铌酸锂单晶薄膜

基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法1. 引言1.1 概述铌酸锂薄膜材料具有在外界电场作用下实现相位控制的特性，这使得它成为光学相控阵中的重要组成部分。

光学相控阵是一种通过调节每个像素单元的相位来实现光波前调控的器件，广泛应用于光通信、自适应光学、全息成像等领域。

本文将介绍基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及其制备方法。

1.2 文章结构本文首先对文章进行了简单概述，然后分为正文和结论部分。

正文包括对移相控制的光学相控阵、铌酸锂薄膜材料及其制备方法进行了详细介绍。

1.3 目的本文旨在深入研究基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，并介绍该技术所涉及的原理和机制。

此外，我们还将讨论不同的铌酸锂薄膜材料制备方法，并比较它们在工艺上的优缺点。

通过本文的研究，我们希望能够为光学相控阵的设计和制备提供一定的参考和指导。

2. 正文在本研究中，我们探索了基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及其制备方法。

光学相控阵是一种能够实现光波前调制和相位调制的关键技术，在信息处理、成像系统和通信领域具有广泛的应用前景。

2.1 光学相控阵概述光学相控阵是一种由多个可编程电极组成的器件，通过对电极施加不同的电场控制信号，可以改变材料的折射率，从而实现对入射光波前的调制。

它具有快速响应时间、高分辨率和广泛的工作频率范围等优点，在液晶显示器、自适应光学和光子集成电路等领域得到广泛应用。

2.2 铌酸锂薄膜材料介绍铌酸锂（LiNbO3）薄膜是一种重要的功能性晶体材料，具有优异的非线性光学特性和高稳定性。

它在构建光学器件和相控阵方面具有重要意义。

LiNbO3薄膜以其较高的折射率差、良好的光学透明性和稳定的化学性质而备受关注。

2.3 移相控制原理及作用机制铌酸锂薄膜材料在光学相控阵中起着重要的作用。

通过在铌酸锂薄膜上施加不同的电场调控信号，可以实现光学相位的调制。

这种移相控制机制基于电-光耦合效应，在外加电场的作用下改变铌酸锂晶格中的离子位置，从而改变其折射率。

薄膜铌酸锂光子学-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容可以如下所示：1.1 概述薄膜铌酸锂（Lithium niobate, LN）是一种具有优异光学性质的晶体材料，其在光子学领域中具有广泛的应用前景。

它由锂离子（Li+）和铌离子（Nb5+）组成的晶体结构构成，具有高非线性光学效应、光电效应和压电效应等特点。

近年来，随着光通信、光存储、光计算等光子学技术的快速发展，薄膜铌酸锂在光子学中的研究逐渐受到了广泛关注。

薄膜铌酸锂可以通过多种方法制备，包括离子交换法、溶液法、激光沉积等技术。

通过控制制备工艺参数，可以获得具有不同光学性质和结构特点的薄膜铌酸锂材料。

薄膜铌酸锂的光学性质使其具有很高的折射率、非线性折射率和非线性光学系数等特点，这使得它在光调制、光调控、光耦合和光调谐等方面表现出优异的性能。

此外，薄膜铌酸锂还可以制作成波导器件、调制器件、谐振器件等光子学器件，用于实现光通信、光传感和光计算等应用。

本文将详细介绍薄膜铌酸锂的制备方法、光学性质及其在光子学中的应用。

通过深入研究和分析，可以更好地理解薄膜铌酸锂的优势和潜力，并展望其在光子学领域的发展前景。

同时，本文还将总结已有研究成果，探讨未来薄膜铌酸锂在光子学中的应用前景，为相关研究提供一定的参考和指导。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以是对整篇文章的章节安排进行简要介绍和概括。

以下是一个例子:1.2 文章结构本文将以以下方式组织和呈现内容：第一部分是引言部分，主要包括概述、文章结构和目的。

在概述部分，对薄膜铌酸锂光子学的背景和重要性进行了介绍。

文章结构部分则提供了本文各个章节的整体框架和组织方式。

最后，在目的部分明确了本文的目标和意义。

第二部分是正文部分，主要分为三个小节。

首先，介绍了薄膜铌酸锂的制备方法，包括常见的物理和化学制备工艺。

然后，讨论了薄膜铌酸锂的光学性质，包括折射率、透过率和能带结构等。

最后，探讨了薄膜铌酸锂在光子学中的广泛应用，如光波导器件、光调制器件和光传感器等方面。

薄膜铌酸锂（LNOI）是指利用Smart-cut工艺在硅基底材料上制造而成的厚度为300~900nm 的铌酸锂单晶层。

薄膜铌酸锂调制器则是利用薄膜铌酸锂晶体制造而成的电光调制器。

与传统铌酸调制器相比，薄膜铌酸锂调制器具有小尺寸、高带宽、低Vπ、高集成度、可批量化生产等优点，可大幅提升单位面板传输密度与降低生产成本，目前已成为电光调制器行业的聚焦点。

