薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器在太赫茲頻段的應(yīng)用

正文

薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器在太赫茲頻段的應(yīng)用

（本文譯自Thin film lithium niobate optical modulators for THz frequency

applications（Seyfollah Toroghia, John Rollinsonb）

1介紹

太赫茲（THz）頻率范圍覆蓋了0.1 THz到10 THz的電磁頻譜，這是一個(gè)目前高度研究的頻率范圍。太赫茲波光子具有獨(dú)特的特性蜡娶，使它們能夠用于多種應(yīng)用混卵。太赫茲信號能夠穿透許多光學(xué)信號無法穿透的材料，因此窖张，它們可以用來觀察不透明材料的內(nèi)部幕随。例如，這在安全領(lǐng)域有應(yīng)用宿接。太赫茲波的另一個(gè)應(yīng)用是在分子檢測方面赘淮。空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)需要低成本的太赫茲氣體光譜工具來監(jiān)測空氣質(zhì)量和檢測污染物睦霎。隨著無線通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)速率的增加梢卸，需要使用接近太赫茲頻率范圍的更高載波頻率。所有這些應(yīng)用都需要在太赫茲頻率范圍內(nèi)對信號進(jìn)行表征副女。

為了對太赫茲波信號進(jìn)行表征蛤高，非常好的方法是將太赫茲波信號轉(zhuǎn)換為光子信號，并使用光信號表征工具碑幅。任何太赫茲光子信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵組件都是能夠在太赫茲頻率調(diào)制光信號的光調(diào)制器戴陡。我們已經(jīng)開發(fā)了一種調(diào)制器技術(shù)，可以用于在太赫茲頻率調(diào)制光信號沟涨。我們的技術(shù)允許制造能夠在太赫茲頻率范圍內(nèi)調(diào)制光載波信號的薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器恤批。一旦將太赫茲波信號轉(zhuǎn)換為光頻率，就可以在光域中執(zhí)行光子信號處理功能拷窜。利用我們提出的薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器器件开皿，光子技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)都可以用于太赫茲波信號處理應(yīng)用。

1.1 調(diào)制帶寬 

太赫茲頻率調(diào)制的關(guān)鍵技術(shù)是目前正在開發(fā)的薄膜鈮酸鋰技術(shù)篮昧。使用薄膜鈮酸鋰，可以完美地相位匹配太赫茲波信號和光信號笋妥，實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾十太赫茲的調(diào)制速度是可行的懊昨。這種相位匹配之所以可能，是因?yàn)樘掌澬盘柕挠行?mark class="span_mark" data-type="1">折射率（由于其波長很長）不受亞微米厚的鈮酸鋰薄膜的影響春宣。太赫茲波信號的有效折射率幾乎等于二氧化硅（或石英基底）的折射率酵颁。

石英在太赫茲頻率下的折射率約為2。另一方面月帝，對于波長較小的光信號(即1.55 um)躏惋，導(dǎo)模的有效折射率接近鈮酸鋰的光學(xué)折射率，也近似等于2嚷辅。因此簿姨，在薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)調(diào)制器中實(shí)現(xiàn)太赫茲信號和光信號的相位匹配成為可能。圖1(a)顯示了薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器包括輸入和輸出光柵耦合器扁位，用于在光纖和薄膜調(diào)制器器件之間耦合光准潭，以及使用兩條臂的馬赫-曾德爾調(diào)制器部分。如果使用自由空間太赫茲波信號進(jìn)行調(diào)制域仇，可以將其中一只手臂極化刑然，使鈮酸鋰晶體的自發(fā)極化方向相反，從而在給定電場下實(shí)現(xiàn)相反的折射率變化暇务，從而在輸出中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制泼掠。或者垦细，如果使用金屬電極择镇，則不需要極化，并且與另一只手臂相比蝠检，一只手臂的電場將被逆轉(zhuǎn)沐鼠。圖1(b)顯示了不同臂長下典型鈮酸鋰薄膜器件的計(jì)算調(diào)制帶寬√舅可以看出饲梭，這些薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器設(shè)備的調(diào)制帶寬可以達(dá)到數(shù)太赫茲。通過設(shè)計(jì)薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更好的相位匹配焰檩，可以進(jìn)一步增加薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器設(shè)備帶寬憔涉。

圖1所示 (a) 太赫茲調(diào)制器器件示意圖;(b) 計(jì)算不同長度的設(shè)備臂薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的調(diào)制帶寬

2. 制造工藝及基本特性

我們的薄膜制造技術(shù)是基于在硅或石英襯底上轉(zhuǎn)移晶體離子切片薄層鈮酸鋰。我們的技術(shù)采用離子注入、晶圓鍵合笋轨、晶體離子切片等方法制備鈮酸鋰單晶薄膜躏率。用這種方法制備的薄膜是單晶的，其光學(xué)和電光性質(zhì)與大塊單晶晶體相同国旷。

