薄膜铌酸鋰電光調製器在太赫茲頻段的国产成人在线观看免费网站

正文

薄膜铌酸鋰電光調製器在太赫茲(zi) 頻段的国产成人在线观看免费网站

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

applications（Seyfollah Toroghia, John Rollinsonb）

1介紹

太赫茲(zi) （THz）頻率範圍覆蓋了0.1 THz到10 THz的電磁頻譜，這是一個(ge) 目前高度研究的頻率範圍。太赫茲(zi) 波光子具有獨特的特性，使它們(men) 能夠用於(yu) 多種国产成人在线观看免费网站。太赫茲(zi) 信號能夠穿透許多光學信號無法穿透的材料，因此，它們(men) 可以用來觀察不透明材料的內(nei) 部。例如，這在安全領域有国产成人在线观看免费网站。太赫茲(zi) 波的另一個(ge) 国产成人在线观看免费网站是在分子檢測方麵。空氣汙染監測係統需要低成本的太赫茲(zi) 氣體(ti) 光譜工具來監測空氣質量和檢測汙染物。隨著無線通信係統中數據速率的增加，需要使用接近太赫茲(zi) 頻率範圍的更高載波頻率。所有這些国产成人在线观看免费网站都需要在太赫茲(zi) 頻率範圍內(nei) 對信號進行表征。

為(wei) 了對太赫茲(zi) 波信號進行表征，非常好的方法是將太赫茲(zi) 波信號轉換為(wei) 光子信號，並使用光信號表征工具。任何太赫茲(zi) 光子信號處理係統的關(guan) 鍵組件都是能夠在太赫茲(zi) 頻率調製光信號的光調製器。我們(men) 已經開發了一種調製器技術，可以用於(yu) 在太赫茲(zi) 頻率調製光信號。我們(men) 的技術允許製造能夠在太赫茲(zi) 頻率範圍內(nei) 調製光載波信號的薄膜铌酸鋰電光調製器。一旦將太赫茲(zi) 波信號轉換為(wei) 光頻率，就可以在光域中執行光子信號處理功能。利用我們(men) 提出的薄膜铌酸鋰電光調製器器件，光子技術的所有優(you) 點都可以用於(yu) 太赫茲(zi) 波信號處理国产成人在线观看免费网站。

1.1 調製帶寬 

太赫茲(zi) 頻率調製的關(guan) 鍵技術是目前正在開發的薄膜铌酸鋰技術。使用薄膜铌酸鋰，可以完美地相位匹配太赫茲(zi) 波信號和光信號，實現高達幾十太赫茲(zi) 的調製速度是可行的。這種相位匹配之所以可能，是因為(wei) 太赫茲(zi) 信號的有效折射率（由於(yu) 其波長很長）不受亞(ya) 微米厚的铌酸鋰薄膜的影響。太赫茲(zi) 波信號的有效折射率幾乎等於(yu) 二氧化矽（或石英基底）的折射率。

石英在太赫茲(zi) 頻率下的折射率約為(wei) 2。另一方麵，對於(yu) 波長較小的光信號(即1.55 um)，導模的有效折射率接近铌酸鋰的光學折射率，也近似等於(yu) 2。因此，在薄膜铌酸鋰波導調製器中實現太赫茲(zi) 信號和光信號的相位匹配成為(wei) 可能。圖1(a)顯示了薄膜铌酸鋰電光調製器的結構。薄膜铌酸鋰電光調製器包括輸入和輸出光柵耦合器，用於(yu) 在光纖和薄膜調製器器件之間耦合光，以及使用兩(liang) 條臂的馬赫-曾德爾調製器部分。如果使用自由空間太赫茲(zi) 波信號進行調製，可以將其中一隻手臂極化，使铌酸鋰晶體(ti) 的自發極化方向相反，從(cong) 而在給定電場下實現相反的折射率變化，從(cong) 而在輸出中實現強度調製。或者，如果使用金屬電極，則不需要極化，並且與(yu) 另一隻手臂相比，一隻手臂的電場將被逆轉。圖1(b)顯示了不同臂長下典型铌酸鋰薄膜器件的計算調製帶寬。可以看出，這些薄膜铌酸鋰電光調製器設備的調製帶寬可以達到數太赫茲(zi) 。通過設計薄膜铌酸鋰電光調製器波導結構以實現更好的相位匹配，可以進一步增加薄膜铌酸鋰電光調製器設備帶寬。