根据工作原理不同，薄膜铌酸锂调制器可分为薄膜铌酸锂相位调制器与薄膜铌酸锂强度调制器。

薄膜铌酸锂调制器是铌酸锂调制器的升级产品，在光通信、有线电视、数据中心、微波光子、光纤陀螺、光纤传感、视频传输等领域有着更高应用优势。

当前在下游应用领域快速发展背景下，5G、AI、云服务、虚拟现实等新技术应用的不断扩展带动高速、高带宽、高容量、低能耗光调制需求不断增加。

因此，为满足日益升级的光调制需求，性能更高的薄膜铌酸锂调制器市场得以快速发展。

低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器的研究一、材料选择铌酸锂（LiNbO3）是一种具有优异光学和声学性能的晶体材料，因其具有较高的非线性光学系数和较高的声光系数而被广泛研究和应用。

由于铌酸锂具有良好的透明性和稳定性，以及易于制备薄膜的特点，使得铌酸锂成为声光调制器的理想材料。

二、工作原理铌酸锂薄膜光波导声光调制器的工作原理基于光声效应和电光效应。

当光信号从光波导传输到声波传感器时，由于光声效应的作用，光信号会与声波相互作用，进而改变光信号的相位、振幅或频率。

通过施加外加电场，利用电光效应可以调节声波的产生和传播，从而实现对光信号的调制。

三、性能优势1. 低损耗：铌酸锂薄膜具有较低的传输损耗，可实现高效的光波导传输。

2. 高速调制：铌酸锂薄膜具有较高的声光系数，可实现快速的光信号调制。

3. 宽带宽：铌酸锂薄膜具有较宽的工作频率范围，可适应多种光信号调制需求。

4. 高稳定性：铌酸锂薄膜具有良好的光学和电学稳定性，可保证长时间稳定的调制性能。

四、应用前景由于铌酸锂薄膜光波导声光调制器具备低损耗、高速调制、宽带宽和高稳定性等优势，因此在光通信、光传感、光学计算和光学信号处理等领域具有广泛的应用前景。

1. 光通信：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光纤通信系统中的光信号调制，实现高速、高效率的光通信传输。

2. 光传感：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光纤传感系统中的光信号调制，实现高灵敏度的光传感探测。

3. 光学计算：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光学计算系统中的光信号处理，实现高速、低能耗的光学计算功能。

4. 光学信号处理：铌酸锂薄膜光波导声光调制器可用于光学信号处理系统中的光信号调制和处理，实现高速、高精度的光学信号处理。

低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器具有在光通信、光传感、光学计算和光学信号处理等领域广泛应用的潜力。

