数,采用间歇式离子束刻蚀方法,解决了刻蚀区微裂纹工艺问题,使厚度为60μm钽酸锂晶片减薄至30μm。利用反台阶结构晶片制作出了中心频率为70MHz、3dB带宽为1 109kHz的高基频宽带钽酸锂晶体滤波器。     

离子注入铌酸锂平面波导双折射特性的研究

为了获得折射率信息,采用UT00-FPD型椭偏仪对5mm×10mm×1mm铌酸锂晶体及注入镓的铌酸锂晶体波导的双折射特性进行了测量.首先对铌酸锂晶体测量结果进行建模及数据处理,得到晶体在190nm～1700nm之间的双折射特性;在此模型的基础上,进一步对注入镓的铌酸锂晶体波导进行了建模和数据处理,得到了波导层的双折射率的分布.所得表征结果为铌酸锂晶体波导在光子器件中的应用提供了有用的信息.     

一种基于薄膜铌酸锂调制器芯片的新型电光调制器

针对传统铌酸锂电光调制器体积大、带宽小等技术问题,提出了一种基于薄膜铌酸锂调制器芯片的新型电光调制器的设计方法,给出了薄膜铌酸锂电光调制器高频传输仿真模型,详细介绍了薄膜铌酸锂电光调制器的高频信号馈入设计、过渡薄膜基板高频阻抗匹配设计,并测试了40 GHz小尺寸薄膜铌酸锂电光调制器的核心指标。测试结果表明：设计的薄膜铌酸锂电光调制器插入损耗、半波电压、3 d B带宽、产品尺寸分别为4.1 d B、3.9 V、40 GHz、30 mm×10 mm×5 mm,比传统铌酸锂电光调制器性能优越。     

光纤耦合周期极化铌酸锂薄膜波导器件的研究

对硅基周期极化铌酸锂(PPLN)薄膜脊形波导进行了理论分析，并使用有限元软件模拟了25℃下泵浦波长为1560 nm的PPLN脊形波导的准相位匹配(QPM)周期与波导脊高和脊宽的关系。仿真结果表明，在相同脊宽(10μm)或脊高(10μm)下，PPLN脊形波导的QPM周期随着脊高或脊宽的增加而增大，最后趋于常数(即块状PPLN的QPM周期)。进一步模拟了在脊高和脊宽维持不变的情况下，PPLN脊形波导的QPM周期与温度之间的关系。结果表明，随着温度的增加，PPLN脊形波导的QPM周期逐渐减小，并且温度每升高1℃，QPM周期减小约3 nm。根据仿真结果制作了硅基片上集成PPLN脊形波导器件，将其封装成小体积的光纤入光纤出的波导，并测试了性能。当温度为24.8℃、1560 nm基频光输入功率为1.2 W时，最大输出653 m W的倍频光，光光转换效率达54.4%，归一化转换效率为20.2%·W^-1·cm^-2。     

铌镁酸铅系弛豫铁电单晶材料的发展与应用

该文总结了铌镁酸铅系弛豫铁电单晶材料的发展历程,铌镁酸铅系单晶材料的压电常数由最初的1540 pC/N提升至4000 pC/N,制备单晶的主要方法为改进的布里奇曼法.根据单晶的组分不同,工艺条件也有差别,在改进其性能的过程中其理论依据逐渐完善,弛豫铁电单晶高压电效应的根源是单畴剪切压电效应,在实际研究中可通过宏观或微观...     

掺铒铌酸锂晶体光放大器的理论研究

阐述了掺铒铌酸锂晶体的光学性能.对由该材料制成的光放大器进行了理论分析.由此可以得出只要晶体的质量足够好.那么制成有实用价值的掺铒铌酸钾晶体光放大器是完全可能的.     

铌酸锂晶体波导散斑温度传感器的研究

采用飞秒激光直写技术在铌酸锂晶体中写入圆柱形包层光波导,利用激光在波导中传输所产生的散斑,基于平均散斑强度变化算法实现了对外界温度的传感,并验证了波导芯径对传感灵敏度的影响。实验证明,该传感器对温度的传感精度可达0.05℃,其动态范围可达20℃,且芯径为60μm的光波导较30μm光波导的传感灵敏度更高。该方案凭借晶体波导几何尺寸的特征,有效减小了传感系统的体积,并进一步拓展了晶体波导在集成光学系统中的应用。     

聚焦离子束对铌酸锂表面加工的形貌控制研究

聚焦离子束是一种高精度、无掩膜的先进微纳加工手段。本文以铌酸锂晶体为研究对象,利用聚焦离子束/电子束双束系统对铌酸锂表面进行图形刻蚀,研究了离子束重复次数/驻留时间、扫描方式、扫描步长及束流大小等刻蚀参数对图形加工造成的影响。结合利用扫描电子成像和原子力显微镜三维形貌测量,对不同参数下的刻蚀形貌进行观察分析。该研究为实现基于铌酸锂材料的超低损耗光存储、光传导器件提供了重要的工艺参考依据。     

硅基钽酸锂压电单晶复合薄膜材料及应用

绝缘体上压电基板(POI)是一种新兴的压电单晶复合薄膜结构材料。POI基板由压电单晶材料薄层(单晶钽酸锂/铌酸锂)、二氧化硅层及高阻硅衬底构成,采用Smart-Cut工艺制备,可保证板层高均匀度及高质量的批量生产。通过这种基板可设计满足5G通信要求的高性能集成声表面波(SAW)谐振器和滤波器。基于POI材料制备的SAW器件具有高频、高品质因数(Q)值、低温度敏感性及较大带宽等优良特性,同时还能在同一芯片上集成多个SAW滤波器,具有广阔的市场应用前景。该文介绍了POI基板的制备、国内外的研究现状及POI基板在高性能SAW滤波器中的应用,综述了制备POI基板的关键技术并展望了未来的发展趋势。     

同成份掺杂铌酸锂晶体中紫外-红光非挥发全息存储的研究

我们研究了单掺镁、锌、铟的同成份铌酸锂晶体的紫外-红光双色非挥发全息存储性质。通过对不同掺杂浓度铌酸锂晶体的紫外-红光双色全息存储衍射效率、灵敏度、响应时间、动态范围等参数的测量，我们发现掺杂浓度超过抗光损伤阈值的同成份铌酸锂晶体在引入紫外光辐照后，响应时间明显缩短，双色记录灵敏度显著增加，而且存储机制不同于低于阈值浓度的晶体，均可以实现非挥发全息存储；并且，对于不同的掺杂离子，光折变光栅的形成机制也有所不同。     

激光波长对镁钌铁铌酸锂的全息存储性能影响

在生长Fe∶LiNbO3熔体中掺进摩尔分数x(Ru2O3) =0.1％和x(MgO)=1％、3％、7％,用提拉法生长镁钌铁铌酸锂(Mg ∶ Ru∶Fe∶LiNbO3)晶体.通过二波耦合光路,分别以红光(632.8 nm)、绿光(532 nm)和蓝光(476 nm)为光源测量晶体的全息存储性能.实验结果表明,在476 nm下,Mg∶Ru∶Fe∶LiNbO3晶体全息存储性能随着Mg离子掺杂浓度的增加而呈现逐渐增强的趋势,与其在红光和绿光下不同.研究了Mg离子掺杂浓度的增加使Mg∶Ru∶Fe∶LiNbO3晶体的蓝光全息存储性能增强的机理.