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我国科学家在薄膜铌酸锂上实现了交叉波导相位调制器
低半波电压的电光相位调制器有利于降低系统的功耗和驱动电路的复杂性，在光学信号处理中具有重要的意义。近日，北京理工大学光电学院刘贤文教授及其团队基于X 切薄膜铌酸锂（TFLN）光子平台和射频相位延迟调制原理，优化了地-信号-地（GSG）电极结构的交叉波导相位调制器的光学和电学参数，并通过实验进行了初步验证。相关内容以“低半波电压薄膜铌酸锂交叉波导相位调制器研究”为题，发表在《激光与光电子学进展》上。
文章链接：https://dx.doi.org/10.3788/LOP241438
近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）作为新型的光子集成平台，为高性能、高集成度的铌酸锂光波导器件研发提供了新的技术路径。基于地-信号-地（GSG）行波电极结构的TFLN 电光调制器可以在较宽的频率范围内对光信号进行有效调制，是高速光通信系统中的核心元器件。与较为成熟的硅基电光调制器相比，TFLN 电光调制器具有更低的光波导传输损耗和更高的电光调制系数。通过级联一个或多个电光相位调制器，还可以生成梳齿间隔大于10 GHz、梳齿数量可观、光功率较高的电光调制光梳，其重复频率完全由外部射频（RF）驱动源决定，在微波光子领域具有重要应用。
受限于电场-光场重叠因子、电极吸收损耗、微波信号传输效率等因素的影响，在TFLN 电光相位调制器中同时实现低直流半波电压（Vπ）、大电光带宽和低光学损耗仍具有一定的挑战性。利用GSG 电极结构的宽带传输特性，以及合理的波导结构优化与电极设计，实现低Vπ 和宽带的TFLN 相位调制器，为产生片上集成的宽带电光调制光梳提供可行的方案。
该文针对GSG电极结构的X切TFLN 交叉波导相位调制器开展了设计和实验研究。TFLN 交叉型相位调制器的基本结构如图1（a）所示。入射光首次耦合进光波导后，进入GSG 电极调制区域，调制完成后进入交叉波导区域（虚线圆形框图所示），为确保有效传输，交叉波导被设计为沿y 方向和z 方向高传输率的结构。随后，光信号经过下端的直波导和圆环结构后，再次进入电极调制区域。由于此时电场方向与初次入射时相反，需确保第二次进入调制区域前的光与入射光相比存在有效相位延迟，形成两段电光调制区域相位的累积。因此，射频信号频率和延迟线长度（即两个调制区之间的光波导长度）需满足一定的条件，此时射频半波电压缩小为单段调制结构的一半，从而增强电光调制效率。
图1 交叉波导相位调制器工作原理
为了保证入射光两次经过电极区域时可以同相调制，需要仔细设计延迟线的长度。如图1（b）所示，通过比较光信号和电信号的传输时间，可以推导出射频相位延迟条件，进而确定延迟线长度。
TFLN 电光相位调制器的二维截面如图2（a）所示，其中，下包层为2 μm 厚的二氧化硅，中间是X 切LN 层，经过刻蚀形成脊波导结构，上包层是空气。波导两侧通过G 电极和S 电极形成静电场，如图2（b）所示，从而改变波导折射率，实现相位调制。为了利用最大的电光系数γ33（30. 8 pm/V），设计中采用横电基模（TE00）进行调制，其模场分布如图2（c）所示。
图2 X 切TFLN 电光波导仿真结果。（a）波导截面示意图；（b）静电场模式；（c）TE00光模场分布；（d）VπL 和（e）金属吸收损耗随波导宽陈度和电极间距的变化情况；（f）VπL 和金属吸收损耗随刻蚀深度的变化情况
