SOI光波导器件研究进展及应用

摘要通过光纤把外部光源引入ｓｏＩ集成光路时，为减少偶然因素对耦合效率的影响．需解决光纤定位问题，以及为提高多通道波导型器件、半导体激光器阵列、光开关阵列等与圯纤的耦合效率问题，作者利用单晶硅材料，设计并制作出具有高精度光纤定位功能的硅Ｖ型槽及其阵列。

本文围绕硅Ｖ型槽的设计和制作．从理论上详细分析了单模光纤与脊形波导的模式特点，得出最佳的耦合条件，在此基础上设计出最合适的硅Ｖ型槽结构。

在实践上．对制作工艺积极探索，提出新的制备硅掩蔽膜的工艺方案，对影响光刻质量的因素深入分析，试验摸索出适用于Ｖ型槽的各向异性湿法腐蚀的腐蚀液配方，独立优化设计了制作硅Ｖ型槽的相关３－艺，制作出高质量的硅Ｖ型槽。

并展示了它广阔的应用前景和科研产。

％的开发价值。

关键词：光纤定位，Ｖ型槽，掩蔽膜，各向是。

缈蚀ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｅｍｐｈａｓｉｓｉｓｐｕｔｏｌｌｉｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ～一ｇｒｏｏｖｅａｒｒａｙｓ．Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｗｅｕｓｅｉｓｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｍ·ｓｉｌｉｃｏｎ．ＳｉｌｉｃｏｎＶ—ｇｒｏｏｖｅｓｔｌｕｃｔｕｒｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｆｉｂｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．ＳｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｂｏｕｔｈｏｗｔｏｍａｋｅｌｉｇｈｔｉｎｔｏＳ０１ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙａｎｄｃｏｕｐｌｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｆｉｂｅｒｓｃａｎｂｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｍｏｄｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｉｎｇｌｅ—ｍｏｄｅｆｉｂｅｒａｎｄｒｉｄｇｅｗａｖｅｇｕｉｄｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉＳｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｍａｋｅｓａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｒｏｇｒａｍ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｙｗｉｔｈｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｏｎｅ．Ｍａｓｋ—ｍａｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｈｏｔｏｅｔｃｈｉｎｆｉａｎｄｗｅｔ—ｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．ＴｈｅａｕｔｈｏｒａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｖａｌｕｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎＶ—ｇｒｏｏｖｅａｒｒａｙｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｂｅｒｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｖｇｒｏｏｖｅ，Ｍａｓｋ，Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｅｔｃｈｉｎｇ．第一章绪论§１．１引言在人类进入信息社会的重要历史时期，发展信息产业已成为各发达国家着眼于２１世纪综合国力竞争的焦点，信息产业将是下世纪衡量和表现一个民族创造与发展能力、生存能力的重要领域。

光波导的一些基本概念平面光波导，英文缩写plc是英文planarlightwavecircuit的缩写，翻译成中文为：平面光波导(技术)。

所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。

正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。

因此，plc是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的plc分路器是用二氧化硅(sio2)做的，其实plc技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(quartz/silica/sio2)、铌酸锂(linbo3)、iii-v族半导体化合物(如inp,gaas等)、绝缘体上的硅(silicon-on-insulator,soi/simox)、氮氧化硅(sion)、高分子聚合物(polymer)等。

基于平面光波导技术解决方案的器件包括分路器、星形耦合器、可变光衰减器（VOA）、光开关、交织器和阵列波导光栅（AWG）。

根据不同应用（如响应时间、环境温度等）的要求，这些设备可以由不同的材料系统和加工技术制成。

值得一提的是，这些器件都是光无源器件和独立器件。

它们可以相互组合或与其他有源设备组合，形成具有不同功能的高端设备，如vmux=VOA+AWG、WSS=switch+AWG等（图2）。

这种结合是PLC技术——光子集成电路（PIC）未来的发展方向随着ftth的蓬勃发展，plc(planarlightwavecircuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而plc的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和awg，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。

1.平面光波导材料plc光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（linbo3）、ⅲ-ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（sio2）、soi（silicon-on-insulator,绝缘体上硅）、聚合物（polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。

1.平面光波导材料
PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。

图1. PLC光波导常用材料
表1. PLC光波导常用材料特性
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。

InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。

二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。

SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。

聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer 材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。

玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。

光学微环谐振腔的研究与应用摘要：随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。

微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。

本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。

然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。

基于绝缘体上硅波导（Silicon-On-Insulator SOI）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。

我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构，这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。