圖1所示 (a) 太赫茲(zi) 調製器器件示意圖;(b) 計算不同長度的設備臂薄膜铌酸鋰調製器的調製帶寬

2. 製造工藝及基本特性

我們(men) 的薄膜製造技術是基於(yu) 在矽或石英襯底上轉移晶體(ti) 離子切片薄層铌酸鋰。我們(men) 的技術采用離子注入、晶圓鍵合、晶體(ti) 離子切片等方法製備铌酸鋰單晶薄膜。用這種方法製備的薄膜是單晶的，其光學和電光性質與(yu) 大塊單晶晶體(ti) 相同。

圖2展示了我們(men) 基於(yu) 铌酸鋰薄膜平台的铌酸鋰電光調製器的製造流程。薄膜铌酸鋰脊形波導是通過幹法蝕刻已沉積的SiN或直接蝕刻LN形成的。在本文的實驗結果中，我們(men) 使用了混合SiN-LN波導結構。在形成MESA結構後，塗覆聚合物層，然後在電極位置進行蝕刻。射頻電極zui終通過剝離工藝形成。波導結構由铌酸鋰核心區域的薄層、二氧化矽（SiO2）底部包層，以及折射率匹配的肋區域（在這種情況下是矽氮化物）組成。

波導、多模幹涉器（MMI）耦合器和光柵耦合器的性能模擬結果表明，300 nm SiN肋層疊加在300nm LN層上的混合平台適合太赫茲(zi) 信號的電光采樣。下一節所展示的實驗結果就是基於(yu) 薄膜铌酸鋰這個(ge) 波導平台。

圖2.高折射率對比度薄膜铌酸鋰混合波導的製造流程

器件布局和製作器件如圖3所示。光通過為(wei) TE模式設計的光柵耦合器從(cong) 光纖耦合到波導中。耦合到芯片上的光通過多模幹涉器（MMI）耦合器平均分配到馬赫-曾德爾（MZ）調製器的兩(liang) 個(ge) 臂上。馬赫-曾德爾（MZ）調製器中每個(ge) 臂的長度為(wei) 6 mm。然後，馬赫-曾德爾調製器的兩(liang) 個(ge) 臂中的光再次通過多模幹涉器耦合器合並，並使用第二個(ge) 光柵耦合器耦合到輸出光纖。切割後的設備的總長度和寬度分別為(wei) 6.5 mm和0.7 mm。圖3中的布局是使用電子束光刻寫(xie) 的，圖案通過RIE/ICP刻蝕轉移到我們(men) 的混合SiN/LN平台上。圖3中的布局還顯示了攜帶射頻信號的調製電極。

圖3 給出了馬赫-曾德爾（MZ）調製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(liang) 個(ge) 光柵耦合器（即光纖到光纖插入損耗）後的測量插入損耗與(yu) 波長的關(guan) 係。我們(men) 的光柵耦合器實現了小於(yu) -10 dB的插入損耗。考慮到在不到一毫米長的波導中，輸入和輸出耦合器之間的傳(chuan) 播損耗可以忽略不計，每個(ge) 耦合器的耦合損耗約為(wei) 5 dB。測量的耦合器3 dB光纖到光纖帶寬為(wei) 45 nm。根據理論計算，每個(ge) 耦合器預期損耗為(wei) -4 dB。

圖4. (a) 測量的光柵耦合器插入損耗（光通過兩(liang) 個(ge) 輸入和輸出耦合器後）。(b) 電極間隙為(wei) 7 um的馬赫-曾德爾調製器（MZM）的響應——橙色的三角形波形是施加的電壓，藍色曲線是觀察到的調製。兩(liang) 個(ge) 電極都是6 mm長。

我們(men) 通過施加大約10 kHz的鋸齒波調製電壓來表征製造出的器件。圖4(b)為(wei) 電極間距為(wei) 7 μm的器件所施加的低頻電信號和測量的光調製信號。正如圖4(b)所示，設備的Vπ（π相位電壓）為(wei) 7.5 V。由於(yu) 電極長度為(wei) 6 mm，測量的半波電壓-長度乘積Vπ.L等於(yu) 約4.5 V·cm。在馬赫-曾德爾調製器中測量到的消光比（ER）約為(wei) 24 dB。

