薄膜铌酸锂电光调制器在太赫兹频段的应用

正文

薄膜铌酸锂电光调制器在太赫兹频段的应用

（本文译自Thin film lithium niobate optical modulators for THz frequency

applications（Seyfollah Toroghia, John Rollinsonb）

1介绍

太赫兹（THz）频率范围覆盖了0.1 THz到10 THz的电磁频谱，这是一个目前高度研究的频率范围。太赫兹波光子具有独特的特性，使它们能够用于多种应用。太赫兹信号能够穿透许多光学信号无法穿透的材料，因此，它们可以用来观察不透明材料的内部。例如，这在安全领域有应用。太赫兹波的另一个应用是在分子检测方面。空气污染监测系统需要低成本的太赫兹气体光谱工具来监测空气质量和检测污染物。随着无线通信系统中数据速率的增加，需要使用接近太赫兹频率范围的更高载波频率。所有这些应用都需要在太赫兹频率范围内对信号进行表征。

为了对太赫兹波信号进行表征，非常好的方法是将太赫兹波信号转换为光子信号，并使用光信号表征工具。任何太赫兹光子信号处理系统的关键组件都是能够在太赫兹频率调制光信号的光调制器。我们已经开发了一种调制器技术，可以用于在太赫兹频率调制光信号。我们的技术允许制造能够在太赫兹频率范围内调制光载波信号的薄膜铌酸锂电光调制器。一旦将太赫兹波信号转换为光频率，就可以在光域中执行光子信号处理功能。利用我们提出的薄膜铌酸锂电光调制器器件，光子技术的所有优点都可以用于太赫兹波信号处理应用。

1.1 调制带宽 

太赫兹频率调制的关键技术是目前正在开发的薄膜铌酸锂技术。使用薄膜铌酸锂，可以完美地相位匹配太赫兹波信号和光信号，实现高达几十太赫兹的调制速度是可行的。这种相位匹配之所以可能，是因为太赫兹信号的有效折射率（由于其波长很长）不受亚微米厚的铌酸锂薄膜的影响。太赫兹波信号的有效折射率几乎等于二氧化硅（或石英基底）的折射率。

石英在太赫兹频率下的折射率约为2。另一方面，对于波长较小的光信号(即1.55 um)，导模的有效折射率接近铌酸锂的光学折射率，也近似等于2。因此，在薄膜铌酸锂波导调制器中实现太赫兹信号和光信号的相位匹配成为可能。图1(a)显示了薄膜铌酸锂电光调制器的结构。薄膜铌酸锂电光调制器包括输入和输出光栅耦合器，用于在光纤和薄膜调制器器件之间耦合光，以及使用两条臂的马赫-曾德尔调制器部分。如果使用自由空间太赫兹波信号进行调制，可以将其中一只手臂极化，使铌酸锂晶体的自发极化方向相反，从而在给定电场下实现相反的折射率变化，从而在输出中实现强度调制。或者，如果使用金属电极，则不需要极化，并且与另一只手臂相比，一只手臂的电场将被逆转。图1(b)显示了不同臂长下典型铌酸锂薄膜器件的计算调制带宽。可以看出，这些薄膜铌酸锂电光调制器设备的调制带宽可以达到数太赫兹。通过设计薄膜铌酸锂电光调制器波导结构以实现更好的相位匹配，可以进一步增加薄膜铌酸锂电光调制器设备带宽。

图1所示 (a) 太赫兹调制器器件示意图;(b) 计算不同长度的设备臂薄膜铌酸锂调制器的调制带宽

2. 制造工艺及基本特性

我们的薄膜制造技术是基于在硅或石英衬底上转移晶体离子切片薄层铌酸锂。我们的技术采用离子注入、晶圆键合、晶体离子切片等方法制备铌酸锂单晶薄膜。用这种方法制备的薄膜是单晶的，其光学和电光性质与大块单晶晶体相同。