关键词: 微谐振腔, 光波导，SOI，陀螺RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORINGRESONATORSAbstractWith the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future all-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, its small size is very suitable for integration with large dimension.In this thesis, we first introduce the light of total reflection theory and the basic structure of waveguide. Then we introduce the principle of mcroring resonator,analysis their transmission property. Micro-ring resonators based on silicon- on-insulator (SOI) structure are promising building-blocks for ultra-compact and highly integrated photonic circuits. The fabrication technology is mostly CMOS-compatible.We propose a configuration of integrated waveguide structure consisting of resonators coupled to an arc-shape waveguide. Such proposed configuration can be used to realize highly compact optical gyroscope for rotation sensing.Key words: microresonators ,waveguide ,SOI ,Gyroscope1. 引言光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号，在通信不发达的古代，人们就已经懂得利用光来传递信息。

第50卷第4期2021年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.50㊀No.4April,2021铌酸锂单晶薄膜材料李青云1,朱厚彬1,张洪湖1,张秀全2,胡㊀卉1(1.山东大学物理学院,济南㊀250100;2.山东大学,激光与红外系统集成技术教育部重点实验室,青岛㊀266000)摘要:铌酸锂晶体集电光㊁声光和非线性光学等物理特性于一身,且透光范围宽,作为一种重要的光学材料被广泛应用于通信㊁传感等领域㊂通过离子注入与直接键合的方式制备出的铌酸锂单晶薄膜材料,保留了铌酸锂体材料的优秀物理特性,并且具有高折射率对比度的优点,使光子器件在集成度和性能上都得到了很大程度的提升㊂本文介绍了铌酸锂薄膜的制备及应用,展示了直径6英寸(1英寸=2.54cm)的铌酸锂单晶薄膜㊂将硅单晶薄膜覆盖在铌酸锂单晶薄膜上面,形成一种新型的复合薄膜材料,结合了铌酸锂出色的光学性能和硅出色的电学性能,本文报道了直径3英寸的复合薄膜材料,X 射线证明硅薄膜是单晶结构,这种复合薄膜在未来的集成光电芯片中具有应用潜力㊂关键词:铌酸锂;薄膜;离子注入;直接键合;化学机械抛光中图分类号:O734㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2021)04-0716-08Single-Crystal Lithium Niobate Thin FilmsLI Qingyun 1,ZHU Houbin 1,ZHANG Honghu 1,ZHANG Xiuquan 2,HU Hui 1(1.School of Physics,Shandong University,Jinan 250100,China;2.Key Laboratory of Laser &Infrared System,Ministry of Education,Shandong University,Qingdao 266000,China)Abstract :Lithium niobate crystals have excellent electro-optic,acousto-optic and nonlinear optical properties,and have broad transmission window.As an important optical material,it is widely used in the fields of communication and sensing.Single-crystal lithium niobate thin film (lithium niobate on insulator,LNOI)prepared by ion implantation and direct bonding retains the excellent physical properties of lithium niobate bulk material,and it has large refractive index contrast.Photonic devices based on this material have been greatly improved in terms of integration and device performance.The preparation process and applications of LNOI is introduced in this paper,and a 6-inch LNOI is demonstrated.A hybrid thin film can be formed by covering a single-crystal silicon thin film on the top of a LNOI.This hybrid thin film combines the excellent optical properties of LN and excellent electronic properties of silicon.3-inch hybrid thin film is reported in this paper.X-ray diffraction showsthat the silicon thin film is single-crystal.This hybrid material will have potential applications in the