薄膜鈮酸鋰電場傳感器

正文

薄膜鈮酸鋰電場傳感器

（本文譯自Thin film lithium niobate electric field sensors（Seyfollah Toroghi ,Payam Rabieia)）

1介紹

電光電場(E-field)傳感器在許多應(yīng)用中都需要攒砖，例如天線近場表征，太赫茲信號檢測日裙，加速器中的帶電粒子束表征吹艇，電網(wǎng)監(jiān)測，和射頻消融手術(shù)阅签。電光方法是測量電場的zui佳方法之一掐暮，電場會導(dǎo)致電光晶體的折射率變化。然后可以用精確的測量設(shè)備檢測到這種變化政钟。由于電光材料是一種介電材料路克，它不會干擾或散射電磁場樟结。此外，由于光纖電纜用于傳輸信號精算，任何附加的布線都不會吸收噪音瓢宦，因此，探頭可以在非常嘈雜的環(huán)境中使用灰羽，并且測量的信號僅與探頭位置的e場有關(guān)驮履。zui后，電光響應(yīng)非沉溃快玫镐，因此電光電場傳感器可以用來調(diào)制光信號，從而檢測太赫茲范圍內(nèi)的電信號怠噪。

大尺寸回音壁模式環(huán)形諧振器調(diào)制器和波導(dǎo)馬赫-曾德爾調(diào)制器已被用于檢測射頻e場恐似。具有高品質(zhì)因數(shù)的光環(huán)諧振器可以提高傳感器的靈敏度，但測量帶寬(BW)將受限于微環(huán)諧振器的帶寬波導(dǎo)馬赫曾德爾調(diào)制器具有較高的帶寬傍念，但體積大矫夷，空間分辨率低另外，塊狀晶體可用于測量電場憋槐，其長達幾毫米双藕，可以達到0.1 V/(m Hz^1/2)的靈敏度水平。

薄膜鈮酸鋰(TFLN)器件zui近被用于光學(xué)調(diào)制器阳仔、微波移頻器忧陪、梳狀發(fā)生器和各種其他光子器件功能。提出了基于TFLN技術(shù)的電磁場傳感器驳概。

在給定電場與光信號相互作用長度的情況下赤嚼，電場傳感器靈敏度的優(yōu)劣值與r/ε成正比，其中r為電光系數(shù)顺又，ε為電光材料的射頻介電常數(shù)。對于TFLN傳感器等孵，由于薄膜層的體積比襯底小稚照，因此有效射頻介電常數(shù)近似等于襯底介電常數(shù)。石英的介電常數(shù)比鈮酸鋰的介電常數(shù)小20倍俯萌。因此果录，通過在低介電常數(shù)襯底(如石英)上使用TFLN波導(dǎo)，可以實現(xiàn)顯著高于具有相同相互作用長度的體或波導(dǎo)傳感器的靈敏度水平咐熙。

此外弱恒，TFLN傳感器允許太赫茲信號和光信號之間的相位匹配以前，使用相位匹配的TFLN波導(dǎo)調(diào)制器已經(jīng)在實驗中實現(xiàn)了高達太赫茲的調(diào)制速度在TFLN平臺中棋恼，太赫茲信號的有效折射率幾乎等于SiO²(或石英襯底)的折射率(在波長為1550 nm時為~ 2)返弹，并且不受亞微米厚TFLN的影響锈玉。該折射率接近于通過TFLN波導(dǎo)的光導(dǎo)模的有效折射率。因此义起，在太赫茲信號和光信號之間更容易實現(xiàn)相位匹配拉背。自由空間TFLN調(diào)制器可以用來表征太赫茲自由空間信號。

zui后默终，利用TFLN技術(shù)椅棺，可以制造更復(fù)雜的傳感器，如波導(dǎo)微環(huán)諧振器齐蔽。這同時實現(xiàn)了小尺寸和高靈敏度两疚，這是許多電磁場傳感器的新應(yīng)用所需要的，如微波消融手術(shù)或電子電路檢測設(shè)備含滴。本文綜述了利用TFLN技術(shù)制備微環(huán)和馬赫-曾德傳感器的研究進展诱渤。

2．設(shè)備結(jié)構(gòu)

馬赫-曾德爾調(diào)制器、微環(huán)結(jié)構(gòu)和馬赫-曾德爾干涉儀耦合環(huán)結(jié)構(gòu)(MZICR)分別如圖1(A) -1 (c)所示蛙吏，是三種不同的器件結(jié)構(gòu)源哩，用于電光電場傳感器。所有的結(jié)構(gòu)都是通過將器件蝕刻到與石英襯底結(jié)合的TFLN中來制造的鸦做，該襯底與集成光子芯片通過光纖耦合励烦，該芯片具有光柵耦合器，可以將光纖中的光耦合到芯片上的亞微米鈮酸鋰光波導(dǎo)上泼诱。

