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铌酸锂薄膜光波导与光子器件研究

李学鹏  
【摘要】:铌酸锂(LiNbO_3)晶体是一种具有优异的电光与声光效应的光学材料。因其良好的物理、化学稳定性、宽的光学低损耗窗口(0.4μm-4.5μm)、较大的电光系数(γ_(33)=30 pm/V)以及优异的二阶非线性效应,近几十年来在光子器件领域一直受到广泛的关注。截止目前,利用成熟的退火质子交换或钛扩散工艺在晶片型铌酸锂体材料上制作的各种光子器件已经在光纤通信、量子通信、光纤陀螺、以及微波光子领域得到了广泛的应用。但遗憾的是,通过上述工艺制作得到的铌酸锂扩散型光波导的折射率差较小,难以实现微小型铌酸锂光子器件进而实现高集成度的光子芯片,导致晶片型铌酸锂体材料不能支持光子器件的集成化这一重要发展方向。幸运的是,铌酸锂薄膜可以很好地弥补晶片型铌酸锂体材料这一缺点。铌酸锂薄膜作为一种全新的集成光学材料,可以很好地将材料优异的电光、声光、非线性等性能与结构紧凑的光波导相结合,同时,基于铌酸锂薄膜的光子器件具有波导截面尺寸小、电场密度高、非线性效应强、半波电压长度积低、尺寸小等优点。因此,实现高质量的光波导进而实现微小型高性能光子器件以及高集成度的光子芯片是基于铌酸锂薄膜材料重要的研究方向。本文针对铌酸锂薄膜这一全新的集成光学材料,开展了从光波导制作工艺到光子集成器件较为系统的研究,论文的主要内容及创新如下:1.基于铌酸锂薄膜首次使用质子交换与干法刻蚀相结合的制作工艺制作了高折射率差的光波导,实现了铌酸锂薄膜光波导及相应器件制作工艺的创新。光波导是搭建光子集成器件的基本单元,高质量的光波导对实现高性能的光子器件至关重要。作为新近出现的集成光学材料,铌酸锂薄膜光波导的制作工艺还不尽成熟,鉴于此,论文在充分调研已报道的铌酸锂薄膜光波导制作工艺的基础上,提出了在铌酸锂薄膜上使用质子交换和干法刻蚀相结合的光波导制作工艺。该工艺不仅较好地解决了在干法刻蚀时以含氟元素气体刻蚀铌酸锂薄膜制作的光波导深度较浅,和以氩气刻蚀铌酸锂薄膜制作的光波导侧壁倾斜角较大的问题,而且还是一种高效的光波导深刻蚀工艺。利用该工艺基于x切铌酸锂薄膜首次实现了刻蚀深度约为900 nm,宽度为1μm的矩形光波导,并对制作的弯曲波导与直波导进行了弯曲损耗、传输损耗、波导-光纤耦合损耗的测量以及线偏振输入光偏振旋转的研究,进一步评估了工艺性能,为随后的器件研制奠定了较好的基础。2.研制了一种微小型铌酸锂薄膜电光调谐光交错滤波器,首次实现了光交错滤波器的高速电光调谐功能。光交错滤波器是光通信与微波光子领域的重要器件,微小型高速调谐光交错滤波器对于减小相关系统的尺寸,实现系统的快速调谐、重构功能具有重要意义。论文面向这一应用需求,基于x切铌酸锂薄膜设计了一种非对称马赫-曾德尔干涉仪结构的电光调谐光交错滤波器,并设计制作了相应的光刻掩膜版,然后利用本文提出的质子交换与干法刻蚀相结合的光波导制作工艺制作了相应的器件。所制作的器件长度仅为4 mm,电光作用长度为1.35 mm,测试结果表明,在1528-1605 nm的工作波长范围内,实现了信道间隔为49.7 GHz的交错滤波功能,并通过采用推挽电极分别实现了18 pm/V(TE偏振输入光)和16 pm/V(TM偏振输入光)的电光调谐效率。3.基于铌酸锂薄膜研制了首个单片集成可重构的1×4电光调谐光交错滤波器,探索了铌酸锂薄膜光子器件的集成技术,为铌酸锂薄膜光子集成芯片的研制奠定了一定的基础。单片集成的多路光交错滤波器不仅可以避免分立器件因其较大的体积和较多的光接口而导致的性能不稳定,而且进一步地结合器件的高速电光调谐功能则可用于实现波长选择开关及路由功能,具有重要的应用价值。论文在此前微小型铌酸锂薄膜电光调谐光交错滤波器研究的基础上,设计并制作了单片集成可重构的1×4电光调谐光交错滤波器,该器件在设计上采用了三个非对称马赫-曾德尔干涉仪及三个独立调谐的推挽电极两级级联的方式,是迄今为止所报道的结构中最为复杂的铌酸锂薄膜光子器件之一。所研制的器件在1530-1605 nm的波长范围内实现了四个相邻信道间隔为50 GHz的交错滤波功能和单通道波长间隔为200 GHz的梳状滤波功能,实现了高速调谐的波长路由及波长选择开关功能,其针对TE和TM偏振输入光的开关电压分别为4.5 V和6.7 V。


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