future integrated optoelectronic chips.Key words :lithium niobate;thin film;ion implantation;direct bonding;chemical mechanical polishing ㊀㊀收稿日期:2021-03-09㊀㊀基金项目:国家重点研发计划(2018YFB2201700,2019YFA0705000)㊀㊀作者简介:李青云(1994 ),男,山西省人,博士研究生㊂E-mail:liqingyun@ ㊀㊀通信作者:胡㊀卉,博士,教授㊂E-mail:hhu@ 0㊀引㊀㊀言铌酸锂是一种性能优良的人工晶体,具有优秀的电光㊁声光和非线性光学等物理性能,被广泛应用于集成光学及声学器件中㊂光波导是集成光学的基础器件,铌酸锂作为光波导的传输介质已经在光电器件领域被广泛应用㊂早在20世纪70年代,Schmidt 和Kaminow 利用将三种不同的过渡金属(钛㊁钒㊁镍)离子扩散到铌酸锂晶体,制备了低损耗的光波导[1],并将光场限制在晶体表面约10μm 的范围内㊂但扩散的方法通常需要在高温下进行,因而限制了该方法的适用范围㊂质子交换是另外一种广泛应用的波导制作方法,可以获得与钛扩散波导类似的结构和性能[2-3]㊂此外,通过改变铌酸锂晶体与周围环境的折射对比,比如离子注㊀第4期李青云等:铌酸锂单晶薄膜材料717㊀入等也可以形成光波导结构[4]㊂虽然采用这些铌酸锂波导制备的光学器件已经得到了重要应用,但由于此类波导普遍具有较低的折射率对比度,导致其波导弯曲时半径较大,极大地限制了铌酸锂波导器件的小型化和在集成光电器件中的应用㊂为了减小器件尺寸和提高集成度,在低折射率的绝缘介质材料上制备高折射率对比度的铌酸锂薄膜材料是理想和可行的方法㊂目前制备铌酸锂薄膜的方法主要有脉冲激光沉积㊁溶胶凝胶法㊁射频磁控溅射和化学气相沉积法㊂采用脉冲激光沉积技术在蓝宝石衬底上沉积的铌酸锂薄膜,通过相位匹配可以实现二次谐波的产生[5];采用溶胶凝胶法,在具有50nm厚氧化镁缓冲层的硅衬底上可以生长出具有c轴取向的铌酸锂薄膜[6];在相对较低的衬底温度(490ħ)下,射频磁控溅射法在蓝宝石衬底上生长的铌酸锂薄膜不但具有单一取向也表现出了低损耗的特性(约1dB/cm)[7];而采用化学气相沉积在钽酸锂衬底上外延生长的铌酸锂薄膜,甚至可以控制材料组分中的铌锂比[8]㊂虽然上述的薄膜生长方法均可以用来制备铌酸锂薄膜,但这些方法获得的铌酸锂薄膜都呈现出了多晶结构的性质㊂而光在多晶结构的薄膜中传输时,晶粒间界对传输光的散射会导致光传输损耗的明显增高㊂不仅如此,与单晶的体材料相比多晶薄膜的物理性质和指标存在明显的差距,这些由多晶结构造成的问题无疑会对制成的器件性能产生负面的影响㊂因此,能够得到物理性能接近体材料的单晶薄膜并实现与其他衬底材料之间的灵活组合就成为新铌酸锂薄膜制备技术的要求和目标㊂1㊀铌酸锂单晶薄膜制备技术发展Smart Cut 技术最初被用于制备单晶硅薄膜[9],后被广泛应用于制备各种薄膜材料㊂与沉积或外延生长法不同,该方法通过离子注入㊁直接键合和热退火等一系列工艺,用物理手段将薄膜从体材料上剥离下来,并转移到支撑基底上㊂1998年,Levy等[10]利用这种离子注入剥离技术获得了单晶铌酸锂薄膜,并研究了其物理性能㊂2004年,Rabiei等[11]制备了厚度为680nm的铌酸锂薄膜,研究了薄膜的晶体和光学性质,与铌酸锂体材料表现几乎一致㊂2007年,Djukic等[12]成功制备了周期极化铌酸锂薄膜,与体材料相比,它具有更小的电光调谐电压㊂在此基础上,将单晶铌酸锂薄膜与其他衬底材料组成异质结构也是另一重要研究内容㊂Guarino等[13]利用苯并环丁烯(BCB)作为中间隔离层,制备基于亚微米厚度铌酸锂薄膜的光学微环谐振器,实现了电光调谐㊂虽然利用BCB作为黏合剂,放宽了对表面平整度㊁粗糙度和清洁度的要求,可以制备较大面积的铌酸锂薄膜,但制备过程对较低温度的要求使得利用退火来修复离子注入引起的晶格损伤的努力难以实现㊂而改用二氧化硅作为键合层,则可以避免这一难题㊂采用较高的退火温度来修复离子注入带来的晶格损伤,使得薄膜的非线性光学和电光性能在最大程度上得到了恢复[14-15]㊂图1㊀铌酸锂薄膜的制备过程Fig.1㊀Fabrication process of LNOI以绝缘体作为衬底的铌酸锂单晶薄膜被称为绝缘体上的铌酸锂(lithium niobate on insulator,LNOI)[16]㊂高质量的铌酸锂单晶薄膜[17]可以通过离子注入和直接键合相结合的方法制备㊂其过程如图1所示㊂步骤如下:718㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷(1)向铌酸锂晶体内注入He离子,其注入能量决定了注入深度㊂(2)用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)方法在另一块铌酸锂晶体表面沉积一层二氧化硅薄膜,其间通过控制PECVD的参数来调整二氧化硅与铌酸锂晶体之间的应力㊂然后经过化学机械抛光将薄膜减薄到目标厚度(例如2μm)㊂图2(a)为原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)测量的经抛光后的二氧化硅表面,其粗糙度小于1nm㊂(3)将两块体材料在室温下直接键合,然后对键合体进行退火㊂退火的过程中He离子聚集成氦气,在注入层中形成气泡㊂不断增多的气泡聚合并互相联系在一起,导致注入层发生剥离,在二氧化硅上留下了剥离后的铌酸锂薄膜㊂进一步退火用来修复离子注入引起的铌酸锂薄膜晶格损伤㊂(4)经过化学机械抛光去除铌酸锂薄膜表面损伤层,减小铌酸锂薄膜表面的粗糙度㊂抛光后的铌酸锂薄膜表面如图2(b)所示,粗糙度小于0.5nm㊂从制备的过程看,薄膜是从体材料上直接剥离下来的,所以晶格结构和物理性能与体材料相似[18]㊂图3(a)为LNOI退火后的高分辨透射电镜图(high resolution transmission electronic micrograph,HRTEM),显示了清晰的薄膜界面㊂图3(b)为X切铌酸锂薄膜(110)晶面的高分辨X射线衍射图像(high resolution X-ray diffraction,HRXRD),薄膜峰的半高宽非常小,只有0.0392ʎ,表明LNOI具有较好的晶格排列㊂利用离子注入与直接键合结合的方式制备出了4英寸(1英寸=2.54cm)的铌酸锂薄膜,中间隔离层为以热氧化方式制备的二氧化硅,衬底为单晶硅㊂铌酸锂单晶薄膜厚度控制精度优于20nm,薄膜厚度不均匀性小于5%㊂图2㊀AFM观察到抛光后的二氧化硅表面(a)和铌酸锂表面(b)Fig.2㊀Polished SiO2surface(a)and lithium niobate surface(b)observed by AFM图3㊀HRTEM观察的LNOI键合界面的截面图(a)和LNOI(110)晶面的HRXRD图谱(b) Fig.3㊀Cross section of LNOI observed by HRTEM(a)and HRXRD