圖2展示了我們基于鈮酸鋰薄膜平臺的鈮酸鋰電光調(diào)制器的制造流程。薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)是通過干法蝕刻已沉積的SiN或直接蝕刻LN形成的茫死。在本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中跪但，我們使用了混合SiN-LN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在形成MESA結(jié)構(gòu)后峦萎，涂覆聚合物層屡久，然后在電極位置進(jìn)行蝕刻。射頻電極zui終通過剝離工藝形成爱榔。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由鈮酸鋰核心區(qū)域的薄層被环、二氧化硅（SiO2）底部包層，以及折射率匹配的肋區(qū)域（在這種情況下是硅氮化物）組成详幽。

波導(dǎo)筛欢、多模干涉器（MMI）耦合器和光柵耦合器的性能模擬結(jié)果表明，300 nm SiN肋層疊加在300nm LN層上的混合平臺適合太赫茲信號的電光采樣。下一節(jié)所展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是基于薄膜鈮酸鋰這個(gè)波導(dǎo)平臺悴能。

圖2.高折射率對比度薄膜鈮酸鋰混合波導(dǎo)的制造流程

器件布局和制作器件如圖3所示揣钦。光通過為TE模式設(shè)計(jì)的光柵耦合器從光纖耦合到波導(dǎo)中。耦合到芯片上的光通過多模干涉器（MMI）耦合器平均分配到馬赫-曾德爾（MZ）調(diào)制器的兩個(gè)臂上漠酿。馬赫-曾德爾（MZ）調(diào)制器中每個(gè)臂的長度為6 mm冯凹。然后，馬赫-曾德爾調(diào)制器的兩個(gè)臂中的光再次通過多模干涉器耦合器合并炒嘲，并使用第二個(gè)光柵耦合器耦合到輸出光纖宇姚。切割后的設(shè)備的總長度和寬度分別為6.5 mm和0.7 mm。圖3中的布局是使用電子束光刻寫的夫凸，圖案通過RIE/ICP刻蝕轉(zhuǎn)移到我們的混合SiN/LN平臺上浑劳。圖3中的布局還顯示了攜帶射頻信號的調(diào)制電極。

圖3 給出了馬赫-曾德爾（MZ）調(diào)制器的布局和加工切塊芯片的圖像

2.2 低頻特性

圖4(a)顯示了光通過兩個(gè)光柵耦合器（即光纖到光纖插入損耗）后的測量插入損耗與波長的關(guān)系夭拌。我們的光柵耦合器實(shí)現(xiàn)了小于-10 dB的插入損耗魔熏。考慮到在不到一毫米長的波導(dǎo)中鸽扁，輸入和輸出耦合器之間的傳播損耗可以忽略不計(jì)蒜绽，每個(gè)耦合器的耦合損耗約為5 dB。測量的耦合器3 dB光纖到光纖帶寬為45 nm桶现。根據(jù)理論計(jì)算躲雅，每個(gè)耦合器預(yù)期損耗為-4 dB。

圖4. (a) 測量的光柵耦合器插入損耗（光通過兩個(gè)輸入和輸出耦合器后）骡和。(b) 電極間隙為7 um的馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）的響應(yīng)——橙色的三角形波形是施加的電壓相赁，藍(lán)色曲線是觀察到的調(diào)制。兩個(gè)電極都是6 mm長慰于。

我們通過施加大約10 kHz的鋸齒波調(diào)制電壓來表征制造出的器件钮科。圖4(b)為電極間距為7 μm的器件所施加的低頻電信號和測量的光調(diào)制信號。正如圖4(b)所示婆赠，設(shè)備的Vπ（π相位電壓）為7.5 V跺嗽。由于電極長度為6 mm，測量的半波電壓-長度乘積Vπ.L等于約4.5 V·cm页藻。在馬赫-曾德爾調(diào)制器中測量到的消光比（ER）約為24 dB。

3.  高速調(diào)制特性

圖5顯示了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖植兰》菡剩可調(diào)諧c波段激光器(Pure Photonics PPCL100)工作在1550 nm (193.5 THz)，Max光功率為13.5 dbm (22.4 mW)楣导。光纖偏振控制器(ThorLabs .FPC560)是一種手動(dòng)槳式控制器废境，調(diào)整后可提供垂直偏振光束。光學(xué)光譜分析儀（ID-Photonics ID-OSA-MPD-00）以1 Hz的速率掃描C波段，分辨率帶寬為1.7 GHz噩凹，采樣間隔為312.5 MHz巴元。OSA的動(dòng)態(tài)范圍為45 dB。兩個(gè)馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）設(shè)備經(jīng)過測試驮宴，測量的光學(xué)插入損耗分別為17 dB和14 dB逮刨。射頻信號發(fā)生器（Agilent 8257D）用于生成1-20 GHz之間的頻率，Max輸出功率為14 dBm（25 mw）堵泽。偏置-T（Anritsu K250）用于將直流偏置應(yīng)用于射頻信號修己。射頻信號被送入一個(gè)射頻放大器（Mini Circuits ZVA-213-S+），增益為26 dB（P1dB = 24 dBm）迎罗。在頻率依賴性測量期間應(yīng)用增益平坦化睬愤，以保持在1-20 GHz范圍內(nèi)恒定的20 dBm（100 mw）輸出功率。射頻信號通過一個(gè)微探針（Form-Factor/Cascade ACP40-LGSG-150）耦合到馬赫-曾德爾干涉儀纹安，典型的插入損耗為0.6 dB尤辱。

