论文摘要
铌酸锂晶体是一种人工合成多功能材料,它具有优良的电光、声光、非线性光学特性,在可见光和近红外波段都具有较高的透过率,被广泛应用于集成光学领域。近年来,通过离子注入和直接键合方式制备的绝缘体上的铌酸锂单晶薄膜（lithium niobate on insulator,LNOI）引起了人们极大的兴趣。由于铌酸锂和二氧化硅之间的高折射率差,基于LNOI材料制备的光子器件在集成度和器件性能上都得到了很大的提升。以LNOI为平台实现多器件集成已成为可能。目前已经报道了一系列光学器件,例如光波导、调制器、光频梳、非线性光学器件等。光波导是集成光学中的基础光学元件,是光信号传输的通道,也是多种复杂光学器件的主要结构之一。加载条型波导是LNOI上光波导的一种重要类型。它通过在LNOI表面覆盖一层加载条材料来实现对光的限制作用。加载条材料的选取是十分灵活的,只要折射率大于1,就可以形成波导。加载条型波导可以实现铌酸锂与其他材料的异质集成,将两种材料的优良特性结合起来。本论文研究了LNOI结构与非晶硅和二氧化硅材料的异质集成,为后续电光结合、高效、高集成度的集成光学器件的研究探索了道路。二阶光学非线性在倍频、参数下转换、光学参数振荡器/放大器等方面发挥着重要的作用。这使得它在光源、光通讯、量子光学领域都具有广泛应用。为了实现高效的频率转换,例如二次谐波产生,需要满足相位匹配或准相位匹配条件。一般用铌酸锂的周期性极化反转来实现准相位匹配。近几年来,人们已经实现了周期性极化铌酸锂薄膜,并且实现了高效的波长转换。利用波导的色散进行相位匹配是实现有效波长转换的另一个方法。它比准相位匹配更简单灵活,通过调节器件尺寸使基频光和倍频光的模式具有相同的相速度,就可以实现有效的波长转换,本论文研究了铌酸锂单晶薄膜波导的相位匹配。光电探测器可以把光信号转换为电信号,实现光信号的电学探测,将光电探测器集成在LNOI上,对实现LNOI片上（on-chip）的全功能光芯片具有重要的意义。但是铌酸锂是一种宽禁带绝缘体,很难直接制备成光电探测器,通过异质集成将具有光电转换性能的材料沉积在铌酸锂表面可以解决这一问题。本论文将半导体材料硅沉积在LNOI上实现了集成的光电探测器。本论文主要研究内容包括三部分:1.基于LNOI的几种类型波导的模拟分析及加载条型光波导的制备和研究。2.基于LNOI的波长转换器件的制备与研究。3.LNOI上光电探测器的集成与研究。主要结果如下:1.基于LNOI的光波导的理论模拟通过全矢量有限差分方法设计并模拟了LNOI上几种不同类型的波导,包括刻蚀、质子交换和加载条型光波导。系统地研究并比较了波导的单模条件、光功率分布以及波导的弯曲损耗。模拟发现,对于质子交换波导,质子交换深度对铌酸锂层中光功率分布的影响可以忽略不计。对于加载条型波导,铌酸锂层中准TE和准TM模式的光功率分布和加载条材料的厚度相关。弯曲损耗都随着弯曲半径的增加而减小。当准TM模式的有效折射率低于周围平面波导TE模式的有效折射率时,准TM模式中的损耗有一部分来自电场的泄漏。铌酸锂脊型波导在一个相对较小的弯曲半径下（20 μm左右）就能获得低的弯曲损耗。这些结果对于研制波导结构,优化和制备高集成度的集成光学元件具有指导作用。2.基于LNOI的非晶硅加载条型波导的研究硅是微电子学中最重要的基础材料,在集成光学方面也有重要的应用,并且加工技术非常成熟。将硅和铌酸锂单晶薄膜进行异质集成,能把硅优秀的电学特性、成熟的微加工工艺和铌酸锂优秀的光学特性结合起来。我们用等离子体化学气相沉积（plasma enchanced chemical vapor doposition,PECVD）的方法在LNOI表面沉积了一层非晶硅薄膜,然后用刻蚀的方法制备了波导宽度为2-7 μm的非晶硅加载条型光波导。波导在空气中经300℃退火1h后可以观察到光传输。2 μm宽的波导在准TM和准TE模式下的损耗分别为20 dB/cm和42 dB/cm。退火前后非晶硅薄膜的表面粗糙度分别为1.04 nm和0.35 nm。通过高分辨透射电子显微镜（High-resolution transmission electron microscope,HRTEM）可以观察到清晰的界面,且退火前后硅薄膜均为非晶结构。