在LN 层总厚度为600 nm 的情况下，该文仿真研究了波导宽度（Wwg）、电极间距（G）和刻蚀深度（Hetch）对直流半波电压和长度乘积（Vπ L ）和金属吸收损耗的影响。在固定刻蚀深度为400 nm情况下，改变波导宽度（900 ~1800 nm，间隔为50 nm）和G（3~7 μm，间隔为0. 5 μm）时的结果如图2（d）和（e）所示。可以看到，当波导宽度逐渐增加时，波导对模式的束缚能力增强，此时直流半波电压和长度乘积（Vπ L） 略升高，而金属吸收损耗有所降低。若波导宽度超过1200 nm，则波导-电极距离逐渐减小，电光重叠因子增加，Vπ L 减小，并且由于宽波导可以较好地限制TE00 模式，因此金属吸收损耗增加并不多。
当固定波导宽度为1000 nm 和G=4 μm 的情况下，研究了刻蚀深度的影响，结果如图2（f）所示。可以发现，随着刻蚀深度的增大，波导侧壁对模式的横向限制增加，模斑横向尺寸减小，外加电压产生的电场在波导区相对分散，衰减较大，使得电光效应减弱，Vπ L 增加，同时金属吸收损耗减小。
该文进一步分析了如图3（a）所示的GSG 电极交叉型TFLN 相位调制器的阻抗匹配和微波传播损耗情况。当固定信号电极宽度为30 μm、电极高度为900 nm 时，改变电极间距G（4. 5~6. 5 μm，间隔为1 μm），结果分别如图3（b）和（c）所示。可以看到，特征阻抗随频率增加时呈现下降趋势，且变化率逐渐降低，最后稳定在38~43 Ω 的区间，而α 则呈现随频率急剧增加再趋于平缓的趋势。
图3 射频半波电压（Vπ ，RF）优化过程
假设在每个频率点下都满足理想的相位累积调制条件，进一步分析了调制长度（L）对交叉型相位调制器S21，EO 和射频半波电压的影响。此时G 固定为5. 5 μm，L 从5 mm 改变至35 mm（间隔为5 mm），结果如图3（d）和（e）所示。当L15 mm 时，行波电极累积的微波传播损耗成为了影响S21，EO 的主要因素，其影响程度远大于阻抗失配，因此S21，EO 曲线整体下降并趋于平缓，阻抗失配波动消失。从仿真结果可知，L 较长使得调制相位累积较大，此时Vπ 较低，但是传播损耗较高，因此Vπ ，RF在所计算的频段内缓慢上升。当L>20 mm 时，Vπ ，RF 变化将不明显。
当射频信号频率固定为18. 3 GHz 时，分析了不同G（4. 5~6. 5 μm）情况下Vπ ，RF 随L 的变化，如图3（f）所示。可以发现，当L 大于20 mm 后，Vπ ，RF 下降趋于平缓，G 不再是影响Vπ ，RF 的决定性因素。当L=20 mm时，计算出不同G 情况下的Vπ 分别为1. 1 V、1. 4 V 和1. 6 V，对应18. 3 GHz 的Vπ ，RF 为2. 0 V、2. 2 V 和2. 5 V。此时对应的α 可从图3（b）得到，当G=5. 5 μm、L=20 mm 时，18. 3 GHz 下的总微波传播损耗约为6 dB。
该文在600 nm 厚的X 切TFLN 基片上，采用电子束曝光（ZEP520A 正胶）和Ar+离子干法刻蚀工艺制备了相位调制器光波导，刻蚀深度为400 nm，并通过第二次电子束曝光以及电子束蒸发和剥离工艺制备了600 nm 的金电极。图4（a）展示了制备的GSG 电极交叉型相位调制器。调制区总长度为2×5 mm，通过与微环谐振器进行单片集成，可以对无源波导（即不受电极吸收损耗影响）的传播损耗进行实时表征。
图4 级联微环腔的交叉波导相位调制器显微镜照片
该文设计和制备了一种GSG 电极结构的X 切TFLN 交叉波导电光相位调制器，并且验证了其具有明显的频率选择性。此外，还测试了高射频功率驱动下的调制特性，进一步验证了交叉波导相位调制器的频率选择特性，并且发现该器件可以工作在30 GHz 的高频区域。
然而目前，该器件只是针对特定频率实现相位调制累加，后续可以在延迟线波导两侧增加电光调谐电极，通过电光效应改变波导有效折射率，从而实现延时量的精细调谐。该文研究结果可以为实现低半波电压的片上集成电光相位调制器提供理论和实验支撑。