圖1所示坛掠。(a)馬赫-曾德電磁場傳感器原理圖，(b)微環(huán)諧振器傳感器治筒，(c)馬赫-曾德干涉儀耦合微環(huán)諧振器原理圖屉栓。

對于Mach-Zehnder器件結(jié)構(gòu)，耦合光使用1×2多模干涉(MMI)耦合器裝置在Mach-Zehnder干涉儀的兩臂之間進行分割耸袜。Mach-Zehnder干涉儀的一個臂被極化以逆轉(zhuǎn)鈮酸鋰晶體的自發(fā)極化方向友多。因此，對于一個手臂堤框，折射率增加給定的e場域滥，而對于相同的e場，另一個手臂的折射率減少蜈抓。因此启绰，通過兩個臂的光的相位在相反的方向上被調(diào)制。輸出的MMI耦合器將這兩個調(diào)相信號組合在一起沟使，產(chǎn)生一個強度調(diào)制信號委可。基于大塊鈮酸鋰結(jié)構(gòu)的Mach-Zehnder 電場傳感器帶寬限制在20GHz腊嗡，而基于TFLN結(jié)構(gòu)的Mach-Zehnder 電場傳感器可以檢測到幾個太赫茲的電場着倾。利用TFLN波導(dǎo)技術(shù)拾酝，可以設(shè)計傳播太赫茲信號與光波之間的相位匹配。理論上可以實現(xiàn)10THz的調(diào)制帶寬屈呕，實驗表明調(diào)制速度接近1THz微宝。電光調(diào)制器的頻率相關(guān)傳遞函數(shù)可由下式表達

式中，l虎眨、ωRF蟋软、nRF、no分別為電光調(diào)制器長度嗽桩、射頻頻率岳守、射頻折射率、光學(xué)折射率碌冶。對于我們目前正在生產(chǎn)的使用鈮酸鋰厚度為600 nm的非好相位匹配器件湿痢，圖2顯示了不同長度器件的歸一化調(diào)制響應(yīng)∣TRF∣²作為調(diào)制頻率的函數(shù)。使用我們目前的600 μm長器件扑庞，理論帶寬接近600 GHz譬重。

圖2所示。計算了不同器件臂長TFLN(厚度為600 nm)調(diào)制器的調(diào)制帶寬罐氨。

對于微環(huán)結(jié)構(gòu)臀规，生產(chǎn)了兩種類型的器件。圖1(b)顯示了一個簡單的環(huán)形結(jié)構(gòu)耦合到波導(dǎo)栅隐。對間隙進行了優(yōu)化塔嬉，以實現(xiàn)臨界耦合。將激光波長調(diào)整到接近器件的共振波長租悄，以實現(xiàn)高的調(diào)制信號谨究。該微環(huán)型器件不需要插桿，簡化了其制造過程泣棋。另外胶哲，可以使用MZICR裝置，其激光波長調(diào)整到諧振器的波長潭辈。電磁場引起相位調(diào)制纪吮，通過馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制信號。對于MZICR型器件萎胰，不僅可以獲得略高的靈敏度，而且可以采用平衡檢測方案來降低噪聲棚辽。此外技竟，與簡單的微環(huán)設(shè)備相比，控制激光波長以匹配諧振器的共振更容易屈藐，因為有兩個輸出可用榔组。然而熙尉，所有基于諧振的器件在調(diào)制帶寬方面都有固有的限制，其近似等于諧振器線寬搓扯。

3．制作過程

基于TFLN平臺的光學(xué)Mach-Zehnder調(diào)制器的制作流程如圖3.10,13所示检痰。TFLN平臺是通過使用晶體離子切片方法將薄層鈮酸鋰轉(zhuǎn)移到石英襯底上實現(xiàn)的，如圖3(a)和3(b)所示锨推。將大塊鈮酸鋰晶體離子注入并結(jié)合到石英襯底上铅歼。隨后的加熱過程將一層薄薄的鈮酸鋰轉(zhuǎn)移到石英襯底上。轉(zhuǎn)移的單晶TFLN具有與大塊鈮酸鋰晶體相同的光學(xué)和電光性質(zhì)换可。制備TFLN后椎椰，將電極放置在樣品上進行后續(xù)的極化處理，如圖3(c)和3(d)所示沾鳄。然后使用高壓電源為Mach-Zehnder型傳感器對設(shè)備進行極化慨飘，其中對Mach-Zehnder傳感器的選擇臂進行極化，如圖3(d)所示译荞。為了使器件極化瓤的，將其浸入硅油中，并對樣品施加高于鈮酸鋰矯頑力場(~ 22 kV/mm)的e場吞歼。圖4顯示了通過該器件的典型極化電流圈膏。然后取出電極。下一步浆熔，使用電子束光刻對傳感器的光學(xué)電路進行圖像化售葡，并通過干蝕刻鈮酸鋰層形成，如圖3(e)所示管搪。圖3(c)和圖3(d)中所示的制造步驟被省略谅河，用于制造環(huán)形諧振器傳感器，其中器件結(jié)構(gòu)被蝕刻到鈮酸鋰層中叶骨，沒有任何電極或極化過程茫多。光纖v型槽陣列隨后被對準(zhǔn)并連接到器件上，以實現(xiàn)光纖耦合器件結(jié)構(gòu)忽刽。關(guān)于制造過程和器件結(jié)構(gòu)的更多細節(jié)在參考文獻10中進行了解釋天揖。

