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基础物理实验研究性报告晶体的电光效应院系仪器科学与光电工程学院作者张海霞 10171124胡笛 10171147目录摘要 .................................................................... - 3 - 关键字 .................................................................. - 3 - 实验要求................................................................. - 4 - 实验原理................................................................. - 4 -1.电光晶体和泡克尔斯效应............................................. - 4 -2 电光调制原理....................................................... - 5 -(1) 横向调制实验................................................. - 6 -(2) 直流偏压对输出特性的影响.................................... - 8 - 实验仪器................................................................ - 10 - 实验步骤................................................................ - 10 -1 调节光路.......................................................... - 10 -2 电光调制器T—V工作曲线的测量..................................... - 11 -3 动态法观察调制器性能.............................................. - 11 - 数据记录与处理.......................................................... - 12 - 原始数据表格........................................................ - 12 - T—V工作曲线数据表............................................. - 12 - T—V工作曲线................................................... - 13 - 数据处理................................................................ - 14 - 误差分析及改进方法...................................................... - 14 - 实验思考题.............................................................. - 15 - 实验总结................................................................ - 16 -摘要激光是一种光频电磁波.具有良好的相干性.与无线电波相似.可用来作为传递信息的载波。
第52卷第4期2023年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.4April,2023BaTiO 3薄膜的制备及其在电光调制器的应用任怡静,马新国,张㊀锋,陆晶晶,张㊀力,王㊀晗(湖北工业大学芯片产业学院,武汉㊀430068)摘要:BaTiO 3凭借其较高的电光系数㊁优良的压电性质和非线性光学性质,成为制备高性能电光调制器的关键材料㊂其制备方法㊁实验条件和衬底的选择等决定了薄膜的质量㊁生长取向和电光系数等,进而影响电光调制器的传播损耗㊁半波电压㊁消光比等性能㊂本文从电光调制器的工作原理出发,围绕BaTiO 3薄膜的制备方法㊁实验条件和薄膜衬底等,探讨了成膜的取向和质量的影响因素,分析了各个BaTiO 3薄膜制备方法的优缺点,论述了波导的结构及参数,并展望了未来优化BaTiO 3薄膜制备和波导制作工艺的方向㊂关键词:BaTiO 3薄膜;电光调制器;波导;电光系数;化学气相沉积法;分子束外延法中图分类号:O484;O439㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)04-0688-13Preparation of BaTiO 3Thin Film and Its Application in Electro-Optic ModulatorREN Yijing ,MA Xinguo ,ZHANG Feng ,LU Jingjing ,ZHANG Li ,WANG Han (School of Chip Industry,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)Abstract :BaTiO 3has become the