随着材料制备技术的不断发展和研究的深入推进，铌酸锂薄膜光波导声光调制器的性能将进一步提升，其应用前景也将更加广阔。

第47卷第6期2021年6月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.47No.6Jun.2021铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计杨登才1,陈雨康1,王云新2,向美华1,陈智宇3,刘萍萍1,兰　天1(1.北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院,北京　100124;2.北京工业大学理学部物理与光电学院,北京　100124;3.中国电子科技集团第29研究所电子信息控制重点实验室,成都　610036)摘　要:电光调制器的半波电压和带宽主要取决于其电极结构,基于绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator,LNOI)结构调制器波导与基底折射率差为传统工艺的10倍左右,能够大幅提高光场和电场的重叠度,降低调制器的半波电压,提升调制带宽.当前迫切需要针对这一新型调制结构的电极进行优化设计.应用COMSOL Multiphys⁃ic 和HFSS 软件对LNOI 结构的强度调制器进行协同仿真和优化设计.主要讨论了电极宽度㊁电极厚度㊁电极间距和上下包层厚度对调制器特性参数的影响,得到了调制器的电光重叠积分㊁微波折射率㊁微波衰减系数和电极特性阻抗等参数.在此基础上,通过约束算法优化设计这些性能参数达到提高带宽和降低半波电压的目的.结果表明,在电极长度为1cm 的情况下,半波电压约为2.17V,3dB 带宽大于70GHz.该研究工作对基于LNOI 结构的电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.关键词:协同仿真;薄膜铌酸锂;行波电极;相速匹配;重叠积分;电极结构参数中图分类号:TN 252文献标志码:A文章编号:0254-0037(2021)06-0565-08doi :10.11936/bjutxb2020010007收稿日期:2020⁃01⁃08基金项目:国家自然科学基金资助项目(61771438,61871007);装备预研基金资助项目(6141B08231102)作者简介:杨登才(1978 ),男,副研究员,主要从事光电子器件方面的研究,E⁃mail:dengcaiyang@Collaborative Simulation and Optimal Design of LiNbO 3Thin Film ModulatorYANG Dengcai 1,CHEN Yukang 1,WANG Yunxin 2,XIANG Meihua 1,CHEN Zhiyu 3,LIU Pingping 1,LAN Tian 1(1.Institute of Laser Engineering,Faculty of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.College of Physics and Optoelectronics,Faculty of Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;3.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,CETC29,Chengdu 610036,China)Abstract :The half⁃wave voltage and bandwidth of the electro⁃optic modulator depend mainly on its electrode structure.The difference of refractive index between the waveguide and the substrate of the modulator based on the lithium niobate on insulator (LNOI )is about ten times of the traditional technique,which can significantly improve the overlap degree of light field and electric field,reduce the half⁃wave voltage,and improve the bandwidth.Therefore,it is urgent to optimize the electrode design ofthis structure.In this paper,COMSOL Multiphysics and HFSS were used to simulate and optimize the electrode of intensity modulator based on LNOI structure.The effects of electrode width,electrode thickness,electrode gap,upper and lower cladding thickness on the characteristic parameters of the modulator were discussed.Then,the parameters of the modulator,such as electro⁃optic overlap integral,microwave effective refractive index,microwave attenuation coefficient and electrode characteristic impedance,were obtained.On this basis,these performance parameters were optimized to improve北　京　工　业　大　学　学　报2021年bandwidth and reduce half wave voltage.Results show that the half⁃wave voltage reaches2.17V,and the bandwidth of3dB is better than70GHz when the electrode length is1cm.The proposed work has important significance for the electrode design of LNOI⁃based electro⁃optic modulator.Key words:collaborative simulation;lithium niobate thin film;traveling wave electrode;phase velocity matching;electro⁃optic overlap integral;parameters of electrode 铌酸锂(lithium niobate,LN)材料具有电光系数大㊁光谱响应范围宽和加工工艺技术成熟的优点[1⁃2],在光纤通信㊁光纤陀螺等领域得到了广泛应用[2].