圖3所示」虻郏基于TFLN的Mach-Zehnder傳感器芯片的制造工藝步驟今膊。(a)離子注入和鈮酸鋰晶體與石英襯底的結(jié)合。虛線表示鋰鈮酸鹽層的離子注入層伞剑。(b)晶體離子切片工藝及TFLN生產(chǎn)斑唬。(c)極化電極沉積。(d)高壓極化過程。電子束光刻恕刘、蝕刻缤谎、波導(dǎo)形成和聚合物鈍化層沉積。箭頭表示TFLN層的自發(fā)極化方向褐着。

圖4所示坷澡。通過器件的典型極化電流。

4．器件特性

A.環(huán)形諧振式電場傳感器

圖5(a)顯示了一個制造和封裝的基于微環(huán)諧振器的電磁場傳感器的圖像含蓉∑盗玻可以看出，封裝的傳感器非常緊湊谴餐。目前封裝的器件max可達3 ×3 mm²姻政。然而，未封裝的器件可以設(shè)計成整個器件與光纖直徑一樣小(即250 μm)岂嗓。微環(huán)諧振器和馬赫-曾德爾調(diào)制器的光纖間插入損耗為13 dB[見圖5(b)]汁展。圖5(c)顯示了制造的環(huán)形諧振器的光傳輸。環(huán)形諧振器的質(zhì)量因子為1.2 ×10⁵厌殉，線寬為12 pm (1.5 GHz)食绿，計算的傳播損耗為2.5 dB/cm[見圖5(d)]。通過改進制造工藝公罕，可以實現(xiàn)0.1 dB/cm的低插入損耗器紧，從而獲得更好的靈敏度。然而楼眷，由于諧振會更窄铲汪，這將限制器件的工作帶寬，并且為了獲得更高的靈敏度罐柳，將需要非常窄的激光線寬掌腰，因為任何相位噪聲都會在微環(huán)諧振器器件后轉(zhuǎn)換為強度噪聲。使用該技術(shù)张吉，預(yù)計靈敏度級別為5 mV/mHz^1/2齿梁，max帶寬為~ 300 MHz。

圖5所示肮蛹。(a)封裝的電場傳感器頭勺择，(b)測量光柵耦合器的插入損耗(通過兩個輸入和輸出耦合器后)，(c)制造的環(huán)形諧振器在TFLN上的歸一化傳輸伦忠，(d)擬合數(shù)據(jù)計算波導(dǎo)的傳播損耗省核。

圖6所示。電場環(huán)形諧振器傳感器在100khz昆码、12v正弦電壓下電極間隙為14mm時的響應(yīng)測量芳撒。

圖6顯示了微環(huán)形諧振器傳感器的靈敏度測量結(jié)果邓深，其中將光纖連接的環(huán)形諧振器放置在提供均勻電場的平行板電容器內(nèi)。使用函數(shù)發(fā)生器對電容器極板施加100 kHz和12 V的正弦偏置笔刹。電容器極板間距設(shè)為14mm。我們使用了一種低成本的分布式反饋(DFB)激光器冬耿，其中進行溫度調(diào)諧以將激光的波長鎖定在諧振器的共振波長上舌菜。激光器輸出功率為12.7 dbm，采用轉(zhuǎn)換增益為40000 V/W的探測器亦镶。圖6顯示了使用電氣頻譜分析儀測量的信號日月。測量了?31 dBm的信號，噪聲本底為?86 dBm缤骨“В考慮到光譜儀的分辨率帶寬(BW)為10 Hz，傳感器的靈敏度為180mv /(mHz^1/2)绊起。

圖7所示精拟。(a)測量的傳輸頻譜，(b)測量的MZICR諧振器結(jié)構(gòu)器件的頻率響應(yīng)虱歪，(c)傳感器高頻特性的測量設(shè)置蜂绎，(d)測量的面內(nèi)和面外電場與傳感器相對于傳輸線的位移的關(guān)系。