pattern of(110)plane of LNOI(b)2㊀铌酸锂单晶薄膜材料的研究进展器件的发展对铌酸锂薄膜提出了更高的要求㊂首先,随着器件结构越来越精细,对光刻精度的要求也越来越高㊂一般来说,大尺寸的光刻机具有较高的精度,这就要求铌酸锂薄膜材料也要大尺寸,例如6英寸(相对于4英寸而言)㊂并且利用大尺寸基底,可以降低器件制备的平均成本㊂因而制备大尺寸的薄膜材料㊀第4期李青云等:铌酸锂单晶薄膜材料719㊀不仅是新技术的要求也是商业化生产和应用的需要㊂图4是本课题组研制的直径6英寸的X 切铌酸锂单晶薄膜,厚度600nm 左右,二氧化硅隔离层的厚度是2μm,衬底是硅片,X 射线衍射图谱与图3(b)类似㊂然而制备铌酸锂薄膜器件不仅取决于铌酸锂材料本身的性质也对与其匹配的其他材料有特殊的要求,因为铌酸锂材料本身化学惰性较强,不易刻蚀,进行微加工比较困难,因此对其进行微纳结构制备比较困难㊂此外,铌酸锂是一种绝缘体,电学特性不突出,电泵浦光源和探测器等功能比较难以实现,这些都影响了铌酸锂在集成光学中的应用㊂图4㊀6英寸的铌酸锂单晶薄膜Fig.4㊀6inch LNOI硅是应用最为广泛的半导体材料,具有重要的电子学和微加工优势㊂硅的电导率对杂质和外界热㊁力㊁磁等作用非常敏感,通过掺杂就可形成P /N 结,广泛应用于集成电路㊁晶体管和电力电子器件等㊂基于单晶硅薄膜(silicon on insulator,SOI)材料平台的集成光学器件的工艺已非常成熟㊂其中具备波导功能的SOI 结构由于具有高折射率差,对光有强烈的限制能力,其弯曲波导曲率可以非常小(微米量级),目前在SOI 上已经成功制备了微环谐振器㊁分支器和光栅等多种集成光学器件[19-21]㊂虽然SOI 材料能够满足集成光学对加工技术成熟㊁损耗低和集成度高的要求,但硅作为中心对称的晶体,很难具有二阶非线性光学㊁电光和铁电等物理特性,并且它在可见光波段不透明,这使得SOI 在集成光学上的应用受到了限制㊂如果能将SOI 和LNOI 结合在一起,如图5所示,就有望实现一种新型的㊁多功能的集成光学平台材料,可称之为Si-LNOI㊂在这种材料中,电光和非线性光学等效应可以有选择地作用在不同的媒介中,其综合性能被高效地结合在一起,使器件最终呈现出单一材料无法实现的功能,比如光可以在铌酸锂单晶薄膜中传输并处理㊂当需要进行光路弯曲㊁反射㊁线性滤波和耦合等操作时,则将光引导在硅单晶薄膜中传输㊂这样将LNOI 和SOI 各自的特点结合在一起的组合,能实现多功能㊁高效率和光电集成的新型光电集成器件,无疑具有重要的应用前景㊂图5㊀SOI 与LNOI 结合成Si-LNOI 复合单晶薄膜材料Fig.5㊀SOI and LNOI are combined to form Si-LNOI这种复合硅和铌酸锂的思路引起了国内外研究人员的兴趣㊂例如:2011年,科研人员将1μm 厚的单晶铌酸锂薄膜键合到硅基调制器上,获得了品质因子为1.68ˑ104的微环谐振腔[22];2015年,铌酸锂薄膜被键合到硅微环谐振腔上,实现了超小型的电光调制器[23];2016年,科研人员将铌酸锂薄膜键合到SOI 光路上,实现了光在两种材料中的切换[24]㊂2017年,本课题组将非晶硅薄膜沉积到铌酸锂单晶薄膜上制备了硅加载条型光波导[25]㊂对于Si-LNOI 材料,有两个关键要求,首先要求薄膜是单晶结构,这样薄膜的损耗(光散射㊁光吸收㊁介电损耗等)比较小,有利于高性能器件的制备㊂其次,希望从材料的上表面开始,各层薄膜的折射率从大到小依次排列,这样由上到下的每层薄膜都可以单独成为波导㊂例如,将硅薄膜键合在铌酸锂薄膜上,使得硅薄膜可以形成光波导,如果把硅薄膜剥离后,露出铌酸锂薄膜依然可以是光波导,这样将非常有利于器件的设计和制备㊂本课题组利用离子注入与直接键合的方法,将硅薄膜键合在LNOI 上,制备出硅与铌酸锂的复合薄膜(Si-LNOI),材料直径是3英寸,铌酸锂单晶薄膜为X 切向,厚度800nm 左右,硅单晶薄膜为<100>切向,厚度570nm 左右,图6(a)为HRTEM 观察到的复合薄膜横截面,可以清晰地看到各层薄膜及界面㊂图6(b)是硅薄膜的HRXRD 结果,半高宽只有0.045ʎ,没有多余的衍射峰出现,表明硅薄膜是单晶结构㊂720㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷图6㊀HRTEM观察的复合薄膜的截面图(a)和硅薄膜(400)晶面的HRXRD图谱(b) Fig.6㊀Cross section of Si-LNOI observed by HRTEM(a)and HRXRD pattern of(400)plane of Si thin film(b)3㊀铌酸锂单晶薄膜材料应用的进展随着铌酸锂单晶薄膜的产业化和微加工技术的突破,使得制备一系列高性能的集成光学元件成为可能㊂波导是集成光学器件中的基础器件之一,在LNOI上制备波导的方法有多种㊂质子交换是一种传统的波导制备方法,利用苯甲酸作为质子源可以制备LNOI低损耗波导[26-27]㊂加载条型波导也是波导的一个重要类型,通常选择容易沉积和刻蚀的材料作为加载条材料,如:TiO2[28-29]㊁SiO2[30]㊁Si3N4[31-33]㊁Ta2O5[34]㊁硫属化合物玻璃[35]和Si[23-25,36]等㊂利用等离子刻蚀的方法制备的LNOI波导,传输损耗低至0.027dB/cm[37]㊂利用化学机械抛光方法制备的LNOI光波导[38],表面粗糙度仅为0.45nm㊁传播损耗可以低至0.027dB/cm㊂LNOI波导由于很强的光学限制特性,减小了器件体积并增强了非线性光学相互作用,然而与单模光纤模式不匹配导致耦合损耗较高,影响了LNOI的应用㊂因此,实现LNOI上光的高效耦合非常重要㊂光栅耦合和端面耦合是实现光纤与LNOI波导器件耦合最常用的方式㊂在LNOI上制备的具有金属反射层的啁啾光栅耦合器,TE模和TM模耦合效率分别高达72.0%和61.6%[39]㊂光栅耦合器有利于实现晶圆上的器件评测,但是对偏振比较敏感㊂利用端面耦合可以实现光纤与芯片的直接耦合,通常通过展宽波导模式尺寸并且缩小光纤中光斑模式尺寸来提高耦合效率[40]㊂铌酸锂具有优良的电光性能(λ=1550nm时,r33=28.6pm/V[41]),基于铌酸锂的电光效应,可以制备各种电光器件,其中电光调制器是应用最广泛的一种,可以实现超高速调制㊂集成电光调制器主要有波导相位调制器㊁M-Z调制器和微环/微盘调制器[42-48]㊂由于LNOI波导模式小㊁电极间距窄,使调制电压大大降低㊂光学微腔是集成光子学的另一种基本元件,它们可以实现滤波,并能增强非线性㊁电光和声光相互作用,可以应用于光学传感㊁光通信㊁非线性光学和量子光学等领域[49-51],其中,微环和微盘谐振腔最为常见㊂在LNOI上制备的微环/微盘谐振腔其品质因子可达105~107[52-54]㊂铌酸锂具有较高的二阶非线性光学系数,是实现光学非线性的理想材料[55-57]㊂利用准相位匹配理论,在LNOI上实现光学超晶格,可以大大提高非线性转换的效率㊂利用静电场可以反转LNOI中铁电畴的取向[58-59]㊂在周期极化的单晶铌酸锂微环上实现了二次谐波产生,产生效率高达250000%/W[60]㊂铌酸锂具有声光效应,声波作用于铌酸锂晶体时会导致晶体的折射率发生相应变化㊂基于LNOI制备的声光M-Z调制器[61],铌酸锂层为悬浮结构,利用铌酸锂的声光效应进行微波-光信号转换,提高了微波-光信号的转换效率,器件的半波电压仅为4.6V㊂将绝缘层衬底换为具有高声速的蓝宝石衬底,声光调制器无需悬浮结构,同时减小了声波能量的泄露,使得功能层支持具有大机电耦合系数的横向剪切模式[62]㊂基于LNOI的集成声光移频器的移频效率优于基于氮化铝薄膜的声光移频器[63]㊂4㊀结语与展望铌酸锂单晶薄膜作为一个集成光学的材料平台,可以制备许多新颖和高性能的光子器件,并推动器件的㊀第4期李青云等:铌酸锂单晶薄膜材料721㊀研发向高性能和更高集成度的方向发展㊂LNOI正在向大尺寸㊁高均匀性和复合薄膜的方向推进,其中, LNOI与硅材料复合是一个重要的研究方向,期待这些多功能的新型集成光学平台材料在将来能有更多的应用㊂参考文献[1]㊀SCHMIDT