图2展示了我们基于铌酸锂薄膜平台的铌酸锂电光调制器的制造流程。薄膜铌酸锂脊形波导是通过干法蚀刻已沉积的SiN或直接蚀刻LN形成的。在本文的实验结果中，我们使用了混合SiN-LN波导结构。在形成MESA结构后，涂覆聚合物层，然后在电极位置进行蚀刻。射频电极zui终通过剥离工艺形成。波导结构由铌酸锂核心区域的薄层、二氧化硅（SiO2）底部包层，以及折射率匹配的肋区域（在这种情况下是硅氮化物）组成。

波导、多模干涉器（MMI）耦合器和光栅耦合器的性能模拟结果表明，300 nm SiN肋层叠加在300nm LN层上的混合平台适合太赫兹信号的电光采样。下一节所展示的实验结果就是基于薄膜铌酸锂这个波导平台。

图2.高折射率对比度薄膜铌酸锂混合波导的制造流程

器件布局和制作器件如图3所示。光通过为TE模式设计的光栅耦合器从光纤耦合到波导中。耦合到芯片上的光通过多模干涉器（MMI）耦合器平均分配到马赫-曾德尔（MZ）调制器的两个臂上。马赫-曾德尔（MZ）调制器中每个臂的长度为6 mm。然后，马赫-曾德尔调制器的两个臂中的光再次通过多模干涉器耦合器合并，并使用第二个光栅耦合器耦合到输出光纤。切割后的设备的总长度和宽度分别为6.5 mm和0.7 mm。图3中的布局是使用电子束光刻写的，图案通过RIE/ICP刻蚀转移到我们的混合SiN/LN平台上。图3中的布局还显示了携带射频信号的调制电极。

图3 给出了马赫-曾德尔（MZ）调制器的布局和加工切块芯片的图像

2.2 低频特性

图4(a)显示了光通过两个光栅耦合器（即光纤到光纤插入损耗）后的测量插入损耗与波长的关系。我们的光栅耦合器实现了小于-10 dB的插入损耗。考虑到在不到一毫米长的波导中，输入和输出耦合器之间的传播损耗可以忽略不计，每个耦合器的耦合损耗约为5 dB。测量的耦合器3 dB光纤到光纤带宽为45 nm。根据理论计算，每个耦合器预期损耗为-4 dB。

图4. (a) 测量的光栅耦合器插入损耗（光通过两个输入和输出耦合器后）。(b) 电极间隙为7 um的马赫-曾德尔调制器（MZM）的响应——橙色的三角形波形是施加的电压，蓝色曲线是观察到的调制。两个电极都是6 mm长。

我们通过施加大约10 kHz的锯齿波调制电压来表征制造出的器件。图4(b)为电极间距为7 μm的器件所施加的低频电信号和测量的光调制信号。正如图4(b)所示，设备的Vπ（π相位电压）为7.5 V。由于电极长度为6 mm，测量的半波电压-长度乘积Vπ.L等于约4.5 V·cm。在马赫-曾德尔调制器中测量到的消光比（ER）约为24 dB。

3.  高速调制特性

图5显示了实验装置的示意图。可调谐c波段激光器(Pure Photonics PPCL100)工作在1550 nm (193.5 THz)，Max光功率为13.5 dbm (22.4 mW)。光纤偏振控制器(ThorLabs .FPC560)是一种手动桨式控制器，调整后可提供垂直偏振光束。光学光谱分析仪（ID-Photonics ID-OSA-MPD-00）以1 Hz的速率扫描C波段，分辨率带宽为1.7 GHz，采样间隔为312.5 MHz。OSA的动态范围为45 dB。两个马赫-曾德尔干涉仪（MZI）设备经过测试，测量的光学插入损耗分别为17 dB和14 dB。射频信号发生器（Agilent 8257D）用于生成1-20 GHz之间的频率，Max输出功率为14 dBm（25 mw）。偏置-T（Anritsu K250）用于将直流偏置应用于射频信号。射频信号被送入一个射频放大器（Mini Circuits ZVA-213-S+），增益为26 dB（P1dB = 24 dBm）。在频率依赖性测量期间应用增益平坦化，以保持在1-20 GHz范围内恒定的20 dBm（100 mw）输出功率。射频信号通过一个微探针（Form-Factor/Cascade ACP40-LGSG-150）耦合到马赫-曾德尔干涉仪，典型的插入损耗为0.6 dB。