传统的铌酸锂强度调制器采用质子交换或者钛扩散的方法制备光波导[1⁃5],由于掺杂部分的铌酸锂与无掺杂的铌酸锂衬底折射率差很小,约为0.007,导致光模场直径为9μm左右.为了避免两波导发生模式耦合,通常要求调制电极之间具有较大的间距,这就间接降低了电光作用强度.在1.55μm的工作波长下,传统铌酸锂强度调制器的半波电压与电极长度乘积一般在10V㊃cm以上[4⁃5].近年来,由于铌酸锂薄膜工艺的突破,绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator,LNOI)结构调制器逐渐成为研究热点.LNOI基片的衬底材料为硅或者铌酸锂,衬底上生长了一定厚度的二氧化硅,二氧化硅层表面键合着一层薄薄的铌酸锂单晶薄膜[6].LNOI结构波导主要是通过刻蚀或腐蚀工艺加工铌酸锂薄膜形成脊形波导.脊型波导与二氧化硅包层的折射率差为0.7左右,更大的折射率差能获得尺寸更小的导模,光模场直径约为1μm[7],这样能极大地减小电极间距,增大电光作用效率.目前,国内外报道的基于铌酸锂薄膜的电光调制器,半波电压长度乘积达到了2.2V㊃cm[8⁃10],1cm电极长度下电光调制带宽达到了70GHz以上[11],这些性能参数均大大优于传统铌酸锂调制器.同时,新的衬底结构要求相匹配的电极结构,才能获得更低半波电压并提高调制带宽.然而目前尚未见专门针对LNOI结构的调制电极进行优化设计的相关报道[8,10⁃15].本文基于有限元方法,对基于铌酸锂薄膜强度调制器的电极结构进行了深入分析和优化设计.该研究对LNOI结构的电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.1　电极结构分析马赫增德尔(Mach⁃Zehnder,MZ)强度调制器利用电极施加电压信号来改变调制臂光波相位,两臂干涉后实现输出光强的调制功能.输出光强最大和最小时对应的电压差即为半波电压[16],可表示为Vπ=λg n3eγ33Γl(1)式中:λ为光波长;g为电极间距;n e为e光折射率;γ33为晶体z轴电光系数;l为电极长度;Γ为电光重叠积分因子[10],可以表示为Γ=g V∬E2o(x,y)E(x,y)d x d y∬E2o(x,y)d x d y(2)式中:V为外加电压;E(x,y)为微波场分布;E o(x, y)为光模场分布.频率响应函数H(f)的表达式[17]为H(f)=e-αL[2sin h(2αl)2+sin(2εl)(2αl)22(+εl)2]20.5(3)式中:ε为相速失配因子,ε=2πf(n eff-n o)/c,n eff为介质中微波的有效折射率,统一简称为微波折射率, n eff=cβ/ω,β为相位常数,ω为角频率,c为真空中的光速,n o为铌酸锂介质中光的有效折射率;α为微波衰减系数,包括导体损耗和介质损耗,Np/m.当频率响应函数H(f)等于1/2时,对应的频率范围即为3dB电光调制带宽Δf[17].与集总电极相比,行波电极结构具有调制带宽大的特点,所以本文以行波电极结构为对象进行分析.为了避免微波反射,需要进行阻抗匹配,即行波电极特性阻抗要接近50Ω负载阻抗.行波电极的特性阻抗Z0[18]为Z0=R+jωLG+jωC(4)式中R㊁L㊁G㊁C分别为行波电极的等效电阻㊁电感㊁电导和电容.综上所述,在给定电极长度和电极间距的条件下,调制器的半波电压Vπ主要由电光重叠积分Γ决定;调制带宽Δf主要由介质中的微波折射率n eff 和衰减系数α决定.回波损耗主要由特性阻抗Z0决定.要得到上述调制器特征参数,需要对强度调制器的调制臂建模进行截面分析和频率扫描分析.665　第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计2　模型建立2.1　整体模型为了实现宽带宽调制,调制器的电极通常采用共面波导(coplanar waveguide,CPW)行波电极结构,其建模基于传输线结构.图1(a)显示的是铌酸锂MZ 调制器内部的电极俯视图,可以看到,电极主要分为调制区和过渡连接区,其中调制区决定了器件的半波电压和带宽.调制器的截面模型如图1(b)所示.图中黄色部分代表电极,电极材料为金,中间为信号电极(S),两边为地电极(G),红色部分为二氧化硅,青色部分为铌酸锂薄膜刻蚀后的脊波导结构,橘黄色部分为硅衬底.截面参数主要有:信号电极宽度w㊁电极厚度t㊁电极间距g㊁上包层厚度t u和下包层厚度t d .图1　CPW行波电极结构Fig.1　Structure of CPW traveling wave electrode 2.2　协同仿真流程利用COMSOL集团的COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件和ANSYS公司的HFSS高频电磁场仿真软件进行协同仿真设计,仿真流程如下. 1)从电极截面出发,建好截面模型后,利用COMSOL软件提取CPW行波电极的R㊁L㊁G㊁C分布参数,计算得到微波有效折射率㊁特性阻抗和微波衰减系数;同时进行模式分析得到波导内的光模场分布,进而求得电光重叠积分.2)对电极的厚度t㊁电极宽度w㊁多电极间距g㊁上包层厚度t u和下包层厚度t d进行参数化扫描,优化得到一组综合性能指标最优的电极参数. 3)利用优化得到的电极参数在HFSS中建立三维传输线模型,设置波导端口激励和网格后,进行频率扫描,可以计算得到电极的S参数.该协同仿真模型中,截面二维模型利用COMSOL软件计算,复杂的三维模型利用HFSS软件计算,发挥了各个软件的优势,具有求解速度快㊁节省计算机资源的优点.3　电极优化设计3.1　模型验证在上述建模基础上,完成电极设计,通过实验验证仿真方法的有效性.首先根据文献[10]中的电极参数进行仿真,并将仿真结果(simulation result,SR)和实验结果(experimental results,ER)进行了比较,电场和光模场分布如图2所示,其中左侧颜色栏表示光模场强度,右侧颜色栏表示电场强度㊂实验脊波导参数为:脊顶部宽度1.0μm,脊厚0.3μm,脊下薄膜层厚度0.3μm,倾角75°.可以得到,单模光斑较好地束缚在脊波导里,且波导内的电场作用分布较强.仿真和实验数据对比如表1所示,半波电压与电极长度乘积的实验结果略大于仿真结果,在误差允许范围内;特性阻抗和微波有效折射率的仿真结果和实验结果非常接近,验证了上述方法建模的有效性.