圖5   用于光學(xué)邊帶表征的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

射頻阻抗匹配和插入損耗通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Anritsu 37397C，帶寬65 GHz）進(jìn)行散射參數(shù)表征來測量厢岂，該分析儀使用標(biāo)準(zhǔn)的SOLT程序進(jìn)行校準(zhǔn)光督。還使用了第二個(gè)相同的微探針（FormFactor/Cascade ACP40-L-GSG-150）進(jìn)行這種表征。

圖6為10 GHz和15 GHz射頻調(diào)制頻率下光邊帶生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果;分別對24 dBm和20 dBm射頻功率進(jìn)行了仿真咪笑，并與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行了比較可帽。利用載波帶和一階邊帶之間的功率差從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中估計(jì)出調(diào)制指數(shù)值。模擬結(jié)果說明了在實(shí)驗(yàn)中預(yù)期觀察到的邊帶數(shù)量窗怒，考慮到可用的光激光器和射頻功率映跟、已知的光和共面波導(dǎo)特性、光和射頻插入損耗扬虚，以及光學(xué)光譜分析儀（OSA）的靈敏度努隙。

圖6. 在10 GHz（a,c）和15 GHz（b,d）的射頻頻率下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的邊帶與模擬產(chǎn)生的邊帶進(jìn)行比較辜昵，相應(yīng)的射頻功率分別為24 dBm和20 dBm荸镊。第1階邊帶的幅度被標(biāo)記為參考點(diǎn)

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量了散射參數(shù)，以確定射頻阻抗匹配和插入損耗堪置。圖7顯示了在1-50 GHz范圍內(nèi)的射頻阻抗匹配（S11）和插入損耗（S21）躬存。S11在整個(gè)頻率范圍內(nèi)小于-10 dB，表明與50 Ω的阻抗匹配良好舀锨。射頻插入損耗在大約16 GHz附近顯示出急劇增加岭洲。

圖7. 設(shè)備射頻阻抗匹配和插入損耗

通過在三個(gè)頻率（10 GHz、15 GHz和20 GHz）下掃描射頻功率坎匿，測量產(chǎn)生可檢測邊帶的Min射頻功率盾剩±准ぃ可檢測邊帶被定義為具有大于3 dB（70 dBm底噪聲）的光信噪比（OSNR）的邊帶。圖8顯示了這種表征的結(jié)果告私。該設(shè)備顯示出良好的射頻功率靈敏度屎暇；在15 GHz下，低至-14.3 dBm的功率水平就能產(chǎn)生可靠的邊帶檢測（表1）驻粟。這相當(dāng)于在假設(shè)設(shè)備電極間隙為6 um和50 Ω阻抗值的情況下根悼，電場靈敏度值約為10,000 V/mHz^0.5。使用具有更好動(dòng)態(tài)范圍70 dB和設(shè)備中較低射頻信號損耗的光譜儀格嗅，預(yù)計(jì)低至-55 dBm的射頻功率水平就能產(chǎn)生可檢測信號番挺，因此，使用我們目前的薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器設(shè)備屯掖，低至約100 V/mHz^0.5的電場值是可檢測的玄柏。

圖8. 在10 GHz、15 GHz和20 GHz下第1階邊帶幅度的射頻功率依賴性

表1：射頻功率檢測閾值

4．總結(jié)

設(shè)計(jì)贴铜、制作了一種基于鈮酸鋰薄膜的電光調(diào)制器粪摘，并對其進(jìn)行了表征。該平臺包括薄層鈮酸鋰核心區(qū)域绍坝，二氧化硅底包層和氮化硅肋區(qū)域徘意。每個(gè)用于將光耦合進(jìn)出薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的光柵耦合器具有5 dB插入損耗和90 nm帶寬。具有0.7 um間隙的6 mm長薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的半波電壓為7.4 V轩褐。該薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的消光比(ER)約為24 dB椎咧。我們研究了電光調(diào)制器設(shè)備的直流漂移。薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器設(shè)備響應(yīng)的高速測量表明把介，使用低成本OSA可以檢測到10 kV/mHz^0.5的太赫茲電場勤讽。基于這些結(jié)果拗踢，我們預(yù)測脚牍，通過使用這些薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器調(diào)制光信號，并使用更好的光學(xué)光譜分析儀檢測調(diào)制后的光信號巢墅，可以檢測到強(qiáng)度低至約100 V/mHz^0.5的太赫茲電場诸狭。

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Proc. of