图5   用于光学边带表征的实验装置示意图

射频阻抗匹配和插入损耗通过使用矢量网络分析仪（Anritsu 37397C，带宽65 GHz）进行散射参数表征来测量，该分析仪使用标准的SOLT程序进行校准。还使用了第二个相同的微探针（FormFactor/Cascade ACP40-L-GSG-150）进行这种表征。

图6为10 GHz和15 GHz射频调制频率下光边带生成实验结果;分别对24 dBm和20 dBm射频功率进行了仿真，并与预期结果进行了比较。利用载波带和一阶边带之间的功率差从实验数据中估计出调制指数值。模拟结果说明了在实验中预期观察到的边带数量，考虑到可用的光激光器和射频功率、已知的光和共面波导特性、光和射频插入损耗，以及光学光谱分析仪（OSA）的灵敏度。

图6. 在10 GHz（a,c）和15 GHz（b,d）的射频频率下，实验产生的边带与模拟产生的边带进行比较，相应的射频功率分别为24 dBm和20 dBm。第1阶边带的幅度被标记为参考点

使用矢量网络分析仪测量了散射参数，以确定射频阻抗匹配和插入损耗。图7显示了在1-50 GHz范围内的射频阻抗匹配（S11）和插入损耗（S21）。S11在整个频率范围内小于-10 dB，表明与50 Ω的阻抗匹配良好。射频插入损耗在大约16 GHz附近显示出急剧增加。

图7. 设备射频阻抗匹配和插入损耗

通过在三个频率（10 GHz、15 GHz和20 GHz）下扫描射频功率，测量产生可检测边带的Min射频功率。可检测边带被定义为具有大于3 dB（70 dBm底噪声）的光信噪比（OSNR）的边带。图8显示了这种表征的结果。该设备显示出良好的射频功率灵敏度；在15 GHz下，低至-14.3 dBm的功率水平就能产生可靠的边带检测（表1）。这相当于在假设设备电极间隙为6 um和50 Ω阻抗值的情况下，电场灵敏度值约为10,000 V/mHz^0.5。使用具有更好动态范围70 dB和设备中较低射频信号损耗的光谱仪，预计低至-55 dBm的射频功率水平就能产生可检测信号，因此，使用我们目前的薄膜铌酸锂电光调制器设备，低至约100 V/mHz^0.5的电场值是可检测的。

图8. 在10 GHz、15 GHz和20 GHz下第1阶边带幅度的射频功率依赖性

表1：射频功率检测阈值

4．总结

设计、制作了一种基于铌酸锂薄膜的电光调制器，并对其进行了表征。该平台包括薄层铌酸锂核心区域，二氧化硅底包层和氮化硅肋区域。每个用于将光耦合进出薄膜铌酸锂电光调制器的光栅耦合器具有5 dB插入损耗和90 nm带宽。具有0.7 um间隙的6 mm长薄膜铌酸锂电光调制器的半波电压为7.4 V。该薄膜铌酸锂电光调制器的消光比(ER)约为24 dB。我们研究了电光调制器设备的直流漂移。薄膜铌酸锂电光调制器设备响应的高速测量表明，使用低成本OSA可以检测到10 kV/mHz^0.5的太赫兹电场。基于这些结果，我们预测，通过使用这些薄膜铌酸锂电光调制器调制光信号，并使用更好的光学光谱分析仪检测调制后的光信号，可以检测到强度低至约100 V/mHz^0.5的太赫兹电场。

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参考文献

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substrates,” Optics Express 21, 21, 25573-25581 (2013).

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Proc. of