引起波导损耗的主要原因为非晶硅薄膜内部缺陷和表面悬空键的吸收。由于氢能够填补材料内部的点缺陷和表面悬键,减小薄膜对光的吸收,所以我们用含氢气的PECVD进行了非晶硅薄膜的沉积。研究了制备条件,包括衬底温度、射频功率、硅烷浓度和反应气压等对薄膜吸收损耗的影响,并且制备了 LNOI上的非晶硅加载条型波导。波导宽度为2μm时,准TE和准TM模式下的损耗分别为6 dB/cm和5.5 dB/cm。磁控溅射是沉积非晶硅薄膜的另一种方法。我们对溅射功率、样品与靶之间距离对薄膜吸收损耗的影响做了简要分析。利用磁控溅射法在铌酸锂薄膜上制备了非晶硅薄膜,利用端面耦合,研究了薄膜的光学性能。在LNOI上制备了宽度为4-7 μm的非晶硅加载条型波导。发现用磁控溅射沉积的非晶硅薄膜中点缺陷和悬空键造成的光学吸收主要在1550 nm波段。所以对另一通讯波段,即1310 nm波段时硅薄膜的光学特性进行了研究。制备了加载条型波导,测得对于4 μm宽的波导,其准TE和准TM模式的传输损耗分别为11 dB/cm和10 dB/cm。3.基于LNOI的二氧化硅加载条型波导的研究二氧化硅是平面光波导（planar lightwave circuit,PLC）技术中最重要、最常用的材料之一,透过率高且易于制备。二氧化硅加载条型波导是实现铌酸锂和二氧化硅PLC结合的一个基础研究。我们用磁控溅射的方法在LNOI表面沉积了一层二氧化硅薄膜,并对薄膜进行了表面形貌测量和基本成分分析。通过反剥工艺制备了2-5 μm宽的加载条型波导。对于2 μm宽的波导,准TE和准TM模式的传输损耗分别为0.2 dB/cm和0.8 dB/cm。该研究为制备LNOI平台上加载条型器件提供了一种新的材料。二氧化硅和铌酸锂的结合为更先进的光子集成器件和电路的发展提供了新思路。4.LNOI上Y分支器的制备与研究Y分支器是一种可以将光分束或结合的基础集成光学元件,是Mach-Zehnder调制器、光纤陀螺、波分复用系统等器件的重要组成部分。基于二氧化硅加载条型波导,我们在LNOI上制备了Y分支器,测得了光强分布,弯曲半径为700 μm、波导宽度为4 μm的Y分支波导在1550 nm波长附近的透过率为70%-80%,分光比接近1:1。5.基于LNOI的波长转换器件的制备与研究在LNOI上用质子交换波导实现了二次谐波产生。通过模式相位匹配实现了具有相同极化方向的基频光和倍频光的相互作用,充分利用了锯酸锂中最大的二阶非线性系数d33,并且利用质子交换的手段调制了铌酸锂薄膜中χ（2）的分布,这些措施使得相互作用的模式之间的重叠积分得到了显著提高。我们研究了不同波导宽度和薄膜厚度下的相位匹配条件,其理论转换效率为58%W-1 cm-2,并通过实验制备了相应波导,其转换效率为48%W-1 cm-2。6.LNOI与光电探测器的集成与研究光电探测器是LNOI集成光学平台的一个重要组成器件。我们通过异质集成非晶硅薄膜的方式在LNOI上实现了光电探测器的制备,通过垂直入射的方式探测了光电探测器暗电流、响应度和响应时间。最高响应度为1.35 A/W。我们分别在波长为520 nm和650 nm下探测了器件的开关特性。并通过端面入射的方式实现了LNOI平面波导上光电探测器的制备,研究了探测器的开关特性,光电流与入射光功率的关系。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 王羿文
导师: 刘向东
关键词: 铌酸锂单晶薄膜,光波导,加载条型波导,波长转换,光电探测
来源: 山东大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑,信息科技
专业: 物理学,材料科学,工业通用技术及设备,无线电电子学
单位: 山东大学
基金: 国家自然科学基金面上项目:61575111,国家自然科学基金面上项目:11475105
分类号: TN256;TB383.2
总页数: 138
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