3.  高速調製特性

圖5顯示了實驗裝置的示意圖。可調諧c波段激光器(Pure Photonics PPCL100)工作在1550 nm (193.5 THz)，Max光功率為(wei) 13.5 dbm (22.4 mW)。光纖偏振控製器(ThorLabs .FPC560)是一種手動槳式控製器，調整後可提供垂直偏振光束。光學光譜分析儀(yi) （ID-Photonics ID-OSA-MPD-00）以1 Hz的速率掃描C波段，分辨率帶寬為(wei) 1.7 GHz，采樣間隔為(wei) 312.5 MHz。OSA的動態範圍為(wei) 45 dB。兩(liang) 個(ge) 馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) （MZI）設備經過測試，測量的光學插入損耗分別為(wei) 17 dB和14 dB。射頻信號發生器（Agilent 8257D）用於(yu) 生成1-20 GHz之間的頻率，Max輸出功率為(wei) 14 dBm（25 mw）。偏置-T（Anritsu K250）用於(yu) 將直流偏置国产成人在线观看免费网站於(yu) 射頻信號。射頻信號被送入一個(ge) 射頻放大器（Mini Circuits ZVA-213-S+），增益為(wei) 26 dB（P1dB = 24 dBm）。在頻率依賴性測量期間国产成人在线观看免费网站增益平坦化，以保持在1-20 GHz範圍內(nei) 恒定的20 dBm（100 mw）輸出功率。射頻信號通過一個(ge) 微探針（Form-Factor/Cascade ACP40-LGSG-150）耦合到馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) ，典型的插入損耗為(wei) 0.6 dB。

圖5   用於(yu) 光學邊帶表征的實驗裝置示意圖

射頻阻抗匹配和插入損耗通過使用矢量網絡分析儀(yi) （Anritsu 37397C，帶寬65 GHz）進行散射參數表征來測量，該分析儀(yi) 使用標準的SOLT程序進行校準。還使用了第二個(ge) 相同的微探針（FormFactor/Cascade ACP40-L-GSG-150）進行這種表征。

圖6為(wei) 10 GHz和15 GHz射頻調製頻率下光邊帶生成實驗結果;分別對24 dBm和20 dBm射頻功率進行了仿真，並與(yu) 預期結果進行了比較。利用載波帶和一階邊帶之間的功率差從(cong) 實驗數據中估計出調製指數值。模擬結果說明了在實驗中預期觀察到的邊帶數量，考慮到可用的光激光器和射頻功率、已知的光和共麵波導特性、光和射頻插入損耗，以及光學光譜分析儀(yi) （OSA）的靈敏度。

圖6. 在10 GHz（a,c）和15 GHz（b,d）的射頻頻率下，實驗產(chan) 生的邊帶與(yu) 模擬產(chan) 生的邊帶進行比較，相應的射頻功率分別為(wei) 24 dBm和20 dBm。第1階邊帶的幅度被標記為(wei) 參考點

使用矢量網絡分析儀(yi) 測量了散射參數，以確定射頻阻抗匹配和插入損耗。圖7顯示了在1-50 GHz範圍內(nei) 的射頻阻抗匹配（S11）和插入損耗（S21）。S11在整個(ge) 頻率範圍內(nei) 小於(yu) -10 dB，表明與(yu) 50 Ω的阻抗匹配良好。射頻插入損耗在大約16 GHz附近顯示出急劇增加。

圖7. 設備射頻阻抗匹配和插入損耗

通過在三個(ge) 頻率（10 GHz、15 GHz和20 GHz）下掃描射頻功率，測量產(chan) 生可檢測邊帶的Min射頻功率。可檢測邊帶被定義(yi) 為(wei) 具有大於(yu) 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果。該設備顯示出良好的射頻功率靈敏度；在15 GHz下，低至-14.3 dBm的功率水平就能產(chan) 生可靠的邊帶檢測（表1）。這相當於(yu) 在假設設備電極間隙為(wei) 6 um和50 Ω阻抗值的情況下，電場靈敏度值約為(wei) 10,000 V/mHz^0.5。使用具有更好動態範圍70 dB和設備中較低射頻信號損耗的光譜儀(yi) ，預計低至-55 dBm的射頻功率水平就能產(chan) 生可檢測信號，因此，使用我們(men) 目前的薄膜铌酸鋰電光調製器設備，低至約100 V/mHz^0.5的電場值是可檢測的。

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

設計、製作了一種基於(yu) 铌酸鋰薄膜的電光調製器，並對其進行了表征。該平台包括薄層铌酸鋰核心區域，二氧化矽底包層和氮化矽肋區域。每個(ge) 用於(yu) 將光耦合進出薄膜铌酸鋰電光調製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長薄膜铌酸鋰電光調製器的半波電壓為(wei) 7.4 V。該薄膜铌酸鋰電光調製器的消光比(ER)約為(wei) 24 dB。我們(men) 研究了電光調製器設備的直流漂移。薄膜铌酸鋰電光調製器設備響應的高速測量表明，使用低成本OSA可以檢測到10 kV/mHz^0.5的太赫茲(zi) 電場。基於(yu) 這些結果，我們(men) 預測，通過使用這些薄膜铌酸鋰電光調製器調製光信號，並使用更好的光學光譜分析儀(yi) 檢測調製後的光信號，可以檢測到強度低至約100 V/mHz^0.5的太赫茲(zi) 電場。

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參考文獻

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Proc. of