R V,KAMINOW I P.Metal-diffused optical waveguides in LiNbO3[J].Applied Physics Letters,1974,25(8):458-460.[2]㊀BORTZ M L,FEJER M M.Annealed proton-exchanged LiNbO3waveguides[J].Optics Letters,1991,16(23):1844-1846.[3]㊀JACKEL J L,RICE C E,VESELKA J J.Proton exchange for high-index waveguides in LiNbO3[J].Applied Physics Letters,1982,41(7):607-608.[4]㊀CHEN F.Photonic guiding structures in lithium niobate crystals produced by energetic ion beams[J].Journal of Applied Physics,2009,106(8):081101.[5]㊀NAKATA Y,GUNJI S,OKADA T,et al.Fabrication of LiNbO3thin films by pulsed laser deposition and investigation of nonlinear properties[J].Applied Physics A,2004,79(4/5/6):1279-1282.[6]㊀YOON J G,KIM K.Growth of highly textured LiNbO3thin film on Si with MgO buffer layer through the sol-gel process[J].Applied PhysicsLetters,1996,68(18):2523-2525.[7]㊀LANSIAUX X,DOGHECHE E,REMIENS D,et al.LiNbO3thick films grown on sapphire by using a multistep sputtering process[J].Journalof Applied Physics,2001,90(10):5274-5277.[8]㊀SAKASHITA Y,SEGAWA H.Preparation and characterization of LiNbO3thin films produced by chemical-vapor deposition[J].Journal ofApplied Physics,1995,77(11):5995-5999.[9]㊀BRUEL M.Silicon on insulator material technology[J].Electronics Letters,1995,31(14):1201.[10]㊀LEVY M,OSGOOD R M Jr,LIU R,et al.Fabrication of single-crystal lithium niobate films by crystal ion slicing[J].Applied Physics Letters,1998,73(16):2293-2295.[11]㊀RABIEI P,GUNTER P.Optical and electro-optical properties of submicrometer lithium niobate slab waveguides prepared by crystal ion slicingand wafer bonding[J].Applied Physics Letters,2004,85(20):4603-4605.[12]㊀DJUKIC D,CERDA-PONS G,ROTH R M,et al.Electro-optically tunable second-harmonic-generation gratings in ion-exfoliated thin films ofperiodically poled lithium niobate[J].Applied Physics Letters,2007,90(17):171116.[13]㊀WANG T J,CHU C H,LIN C Y.Electro-optically tunable microring resonators on lithium niobate[J].Optics Letters,2007,32(19):2777-2779.[14]㊀RAMADAN T A,LEVY M,OSGOOD R M Jr.Electro-optic modulation in crystal-ion-sliced z-cut LiNbO3thin films[J].Applied PhysicsLetters,2000,76(11):1407-1409.[15]㊀ROTH R M,DJUKIC D,LEE Y S,et positional and structural changes in LiNbO3following deep He+ion implantation for filmexfoliation[J].Applied Physics Letters,2006,89(11):112906.[16]㊀LI X J,TERABE K,HATANO H,et al.Domain patterning thin crystalline ferroelectric film with focused ion beam for nonlinear photonicintegrated circuits[J].Journal of Applied Physics,2006,100(10):106103.