图2　电场和光模场分布Fig.2　Distribution of electric field and optical mode field表1　实验结果与仿真结果比较Table1　Comparison of ER and SR参数w/μmt/μmg/μmVπ㊃l/(V㊃cm)Z0/Ωn eff ER130.651.4502.3 SR1.1492.3765北　京　工　业　大　学　学　报2021年 利用该模型进行优化设计.根据经验数据和实际工艺条件[8,10,19⁃20],本文仿真条件设置如下:光波长为1.55μm,微波信号频率设为20GHz,电极宽度的扫描范围为5~30μm,步长为2μm,初始电极宽度为13μm;电极厚度的扫描范围设为0.6~5.0μm,步长为0.4μm,初始电极厚度为1μm;电极间距的扫描范围设为3~10μm,步长为1μm,初始电极间距为5μm;下包层的扫描范围设为1~2μm,步长为0.2μm,初始下包层厚度为1.6μm;上包层的扫描范围设为0~2μm,步长为0.2μm,初始上包层厚度为0.3μm.3.2　电光重叠积分根据式(1)可得,电光重叠积分越大,半波电压越小.分析不同电极间距下,电光重叠积分的变化情况.将式(1)做如下变换Vπ=λg n3eγ33ΓL =λn3eγ33L1Γ/g(5)式中Γ/g为重叠积分与电极间距之比.由式(5)可以得到,半波电压随Γ/g的增大而减小.设置电极宽度㊁电极厚度㊁下包层厚度和上包层厚度参数为初始值,对电极间距进行扫描,得到Γ/g随电极间距的变化,仿真结果如图3(a)所示.可以看出,电极间距越小,Γ/g越大,表明电极间距减小,模场处的电场强度增强,而电极宽度的变化不会引起电极间电场的变化.此外,电极厚度和上㊁下包层厚度对电极间电场分布均有一定的影响.不同下包层厚度下,电光重叠积分随电极厚度的变化如图3(b)所示.仿真时设置电极宽度㊁电极间距和上包层厚度为初始值,不同下包层厚度下对电极厚度进行扫描.当下包层厚度为定值时,随着电极厚度的增大,电光重叠积分快速增大,电极厚度从0.6μm增加到3.0μm时,重叠积分增幅为8.6%,当电极厚度大于3.0μm之后,曲线趋于平缓,变化小于0.1%,即模场处快速增大的电场此后基本趋于稳定,电极厚度最优取值不低于3.0μm,以得到较大的重叠积分;当给定电极厚度,下包层厚度从1.0μm增加到2.0μm的过程中,电光重叠积分逐渐增大,增幅约为3.4%.设置电极宽度㊁电极间距㊁电极厚度和t d参数为初始值,对t u进行扫描,分析电光重叠积分随上包层厚度的变化关系时,得到的变化曲线如图3(c)所示㊂没有覆盖上包层(t u=0)时,电光重叠积分处于最小值1.13;当覆盖上包层,并逐渐增加t u,但不超过电极厚度1.0μm时,电极间分布的电场得到了一定的束缚,局部电场增大,电光重叠积分迅速提高图3　电极参数对电光重叠积分的影响Fig.3　Influence of electrode parameters onelectro⁃optic overlap integration了3.5%.当t u大于电极厚度1.0μm时,电极间的电场束缚不再增强甚至开始减弱,所以电光重叠积分略有减小的趋势.因此,t u应不超过电极厚度.3.3　微波折射率根据前面的分析可知,调制带宽主要与相速失配和微波衰减有关,相速失配越小,带宽越大.相速失配的原因是铌酸锂波导中的微波折射率接近光波折射率的2倍,需要通过改变电极结构参数来降低微波折射率.微波折射率可表示为n eff=εeff,εeff 为介质的有效介电常数,所以改变微波折射率的方法主要是通过改变电极附近低介电常数材料的结构865　第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计或面积,来达到改变有效介电常数的目的.首先,对电极宽度和电极间距进行扫描,得到不同电极间距下,微波折射率随电极宽度的变化如图4(a)所示.随着电极宽度的增加,微波折射率逐图4　电极参数对微波折射率的影响Fig.4　Influence of electrode parameters onmicrowave refractive index渐增大,当电极间距为7μm 时,电极宽度从10μm 增加到30μm 的过程中,微波折射率增幅最大为2.2%,另外电极间距从3μm 增加到6μm 的过程中,微波折射率逐渐减小,不同电极宽度下的减少幅度在3.0%~4.6%变化,电极间距大于6μm 之后微波折射率趋于不变.因此缩小电极宽度和增大电极间距,有利于降低微波折射率,而且增大电极间距的效果更为显著.此外,上下包层厚度和电极厚度的改变也会影响有效介电常数进而影响微波折射率.电极厚度和下包层厚度对微波折射率的影响如图4(b)所示,在仿真扫描范围内电极和下包层越厚,微波折射率越低,在电极厚度从0.6μm 增加到5.0μm 时,微波折射率降低了9.4%左右,下包层厚度从1.0μm 增加到2.0μm 时,微波折射率降低了5.4%左右.上包层厚度对微波折射率的影响如图4(c)所示.微波折射率随着上包层厚度的增加而增加,厚度从0增加到2.0μm 时,微波折射率增加了6.8%.因此,增加电极厚度和下包层厚度,减小上包层厚度,有助于降低微波折射率.3.4　微波衰减系数影响带宽的另一因素是电极的微波衰减系数,衰减系数越小,带宽越大.衰减系数由导体损耗和介质损耗共同决定.导体损耗源于导线阻抗对电流的消耗,由于射频信号的趋肤效应,导致电流损耗变大;介质损耗源于介质的极化,交流电场使介质中电偶极子极化方向不断变化,消耗能量.首先分析电极宽度和电极间距对衰减系数的影响.不同电极间距下,衰减系数随电极宽度的变化如图5(a)所示.电极宽度增大时,电极截面变大,阻抗减小,导体损耗也将减小,而介质损耗近似不变,所以衰减系数减小,当电极间距增大时,局部电场减弱,介质极化变弱,介质损耗将减小,而导体损耗近似不变,所以衰减系数也减小,这与图中曲线的变化趋势十分契合.因此增大电极宽度和电极间距有助于减小微波衰减.其次分析电极厚度的变化与电极宽度的变化类似,随着电极的加厚,电极截面变大,导体损耗减小,而介质损耗不变,所以衰减系数将减小,如图5(b)所示.从图中还注意到电极厚度大于3倍趋肤深度(1.65μm)时,剧烈下降的衰减系数开始趋于平缓;另外下包层厚度增大时,介质损耗稍有降低,衰减系数略有减小.所以增大电极厚度和下包层厚度有利于降低微波衰减.最后分析衰减系数随上包层厚度的变化,如图5(c)所示.随着上包层厚度的增加,电极间电场强度变大,介电损耗将增大,所以衰减系数也有所增加.因此上包层越薄,衰减系数越小,仿真扫描范围内变化幅度小于6.5%.3.5　特性阻抗行波电极的特性阻抗与负载阻抗不匹配,即阻抗失配,会引起回波损耗.阻抗失配越小,即特性阻抗越接近负载阻抗,回波损耗越小.965北　京　工　业　大　学　学　报2021年图5　电极参数对衰减系数的影响Fig.5　Influence of electrode parameters onattenuation coefficient首先分析不同电极间距下,特性阻抗随电极宽度的变化.根据前面的分析,电极宽度越宽,电极截面越大,所以特性阻抗将减小.电极间距越大,高频电信号与地电极的距离变大,所以特性阻抗将变大,仿真结果如图6(a)所示.