我国科学家在薄膜铌酸锂上实现了交叉波导相位调制器
低半波电压的电光相位调制器有利于降低系统的功耗和驱动电路的复杂性，在光学信号处理中具有重要的意义。近日，北京理工大学光电学院刘贤文教授及其团队基于X 切薄膜铌酸锂（TFLN）光子平台和射频相位延迟调制原理，优化了地-信号-地（GSG）电极结构的交叉波导相位调制器的光学和电学参数，并通过实验进行了初步验证。相关内容以“低半波电压薄膜铌酸锂交叉波导相位调制器研究”为题，发表在《激光与光电子学进展》上。
文章链接：https://dx.doi.org/10.3788/LOP241438
近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）作为新型的光子集成平台，为高性能、高集成度的铌酸锂光波导器件研发提供了新的技术路径。基于地-信号-地（GSG）行波电极结构的TFLN 电光调制器可以在较宽的频率范围内对光信号进行有效调制，是高速光通信系统中的核心元器件。与较为成熟的硅基电光调制器相比，TFLN 电光调制器具有更低的光波导传输损耗和更高的电光调制系数。通过级联一个或多个电光相位调制器，还可以生成梳齿间隔大于10 GHz、梳齿数量可观、光功率较高的电光调制光梳，其重复频率完全由外部射频（RF）驱动源决定，在微波光子领域具有重要应用。
受限于电场-光场重叠因子、电极吸收损耗、微波信号传输效率等因素的影响，在TFLN 电光相位调制器中同时实现低直流半波电压（Vπ）、大电光带宽和低光学损耗仍具有一定的挑战性。利用GSG 电极结构的宽带传输特性，以及合理的波导结构优化与电极设计，实现低Vπ 和宽带的TFLN 相位调制器，为产生片上集成的宽带电光调制光梳提供可行的方案。
该文针对GSG电极结构的X切TFLN 交叉波导相位调制器开展了设计和实验研究。TFLN 交叉型相位调制器的基本结构如图1（a）所示。入射光首次耦合进光波导后，进入GSG 电极调制区域，调制完成后进入交叉波导区域（虚线圆形框图所示），为确保有效传输，交叉波导被设计为沿y 方向和z 方向高传输率的结构。随后，光信号经过下端的直波导和圆环结构后，再次进入电极调制区域。由于此时电场方向与初次入射时相反，需确保第二次进入调制区域前的光与入射光相比存在有效相位延迟，形成两段电光调制区域相位的累积。因此，射频信号频率和延迟线长度（即两个调制区之间的光波导长度）需满足一定的条件，此时射频半波电压缩小为单段调制结构的一半，从而增强电光调制效率。
图1 交叉波导相位调制器工作原理
为了保证入射光两次经过电极区域时可以同相调制，需要仔细设计延迟线的长度。如图1（b）所示，通过比较光信号和电信号的传输时间，可以推导出射频相位延迟条件，进而确定延迟线长度。
TFLN 电光相位调制器的二维截面如图2（a）所示，其中，下包层为2 μm 厚的二氧化硅，中间是X 切LN 层，经过刻蚀形成脊波导结构，上包层是空气。波导两侧通过G 电极和S 电极形成静电场，如图2（b）所示，从而改变波导折射率，实现相位调制。为了利用最大的电光系数γ33（30. 8 pm/V），设计中采用横电基模（TE00）进行调制，其模场分布如图2（c）所示。
图2 X 切TFLN 电光波导仿真结果。（a）波导截面示意图；（b）静电场模式；（c）TE00光模场分布；（d）VπL 和（e）金属吸收损耗随波导宽陈度和电极间距的变化情况；（f）VπL 和金属吸收损耗随刻蚀深度的变化情况