[17]㊀POBERAJ G,HU H,SOHLER W,et al.Lithium niobate on insulator(LNOI)for micro-photonic devices[J].Laser&Photonics Reviews,2012,6(4):488-503.[18]㊀韩黄璞.单晶铌酸锂薄膜的结构和属性研究[D].济南:山东大学,2016:34-52.HAN H P.Structure and properties of single crystal LiNbO3thin films[D].Jinan:Shandong University,2016:34-52(in Chinese). [19]㊀SUBBARAMAN H,XU X C,HOSSEINI A,et al.Recent advances in silicon-based passive and active optical interconnects[J].OpticsExpress,2015,23(3):2487-2511.[20]㊀KOMLJENOVIC T,DAVENPORT M,HULME J,et al.Heterogeneous silicon photonic integrated circuits[J].Journal of Lightwave Technology,2016,34(1):20-35.[21]㊀TROIA B,PENADES J S,QU Z B,et al.Silicon ring resonator-coupled Mach-Zehnder interferometers for the Fano resonance in the mid-IR[J].Applied Optics,2017,56(31):8769-8776.[22]㊀LEE Y S,KIM G D,KIM W J,et al.Hybrid Si-LiNbO3microring electro-optically tunable resonators for active photonic devices[J].OpticsLetters,2011,36(7):1119-1121.[23]㊀CHEN L,CHEN J H,NAGY J,et al.Highly linear ring modulator from hybrid silicon and lithium niobate[J].Optics Express,2015,23(10):13255-13264.[24]㊀WEIGEL P O,SAVANIER M,DEROSE C T,et al.Lightwave circuits in lithium niobate through hybrid waveguides with silicon photonics[J].Sci Rep,2016,6:22301.[25]㊀WANG Y W,CHEN Z H,CAI L T,et al.Amorphous silicon-lithium niobate thin film strip-loaded waveguides[J].Optical Materials Express,722㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷2017,7(11):4018-4028.[26]㊀CAI L,KONG R,WANG Y,et al.Channel waveguides and y-junctions in x-cut single-crystal lithium niobate thin film[J].Optics Express,2015,23(22):29211-29221.[27]㊀CAI L T,WANG Y W,HU H.Low-loss waveguides in a single-crystal lithium niobate thin film[J].Optics Letters,2015,40(13):3013-3016.[28]㊀LUO R,HE Y,LIANG H X,et al.Semi-nonlinear nanophotonic waveguides for highly efficient second-harmonic generation[J].Laser&Photonics Reviews,2019,13(3):1800288.[29]㊀LI S,CAI L T,WANG Y W,et al.Waveguides consisting of single-crystal lithium niobate thin film and oxidized titanium stripe[J].OpticsExpress,2015,23(19):24212-24219.[30]㊀王羿文.铌酸锂单晶薄膜上加载条型波导和集成光学器件的研究[D].济南:山东大学,2019:62-67.WANG Y W.Study on loaded strip waveguides and integrated optical devices on LiNbO3single crystal films[D].Jinan:Shandong University, 2019:62-67(in Chinese).[31]㊀JIN S L,XU L T,ZHANG H H,et al.LiNbO3thin-film modulators using silicon nitride surface ridge waveguides[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters,2016,28(7):736-739.[32]㊀RAO A,MALINOWSKI M,HONARDOOST A,et al.Second-harmonic generation in periodically-poled thin film lithium niobate wafer-bondedon silicon[J].Optics Express,2016,24(26):29941-29947.[33]㊀CHANG L,PFEIFFER M H P,VOLET N,et al.Heterogeneous integration of lithium niobate and silicon nitride waveguides for wafer-scalephotonic integrated circuits on silicon[J].Optics Letters,2017,42(4):803-806.[34]㊀RABIEI P,MA J,KHAN S,et al.Heterogeneous lithium niobate photonics on silicon substrates[J].Optics Express,2013,21(21):25573-25581.