其次分析不同下包层厚度下特性阻抗随电极厚度的变化,如图6(b)所示.随着电极厚度的增加,电极截面变大,特性阻抗迅速减小.下包层厚度增大,阻抗略有增加.因此减小电极宽度,增大电极间距,减小电极厚度以及增大下包层厚度,有助于增大特性阻抗.最后分析上包层厚度对特性阻抗的影响,如图6(c)所示.随着上包层的增厚,特性阻抗逐渐减小.因此减小上包层的厚度有利于增大特性阻抗,从图6　电极参数对特性阻抗的影响Fig.6　Influence of electrode parameters oncharacteristic impedance2.0μm厚度减小到0μm,特性阻抗增大了6.2%.3.6　优化分析电极宽度㊁电极间距㊁电极厚度和上下包层厚度对各电极性能参数的影响十分复杂,无法同时达到最优值,所以它们的取值应该综合考虑.这里采用软件内置的多变量约束优化算法,把电极宽度㊁电极间距和电极厚度作为自变量,半波电压㊁微波有效折射率㊁微波衰减系数和特性阻抗作为因变量,暂时不覆盖上包层,首先设置下包层厚度为2.0μm,在一定范围内随机改变自变量的值使得半波电压㊁微波衰减系数趋近最小值,微波有效折射率和特性阻抗分别趋近光模式有效折射率1.876和匹配阻抗50Ω,经过数次迭代,得到了一组优化解,电极宽度㊁电极间距和电极厚075　第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计度分别为6.0㊁6.0㊁6.0μm,此时计算得到20GHz 下微波折射率为1.842,特性阻抗为46.6Ω,半波电压为2.61V,当覆盖厚度为0.4μm 的上包层时,模型分析得到光模式有效折射率为1.895,微波有效折射率为1.864,特性阻抗为46Ω,相速匹配和阻抗匹配均良好,半波电压为2.45V,降低了0.16V .由于下包层的增厚对各表征参数均有利,因此接下来将下包层厚度设置为4.6μm,重复优化求解步骤,得到新的一组优化解,电极宽度㊁电极厚度㊁电极间距参数分别为13.3㊁2.2㊁5.3μm,在20GHz 下微波折射率为1.950,特性阻抗为49.2Ω,半波电压降为2.35V,当覆盖厚度为0.4μm 的上包层时,微波有效折射率为1.975,特性阻抗为48.8Ω,半波电压为2.17V,这表明在下包层厚度增加后,器件阻抗得到了更好的匹配,半波电压也得到了进一步降低.LNOI 结构电光调制器的调制波导可以采用干法或湿法刻蚀工艺,在LNOI 衬底上刻蚀出脊型波导,目前哈佛大学㊁山东大学㊁中山大学等多个研究机构已经进行了深入的研究和探索[7,10⁃11],并成功实现了铌酸锂薄膜波导的刻蚀.然后,通过蒸镀一定厚度的金电极实现调制电极的制备.蒸镀电极之前,在铌酸锂表面溅射一层几纳米的金属铬膜,用于增加金电极的黏附性,而这层铬膜对电极性能的影响很小,因此,分析时常忽略不计.最后,溅射一层二氧化硅作为脊波导的上包层,降低脊波导表面粗糙度带来的损耗.接下来对4.6μm 下包层厚度下选定的参数建立片上行波电极模型,进行频率扫描分析.图7　行波电极的频率响应曲线Fig.7　Frequency response curve of traveling⁃wave electrode4　高频特性分析利用优化得到的电极参数在HFSS 软件中建立三维CPW 传输线模型,电极长度设为1cm,对其进行频率扫描,扫描范围为0.1~75.0GHz,步长0.1GHz .扫描得到电光S21(EO⁃S21)和电极回波损耗S11(E⁃S11)的频率响应曲线如图7所示.可以看出,3dB 调制带宽大于70GHz,高频条件下的回波损耗整体低于-20dB .5　结论1)仿真分析表明,脊上覆盖的上包层能够有效增大电光重叠积分,上包层越厚,电光重叠积分越大,当t u 超过电极厚度时,重叠积分变化趋缓.然而,上包层的加厚会降低阻抗,增大微波折射率和微波损耗,不利于阻抗匹配和相速匹配,但是能够降低半波电压.因此,需要权衡考虑脊上覆盖的上包层的参数设计,兼顾半波电压㊁带宽等性能.2)随着t d 的增加,电光重叠积分和特性阻抗均增大,微波折射率和微波损耗均减小,既有利于降低半波电压和电极回波损耗,又能增大带宽,所以应在工艺允许范围内尽可能增加t d .3)优化得到了一组电极参数,当电极长度为1cm 时,器件半波电压为2.17V,3dB 带宽大于70GHz,回波损耗在高频条件下整体低于-20dB,达到了较好的优化设计结果.由于目前还没有针对这种新结构的电极分析的报道,因此本文的研究对基于LNOI 结构电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.参考文献:[1]NOGUCHI K,MITOMI O,MIYAZAWA limeter⁃wave Ti:LiNbO 3optical modulators [J ].Journal of Lightwave Technology,1998,16(4):615⁃619.[2]WOOTEN E L,KISSA K M,YI⁃YAN A,et al.A reviewoflithiumniobatemodulatorsforfiber⁃opticcommunications systems [J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2000,6(1):69⁃82.[3]JANNER D,TULLI D,GARCÍA⁃GRANDA M,et al.Micro⁃structured integrated electro⁃optic LiNbO 3modulators [J].Laser &Photonics Reviews,2010,3(3):301⁃313.[4]LUO R,JIANG H,ROGERS S,et al.On⁃chip second⁃harmonic generation and broadband parametric down⁃conversion in a lithium niobate microresonator [J].Optics Express,2017,25(20):24531⁃24539.[5]NIKOGOSYAN D N.Nonlinear optical crystals:acomplete survey [M ].New York:Springer⁃Science,2005:5⁃74.[6]POBERAJ G,HU H,SOHLER W,et al.Lithium niobate on insulator (LNOI)for micro⁃photonic devices[J].Laser &Photonics 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薄膜铌酸锂电光调制器（Lithium niobate electro-optic modulator）是一种使用铌酸锂晶体材料制成的光学器件，主要用于调制光信号的幅度和相位。