在LN 层总厚度为600 nm 的情况下，该文仿真研究了波导宽度（Wwg）、电极间距（G）和刻蚀深度（Hetch）对直流半波电压和长度乘积（Vπ L ）和金属吸收损耗的影响。在固定刻蚀深度为400 nm情况下，改变波导宽度（900 ~1800 nm，间隔为50 nm）和G（3~7 μm，间隔为0. 5 μm）时的结果如图2（d）和（e）所示。可以看到，当波导宽度逐渐增加时，波导对模式的束缚能力增强，此时直流半波电压和长度乘积（Vπ L） 略升高，而金属吸收损耗有所降低。若波导宽度超过1200 nm，则波导-电极距离逐渐减小，电光重叠因子增加，Vπ L 减小，并且由于宽波导可以较好地限制TE00 模式，因此金属吸收损耗增加并不多。
当固定波导宽度为1000 nm 和G=4 μm 的情况下，研究了刻蚀深度的影响，结果如图2（f）所示。可以发现，随着刻蚀深度的增大，波导侧壁对模式的横向限制增加，模斑横向尺寸减小，外加电压产生的电场在波导区相对分散，衰减较大，使得电光效应减弱，Vπ L 增加，同时金属吸收损耗减小。
该文进一步分析了如图3（a）所示的GSG 电极交叉型TFLN 相位调制器的阻抗匹配和微波传播损耗情况。当固定信号电极宽度为30 μm、电极高度为900 nm 时，改变电极间距G（4. 5~6. 5 μm，间隔为1 μm），结果分别如图3（b）和（c）所示。可以看到，特征阻抗随频率增加时呈现下降趋势，且变化率逐渐降低，最后稳定在38~43 Ω 的区间，而α 则呈现随频率急剧增加再趋于平缓的趋势。
图3 射频半波电压（Vπ ，RF）优化过程
假设在每个频率点下都满足理想的相位累积调制条件，进一步分析了调制长度（L）对交叉型相位调制器S21，EO 和射频半波电压的影响。此时G 固定为5. 5 μm，L 从5 mm 改变至35 mm（间隔为5 mm），结果如图3（d）和（e）所示。当L15 mm 时，行波电极累积的微波传播损耗成为了影响S21，EO 的主要因素，其影响程度远大于阻抗失配，因此S21，EO 曲线整体下降并趋于平缓，阻抗失配波动消失。从仿真结果可知，L 较长使得调制相位累积较大，此时Vπ 较低，但是传播损耗较高，因此Vπ ，RF在所计算的频段内缓慢上升。当L>20 mm 时，Vπ ，RF 变化将不明显。
当射频信号频率固定为18. 3 GHz 时，分析了不同G（4. 5~6. 5 μm）情况下Vπ ，RF 随L 的变化，如图3（f）所示。可以发现，当L 大于20 mm 后，Vπ ，RF 下降趋于平缓，G 不再是影响Vπ ，RF 的决定性因素。当L=20 mm时，计算出不同G 情况下的Vπ 分别为1. 1 V、1. 4 V 和1. 6 V，对应18. 3 GHz 的Vπ ，RF 为2. 0 V、2. 2 V 和2. 5 V。此时对应的α 可从图3（b）得到，当G=5. 5 μm、L=20 mm 时，18. 3 GHz 下的总微波传播损耗约为6 dB。
该文在600 nm 厚的X 切TFLN 基片上，采用电子束曝光（ZEP520A 正胶）和Ar+离子干法刻蚀工艺制备了相位调制器光波导，刻蚀深度为400 nm，并通过第二次电子束曝光以及电子束蒸发和剥离工艺制备了600 nm 的金电极。图4（a）展示了制备的GSG 电极交叉型相位调制器。调制区总长度为2×5 mm，通过与微环谐振器进行单片集成，可以对无源波导（即不受电极吸收损耗影响）的传播损耗进行实时表征。
图4 级联微环腔的交叉波导相位调制器显微镜照片
该文设计和制备了一种GSG 电极结构的X 切TFLN 交叉波导电光相位调制器，并且验证了其具有明显的频率选择性。此外，还测试了高射频功率驱动下的调制特性，进一步验证了交叉波导相位调制器的频率选择特性，并且发现该器件可以工作在30 GHz 的高频区域。
然而目前，该器件只是针对特定频率实现相位调制累加，后续可以在延迟线波导两侧增加电光调谐电极，通过电光效应改变波导有效折射率，从而实现延时量的精细调谐。该文研究结果可以为实现低半波电压的片上集成电光相位调制器提供理论和实验支撑。