key materials for the preparation of high-performance electro-optical modulators due to its high electro-optical coefficient,excellent piezoelectric properties and nonlinear optical properties.The quality,growth orientation and electro-optic coefficient of the film are determined by the preparation method,experimental condition and the selection of substrate,and further affecting the propagation loss,half-wave voltage and extinction ratio of the electro-optical modulator.Based on the working principle of electro-optical modulator,the factors affecting the orientation and quality of film forming were discussed by focusing on the preparation methods,experimental conditions and film substrates of BaTiO 3thin film in this paper.The advantages and disadvantages of each process of BaTiO 3thin film preparation were analyzed,the structure and performance of waveguide were discussed.Finally,the direction of optimizing BaTiO 3thin film fabrication and waveguide fabrication process in the future were summarized in this paper.Key words :BaTiO 3thin film;electro-optic modulator;waveguide;electro-optic coefficient;chemical vapor deposition method;molecular beam epitaxy method ㊀㊀收稿日期:2022-12-07㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(51472081);结构化学国家重点实验室科学基金(20210028);湖北工业大学绿色工业引领计划杰出青年基金(JCRC2021003)㊀㊀作者简介:任怡静(1998 ),女,山东省人,博士研究生㊂E-mail:renyij1@ ㊀㊀通信作者:马新国,博士,教授㊂E-mail:maxg@0㊀引㊀㊀言光互联具有功耗小㊁成本低㊁集成度高,以及通信容量大等优势,在信息传输领域承担重要角色[1-2]㊂电光调制器作为光互联的关键组成部分,成为近年来光通信领域的研究热点㊂电光调制器性能的好坏与波导层材料的本征性质㊁微结构㊁包层间折射率和波导结构有密切关系,因此选择合适的波导层和包层材料,以及优化其制备工艺,成为降低半波电压和提高电光带宽等参数的主要手段㊂电光调制器波导材料较为常用的是铌酸锂(LiNbO 3,LNO)㊁砷化镓(GaAs)和钽酸锂(LiTaO 3)㊂其中LNO 材料电光系数达到30.8pm /V [3],其电光调制器需要的驱动电压仍然较高㊂相比之下,钛酸钡(BaTiO 3,BTO)的电光系数理论值可达到㊀第4期任怡静等:BaTiO 3薄膜的制备及其在电光调制器的应用689㊀1640pm /V,实验上获取的BTO 材料的最佳电光系数为923pm /V [4]㊂因此,由BTO 材料制作的电光调制器将具有更高的数据传输速率和更低的操作电压[5],使其有潜力应用于 超高速低电压 电光调制器[6-7]㊂国内之前关于BTO 的研究主要集中在薄膜的电学性能方面,探究了介电和铁电性能与衬底结构㊁晶体微观结构㊁温度变化和掺杂的密切关系,可以应用在铁电随机存取存储器等器件上[8]㊂之后研究热点为BTO 铁电薄膜畴壁表面电势分布的温度特性以及畴壁运动的基本机理[9-11],在外电场的作用下,晶畴所带的动能转化为势能后形成的内部电场直接影响电光效应,这对电光调制器的应用有着实际意义㊂最近,科研人员发现BTO 薄膜厚度和衬底也影响着薄膜的光学性能和薄膜质量[12-14],并论证了BTO 晶体薄膜电光调制器的100GHz 单通道调制带宽的可行性[15-19]㊂国内大部分研究停留在薄膜制备的层面,对BTO 电光调制器的系统性探索还比较少㊂总体而言,从基于BTO 晶体薄膜制作的电光调制器研究进展来看,我国与欧美等技术强国的工作基础还有一定的差距㊂本文从电光调制器工作原理出发,综述了BTO 