当施加电场到铌酸锂薄膜上时，会导致晶格的畸变，从而产生Pockels效应，改变材料的折射率而引起光的干涉和相位差。

这种调制方式可以快速、高效地实现光信号的调制，电光调制器在通信、光学传感器、雷达等领域有着重要的应用。

理论上，假设一段长为L、折射率为n、电光系数为r的材料中，施加电压U可以得到相位差Δφ，则相应的电光调制深度（指输出光强与输入光强的比值）为：ΔI/I = (2/L) * (r * U * L) * sin(Δφ)其中，sin(Δφ)是通过电场导致晶格畸变引起的相位差。

举例说明，若要将一个波长为1550nm的光信号进行50%的调制深度，可以使用一个长度为1cm、电光系数为30 pm/V的铌酸锂薄膜，在施加3.3V的电压时即可实现。

除了上述的电光调制原理和公式，值得注意的是，薄膜铌酸锂电光调制器还需要考虑到以下几个问题：频率响应：由于电光调制器的工作原理基于施加电场而改变材料的折射率，其响应速度取决于电场变化速率。

对于高速通信系统，需要选择具有较高的频率响应的电光调制器。

损耗：电光调制器会引起一定的光损耗，这对于光通信系统中需要长距离传输的信号质量至关重要。

因此，需要选择具有低损耗的电光调制器。

稳定性：由于铌酸锂晶体对温度、湿度、压力等因素比较敏感，因此电光调制器需要考虑稳定性问题，以避免在工作过程中产生不稳定的信号失真。

在实际应用中，薄膜铌酸锂电光调制器往往需要和其他器件组合在一起，以实现光信号的接收、放大、和发送等功能，这就需要系统工程师将各个器件进行精细匹配，并进行实验验证。