[35]㊀RAO A,PATIL A,CHILES J,et al.Heterogeneous microring and Mach-Zehnder modulators based on lithium niobate and chalcogenide glasseson silicon[J].Optics Express,2015,23(17):22746-22752.[36]㊀CHEN L,WOOD M G,REANO R M.12.5pm/V hybrid silicon and lithium niobate optical microring resonator with integrated electrodes[J].Optics Express,2013,21(22):27003-27010.[37]㊀ZHANG M,WANG C,CHENG R,et al.Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator[J].Optica,2017,4(12):1536-1537.[38]㊀WANG M,WU R B,LIN J T,et al.Chemo-mechanical Polish lithography:a pathway to low loss large-scale photonic integration on lithiumniobate on insulator[J].Quantum Engineering,2019,1(1):e9.[39]㊀KANG S T,ZHANG R,HAO Z Z,et al.High-efficiency chirped grating couplers on lithium niobate on insulator[J].Optics Letters,2020,45(24):6651-6654.[40]㊀HE L Y,HE L Y,ZHANG M,et al.Low-loss fiber-to-chip interface for lithium niobate photonic integrated circuits[J].Optics Letters,2019,44(9):2314-2317.[41]㊀YONEKURA K,JIN L H,TAKIZAWA K.Measurement of dispersion of effective electro-optic CoefficientsγE13andγE33of non-doped congruentLiNbO3Crystal[J].Japanese Journal of Applied Physics,2008,47(7):5503-5508.[42]㊀CAI L,KANG Y,HU H.Electric-optical property of the proton exchanged phase modulator in single-crystal lithium niobate thin film[J].OpticsExpress,2016,24(5):4640-4647.[43]㊀MERCANTE A J,SHI S Y,YAO P,et al.Thin film lithium niobate electro-optic modulator with terahertz operating bandwidth[J].OpticsExpress,2018,26(11):14810-14816.[44]㊀REN T H,ZHANG M,WANG C,et al.An integrated low-voltage broadband lithium niobate phase modulator[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2019,31(11):889-892.[45]㊀MERCANTE A J,YAO P,SHI S Y,et al.110GHz CMOS compatible thin film LiNbO3modulator on silicon[J].Optics Express,2016,24(14):15590-15595.[46]㊀WANG C,ZHANG M,CHEN X,et al.Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages[J].Nature,2018,562(7725):101-104.[47]㊀XU M,HE M,ZHANG H,et al.High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform[J].NatureCommunications,2020,11(1):3911.[48]㊀WANG C,ZHANG M,STERN B,et al.Nanophotonic lithium niobate electro-optic modulators[J].Optics Express,2018,26(2):1547-1555.[49]㊀LIN J T,YAO N,HAO Z Z,et al.Broadband quasi-phase-matched harmonic generation in an on-chip monocrystalline lithium niobate microdiskresonator[J].Physical Review Letters,2019,122(17):173903.[50]㊀YU M J,DESIATOV B,OKAWACHI Y,et al.Coherent two-octave-spanning supercontinuum generation in lithium-niobate waveguides[J].Optics Letters,2019,44(5):1222-1225.[51]㊀ZHANG M,WANG C,HU Y W,et al.Electronically programmable photonic molecule[J].Nature Photonics,2019,13(1):36-40.[52]㊀LIN J,XU Y,FANG Z,et al.Fabrication of high-Q lithium niobate microresonators using femtosecond laser micromachining for second harmonic㊀第4期李青云等:铌酸锂单晶薄膜材料723㊀generation[J].2015:STh3M.3.[53]㊀WANG J,BO F,WAN S,et al.High-Q lithium niobate microdisk resonators on a chip for efficient electro-optic modulation[J].Optics Express,2015,23(18):23072-23078.[54]㊀JIANG W C,LIN Q.Chip-scale cavity optomechanics in lithium niobate[J].Scientific Reports,2016,6:36920.