圖7(a)為實測的MZICR透射譜笋鄙。這種類型的傳感器在共振波長處靈敏度高师枣。使用頻譜分析儀測量該傳感器的靈敏度為80mV/(m Hz^1/2)。使用MZICR結(jié)構(gòu)萧落，靈敏度提高了2倍践美。此外，雙輸出允許使用平衡的檢測方案找岖，這反過來又導(dǎo)致更容易控制和鎖定諧振波長到這種類型的傳感器的激光波長的能力陨倡。利用來自平衡探測器和反饋回路的測量信號，我們調(diào)整激光波長以跟蹤由于小溫度變化引起的共振位移宣增。因此玫膀，我們可以很容易地控制激光波長使用一個簡單的反饋回路的MZICR結(jié)構(gòu)。

圖7(b)顯示了使用射頻信號發(fā)生器測量共面?zhèn)鬏斁€頂部電場的MZICR器件的測量頻率響應(yīng)爹脾，如圖7(c)所示帖旨。本次測量的射頻功率為23 dBm。共面?zhèn)鬏斁€端接在一個50-Ω電阻中灵妨。該裝置具有高達2.5 GHz的平坦頻率響應(yīng)解阅，并且在此測量中使用的檢測器帶寬為2.5 GHz。因此泌霍，2.5 GHz處的信號下降與探測器的帶寬有關(guān)货抄，而與器件無關(guān)述召。

圖7(d)顯示了測得的電場與探頭空間位置相對于傳輸線的關(guān)系。在共面?zhèn)鬏斁€頂部位移傳感器時蟹地，利用微米級測量了不同分量的電場积暖。測量結(jié)果符合理論要求，具有良好的空間分辨率怪与。

這些傳感器的靈敏度與其他使用幾毫米長的相互作用長度的技術(shù)相當(dāng)夺刑。環(huán)形結(jié)構(gòu)是一種非常緊湊的傳感器，它可以用于同時需要高靈敏度和高空間分辨率的應(yīng)用分别，例如醫(yī)療程序遍愿，等離子體表征和印刷電路板電磁兼容性測量。

B. Mach-Zehnder電光電場傳感器

使用極化Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)耘斩，如圖1(a)所示沼填，我們制造并測試了電場傳感器。如前所述括授，該裝置使用平行板電容器放置在電場內(nèi)坞笙。函數(shù)發(fā)生器用于向電容器板施加100 kHz, 12 V的正弦電壓。電容器板的間距設(shè)置為從14到73毫米不等刽脖。激光功率設(shè)置為12.7 dBm羞海。采用增益為40000 V/W的平衡檢測器。圖8(a)顯示了當(dāng)施加的正弦電場通過增加平行板電容器之間的間隙而變化時的測量信號曲管，以及20mm間隙時的測量信號却邓。信號與電極之間的距離成反比線性(帶偏置)。偏置是由于傳感器介電常數(shù)的負載效應(yīng)導(dǎo)致平行板電容器的場發(fā)生輕微變化院水。圖8(b)顯示了在600 V/m正弦e場下使用頻譜分析儀測量的信號腊徙，其中測量了?56 dBm的信號，本底噪聲為?92 dBm檬某∏颂冢考慮到光譜儀的分辨率帶寬(BW)為10Hz，計算出傳感器的靈敏度低至2.2 V/(m Hz^1/2)恢恼，估計帶寬為600 GHz民傻。我們已經(jīng)測試了傳感器在0-100℃范圍內(nèi)的功能，傳感器的響應(yīng)和靈敏度不受該范圍內(nèi)溫度變化的影響场斑。

圖8所示漓踢。(a)測量的電場與電容間隙(圓)和測量的電場與電容間隙(菱形)的反比，用于馬赫-曾德兒電場傳感器漏隐，用于100kHz的12V正弦信號喧半。(b)馬赫-曾德爾電場傳感器在100kHz、12V正弦電壓青责、20mm間隙下的實測響應(yīng)挺据。

5．結(jié)論

設(shè)計取具、制作了基于TFLN的電光電場傳感器，并對其進行了表征扁耐。本文研究了環(huán)形諧振器和馬赫-曾德爾型兩種類型的電場傳感器暇检。該平臺包括位于石英襯底上的鈮酸鋰板層頂部的干蝕刻鈮酸鋰截面。制造的器件采用光纖V型槽陣列封裝做葵，其中每個光柵耦合器的插入損耗為6.5 dB占哟。MZICR諧振器和Mach-Zehnder諧振器的靈敏度分別為80 V/(m Hz^1/2)和2.2 V/(m Hz^1/2)。

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