薄膜铌酸锂铌奥光电铌酸锂铌奥光电（LNO）是一种具有特殊光学性质的薄膜材料。

它由铌酸锂（LiNbO3）和铌酸锂（LiNbO3）复合而成，具有独特的光学和电学性能，被广泛应用于光学通信、光学传感、光学计算和光学储存等领域。

铌酸锂铌奥光电具有优良的光学性能，其中最重要的特性之一是其非线性光学效应。

这种效应使得铌酸锂铌奥光电在光学调制器、光学开关和光学调频器等光学器件中具有重要的应用。

铌酸锂铌奥光电的非线性光学效应主要包括二次非线性光学效应和电光效应。

二次非线性光学效应使得铌酸锂铌奥光电能够实现频率倍增、频率混频和光学参量放大等功能，而电光效应使得铌酸锂铌奥光电能够实现光学调制、光学开关和光学调频等功能。

除了非线性光学效应，铌酸锂铌奥光电还具有优异的光电性能。

它具有较高的光学吸收系数、较低的光学损耗和较高的光电响应速度，使得它在光电探测器、光电开关和光电调制器等光电器件中具有广泛的应用。

此外，铌酸锂铌奥光电还具有优异的光学稳定性和热稳定性，能够在高温和高功率的工作环境下稳定工作。

薄膜铌酸锂铌奥光电是一种将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜形式的技术。

通过薄膜制备技术，可以将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜材料，从而实现对其光学和电学性能的优化和控制。

薄膜铌酸锂铌奥光电具有较高的薄膜质量和较大的薄膜面积，能够实现更高的光学和电学性能。

因此，薄膜铌酸锂铌奥光电在光学器件中具有更广泛的应用。

薄膜铌酸锂铌奥光电的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法沉积等。

物理气相沉积是将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜的常用方法，它通过蒸发源蒸发铌酸锂铌奥光电材料，使其在基底上沉积成薄膜。

化学气相沉积是一种将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜的新方法，它通过在气相中使铌酸锂铌奥光电材料发生化学反应，从而使其在基底上沉积成薄膜。

溶液法沉积是一种将铌酸锂铌奥光电制备成薄膜的简便方法，它通过将铌酸锂铌奥光电材料溶解在溶液中，然后将溶液倒在基底上，使其在基底上沉积成薄膜。

铌酸锂单晶薄膜退火条件铌酸锂（LiNbO3）作为一种重要的功能性材料，广泛应用于光学和电子学领域。

单晶薄膜是其中一种重要形态，它具有优异的光学性能和电学性能。

然而，在制备过程中，铌酸锂单晶薄膜常常会出现缺陷和应力，影响其性能和稳定性。

为了消除这些问题，退火是一种常用的方法。

退火是指将材料加热至一定温度，然后缓慢冷却的过程。

对于铌酸锂单晶薄膜而言，退火条件的选择至关重要。

在退火过程中，温度、时间和气氛等因素都会对铌酸锂单晶薄膜的性能产生影响。

温度是决定退火效果的关键因素之一。

通常，铌酸锂单晶薄膜的退火温度在600°C至1000°C之间选择。

较低的温度可以降低晶体中的应力，并提高薄膜的结晶性能。

较高的温度则有助于消除晶体中的缺陷，并提高薄膜的光学和电学性能。

因此，在选择退火温度时，需要综合考虑薄膜的应用要求和制备工艺的限制。

退火时间也是影响退火效果的重要因素。

一般来说，较长的退火时间有助于提高晶体的完整性和稳定性。

然而，过长的退火时间可能导致晶体的生长，使薄膜失去其单晶特性。

因此，在选择退火时间时，需要进行实验和观察，找到适合薄膜的最佳退火时间。

气氛对铌酸锂单晶薄膜的退火效果也有重要影响。

常用的气氛有氧气、氮气和氩气等。

氧气可以在退火过程中氧化晶体表面，提高薄膜的光学性能。

氮气和氩气则可以降低晶体表面的氧化程度，改善薄膜的电学性能。

因此，在选择退火气氛时，需要根据薄膜的具体要求和制备工艺的限制进行选择。

铌酸锂单晶薄膜的退火条件是一个复杂的问题，需要综合考虑温度、时间和气氛等因素。

通过合理选择退火条件，可以消除铌酸锂单晶薄膜中的缺陷和应力，提高其性能和稳定性。

未来的研究可以进一步探索不同退火条件对铌酸锂单晶薄膜的影响，以优化薄膜的制备工艺，并拓展其在光学和电子学领域的应用。