[55]㊀YE X N,LIU S J,CHEN Y P,et al.Sum-frequency generation in lithium-niobate-on-insulator microdisk via modal phase matching[J].OpticsLetters,2020,45(2):523-526.[56]㊀SASAGAWA K,TSUCHIYA M.Highly efficient third harmonic generation in a periodically poled MgOʒLiNbO3disk resonator[J].AppliedPhysics Express,2009,2(12):122401.[57]㊀LIU S J,LIU S J,ZHENG Y L,et al.Cascading second-order nonlinear processes in a lithium niobate-on-insulator microdisk[J].2018:NpTh1C.3.[58]㊀GAINUTDINOV R V,VOLK T R,ZHANG H H.Domain formation and polarization reversal under atomic force microscopy-tip voltages in ion-sliced LiNbO3films on SiO2/LiNbO3substrates[J].Applied Physics Letters,2015,107(16):162903.[59]㊀MACKWITZ P,RÜSING M,BERTH G,et al.Periodic domain inversion in x-cut single-crystal lithium niobate thin film[J].Applied PhysicsLetters,2016,108(15):152902.[60]㊀LU J J,SURYA J B,LIU X W,et al.Periodically poled thin-film lithium niobate microring resonators with a second-harmonic generationefficiency of250,000%/W[J].Optica,2019,6(12):1455-1460.[61]㊀SHAO L B,YU M J,MAITY S,et al.Microwave-to-optical conversion using lithium niobate thin-film acoustic resonators[J].Optica,2019,6(12):1498.[62]㊀SARABALIS C J,MCKENNA T P,PATEL R N,et al.Acousto-optic modulation in lithium niobate on sapphire[J].APL Photonics,2020,5(8):086104.[63]㊀ZHU D,SHAO L B,YU M J,et al.Integrated photonics on thin-film lithium niobate[EB/OL].2102.11956[physics.optics].https://arxiv.org/abs/2102.11956.。

光学微环谐振腔的研究与应用摘要：随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。

微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。

本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。

然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。

基于绝缘体上硅波导（Silicon-On-Insulator SOI）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。

我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构，这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。

关键词: 微谐振腔, 光波导，SOI，陀螺RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORINGRESONATORSAbstractWith the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future all-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, its small size is very suitable for integration with large dimension.In this thesis, we first introduce the light of total internal reflection (TIR) theory and the basic structure of waveguide. Then we introduce the principle of mcroringresonator, analysis their transmission property. Micro-ring resonators based on silicon- on-insulator (SOI) structure are promising building-blocks for ultra-compact and highly integrated photonic circuits. The fabrication technology is mostly CMOS-compatible.We propose a configuration of integrated waveguide structure consisting of resonators coupled to an arc-shape waveguide. Such proposed configuration can be used to realize highly compact optical gyroscope for rotation sensing.Key words: microresonators ,waveguide ,SOI ,Gyroscope1. 引言光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号，在通信不发达的古代，人们就已经懂得利用光来传递信息。