單晶鈮酸鋰薄膜的光學(xué)常數(shù)以及Y分支波導(dǎo)的研究.pdf

1、鈮酸鋰(lithium niobate，LiNbO3，LN)晶體是一種具有較高的電光系數(shù)、聲光系數(shù)、熱光系數(shù)、非線性光學(xué)系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)的人工合成的多功能負(fù)單軸晶體材料，被比喻成光學(xué)中的“硅”材料。單晶鈮酸鋰薄膜(lithium niobate on insulator，LNOI)成為集成光學(xué)的研究熱點(diǎn)，LNOI具有單晶程度好、折射率差大、限光能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在LNOI上的光波導(dǎo)及光電器件可以擁有更小的尺寸和彎曲半徑，可大幅度提高器件的集成度，

2、降低器件體積、功耗和閾值。
　　單晶鈮酸鋰薄膜在紫外-可見光波段的吸收系數(shù)、折射率等是重要的物理參數(shù)，也是設(shè)計(jì)和研究電光調(diào)制器、非線性相位匹配等器件的基礎(chǔ)，但目前LNOI上這些參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不多。采用透射光譜法測(cè)量了薄膜的光學(xué)常數(shù)（折射率、吸收系數(shù)）以及厚度。透射光譜法具有波長(zhǎng)范圍廣、測(cè)試簡(jiǎn)單、精確度高、無(wú)損檢測(cè)等特點(diǎn)。透射光譜法的基本原理是根據(jù)紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量出的透射譜，擬合出薄膜透射譜中的包絡(luò)線（干涉極大值與干涉極小值組

3、成的線）。用包絡(luò)線來(lái)推測(cè)求出薄膜的折射率、吸收系數(shù)以及厚度，最后再用干涉極值公式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。
　　實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，為了避免襯底的影響，選擇石英作為襯底，石英的透光范圍寬，在近紫外到紅外波段對(duì)光的吸收很微弱。采用Z切向鈮酸鋰薄膜，因?yàn)閆切的樣品在測(cè)量透射譜時(shí)不受雙折射的影響。
　　光纖通信在當(dāng)今社會(huì)中具有舉足輕重的地位，它是用光纖傳遞信息，它的存在改變了人們獲得、傳遞與共享信息的方式。電光調(diào)制器是光纖通信中重要的器件。長(zhǎng)距

4、離通訊中常用的是Mach-Zehnder(M-Z)調(diào)制器，因?yàn)樗哂械万?qū)動(dòng)電壓、高帶寬的特點(diǎn)。
　　鈮酸鋰有著良好的電光效應(yīng)，是制備波導(dǎo)調(diào)制器的首選材料。M-Z電光調(diào)制器的通光光路由兩個(gè)對(duì)稱的Y分支波導(dǎo)對(duì)接而成，其電極采用行波電極結(jié)構(gòu)。
　　我們與一家美國(guó)公司、德國(guó)Helmut Schmidty大學(xué)三方合作，共同研究單晶鈮酸鋰薄膜上鈦擴(kuò)散M-Z調(diào)制器，目標(biāo)是制備調(diào)制帶寬達(dá)到200 GHz。我們主要負(fù)責(zé)單晶鈮酸鋰薄膜的厚度設(shè)計(jì)

5、與M-Z調(diào)制器里的Y分支波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與分析。
　　本文研究?jī)?nèi)容主要包括兩部分:1.單晶鈮酸鋰薄膜的折射率、吸收邊的研究。2.LNOI上Mach-Zehnder調(diào)制器中鈦擴(kuò)散Y分支波導(dǎo)的研究。主要研究結(jié)果如下:
　　1.透射光譜法測(cè)量鈮酸鋰薄膜的折射率、吸收系數(shù)
　　以石英為襯底，制備了3英寸的單晶LiNbO3薄膜，用雙光路紫外可見分光光度計(jì)測(cè)出單晶LiNbO3薄膜的透射譜，采用包絡(luò)法得到了尋常光折射率，并擬合出色散公式，

6、測(cè)得LN薄膜的厚度約為520.7 nm，薄膜的紫外吸收邊在314nm附近。用棱鏡耦合儀測(cè)量出鈮酸鋰薄膜的厚度為521.5 nm，與透射光譜法測(cè)出的膜厚520.7 nm非常一致。測(cè)出波長(zhǎng)為632.8 nm、1539 nm時(shí)，薄膜的尋常光折射率分別為2.279、2.2002，與透射光譜法測(cè)得的結(jié)果一致。
　　2.Mach-Zehnder調(diào)制器中結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究
　　設(shè)計(jì)了調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。軟件研究了LiNbO3薄膜不同厚度下的鈦擴(kuò)散

7、波導(dǎo)的有效折射率，并與微波有效折射率對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在鈮酸鋰薄膜厚度為7.8μm時(shí)，光波與微波能實(shí)現(xiàn)速度匹配。
　　3.LNOI上鈦擴(kuò)散條形光波導(dǎo)的研究
　　模擬了不同波導(dǎo)寬度的光場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在鈮酸鋰薄膜TE、TM模式的單模條件分別是鈦條寬度小于等于0.6μm、1μm，而鈮酸鋰體材料TE和TM模式的單模條件都是鈦條寬度小于等于6.5μm。可見薄膜中的鈦擴(kuò)散波導(dǎo)模式個(gè)數(shù)增加了。
　　4.LNOI上鈦擴(kuò)散Y分支波導(dǎo)的研究
　　

8、設(shè)計(jì)了鈮酸鋰薄膜上的鈦擴(kuò)散Y分支波導(dǎo)，Y分支器總長(zhǎng)度為1600μm，短于鈮酸鋰體材料上的Y分支器。發(fā)現(xiàn)當(dāng)波導(dǎo)彎曲半徑大于1 cm時(shí)，其損耗低于1E-3 dB/cm。模擬了Y分支波導(dǎo)的輸出功率與鈦條寬度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在鈦條寬度小于5μm時(shí)，鈮酸鋰薄膜上的Y分支輸出功率比鈮酸鋰體材料上的Y分支輸出功率要高，最大輸出功率能達(dá)到90％以上。模擬了光纖與鈮酸鋰薄膜上的Y分支波導(dǎo)輸入端進(jìn)行端面耦合的情況，對(duì)于厚為100nm的鈦條，最大輸出功率高于75