薄膜的制备方法㊁工艺条件和薄膜衬底等对成膜的质量㊁生长取向和电光系数的影响,以及波导的结构对电光调制器性能的影响㊂1㊀电光调制器的工作原理电光调制器是利用某些电光晶体的电光效应制成的调制器㊂因为晶体折射率的各向异性与组成晶体的原子或分子的排列方式㊁相互作用有关,电压形成的电场影响到晶体中原子㊁分子的排列和它们之间的相互作用㊂这种内部变化,使晶体在宏观上表现出晶体折射率的改变,产生双折射效应㊂根据功能不同,可分为相位调制和强度调制㊂相位调制不改变光的偏振态,强度调制是通过改变晶体的折射率来改变光偏振态㊂根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播方向的不同,电光调制可分为纵向调制和横向调制㊂电场方向与光的传播方向平行,称为纵向电光调制;电场方向与光的传播方向垂直,称为横向电光调制[20]㊂同时拥有横向和强度调制特征的电光调制称为横向强度电光调制㊂图1为横向强度电光调制的过程,线偏振光垂直入射穿过电光晶体时,利用驱动电路向晶体提供一个电压信号,在外加电场的作用下晶体折射率发生变化,导致光波偏振状态发生变化,使得输入的线偏振光经过晶体后以椭圆偏振光输出㊂通过晶体后的出射光经过1/4波片,可以使电光调制器工作在线性区域㊂椭圆偏振光经过检偏器,恢复到线偏振光,完成光的强度调制㊂图1㊀横向电光强度调制原理图Fig.1㊀Schematic diagram of transverse electro-optic intensity modulation 2㊀薄膜制备工艺制备高质量的BTO 薄膜是获得高性能电光调制器的基础㊂BTO 单晶薄膜的制备方法和工艺条件直接影响着其生长取向㊁薄膜应力㊁表面粗糙度㊁晶粒尺寸㊁厚度均匀性和缺陷浓度,进而影响BTO 薄膜电光系数[21]㊂表1中总结了不同方法制备的BTO 薄膜质量参数和电光系数㊂BTO 薄膜的制备方法包括化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法㊁脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,PLD)法㊁射频磁控溅射(radio frequency magnetron sputtering,RFMS)法㊁溶胶-凝胶(sol-gel)法和分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE )法等㊂相对来说,实验室研究多采用CVD 法㊁PLD 法和MBE 法,而产业上多采用RFMS 法㊂690㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷表1㊀不同方法制备的BTO薄膜质量参数和电光系数Table1㊀Quality and electro-optical coefficient of BTO films prepared by different methodsMethod Substrate a/c RefractiveindexBTOthickness/nm Roughness/nm OrientationElectro-opticcoefficient∗/(pm㊃V-1)ReferenceMOCVD MgO0.99 2.35700.23aγeff=150[22] MOCVD MgO 2.3/2.31620a/cγeff=360~420[23] PLD SOI+STO 1.01 2.2197 cγeff=37[21] MBE SOI+STO 17010 γeff=380[24] MBE SOI+STO 130<0.5aγeff=148[25] MBE SOI+STO 1.01 2.6800.4 γeff=213ʃ49[26] MBE SOI+STO 1.01 2.27780.5cγeff=140[21] MBE SOI+STO 50 aγeff=624[27]MBE SOI+STO 2250.4γ42=923ʃ215γ33=342ʃ93[4] RF-MS SOI+STO 7500.863cγeff=110[5] RF-MS SOI+STO 1.01 500 aγeff=131ʃ36[28] RF-MS SOI+STO 1.02 2.2196 cγeff=41[21]㊀㊀Note:SOI is silicon on insulator;STO is SrTiO3;∗γeff is effective electro-optic coefficient;γ42andγ33are components of the electro-optic tensor.2.1㊀化学气相沉积法该方法分为有机化学气相沉积法㊁金属化学气相沉积法和高真空化学气相沉积法等㊂在薄膜生长过程中,生长方式对成膜质量和速度有重要影响[29]㊂两步外延生长法分为低温成核和高温生长两个阶段,是当前化学气相沉积法的主流㊂美国西北大学Towner等[30]采用金属有机化学气相沉积法,通过低温生长和高温成核两步外延生长阶段,在MgO衬底上制备了厚度为100nm结晶度高㊁粗糙度低的BTO薄膜,优于他们以前文章报道的单阶段生长薄膜[31]㊂该方法通过第一步低温生长形成的氧化物缓冲层,能够使晶格更好地弛豫,有效降低界面处的热应力,从而改善了MgO与BTO之间5%晶格失配的问题㊂为了进一步改善晶格失配的问题,应当选择合适的衬底,如SiO2㊁Si㊁SrTiO3(STO)和绝缘衬底上硅(silicon on insulator,SOI)等㊂其中以STO为衬底的薄膜制备成为当前研究重点,有理论计算发现相对于MgO衬底,在STO衬底上制备的BTO薄膜能得到更高的电光系数[32]㊂此外,前驱体材料对制备高质量BTO薄膜起到关键性作用㊂Shuster等[33]采用金属化学气相沉积法, M(dfhd)2作为Ba和Sr的前驱体,在STO衬底上制备了1μm厚的高结晶度BTO-STO超晶格薄膜㊂相对于M(hfa)2[23],M(dfhd)2有更低的熔点㊁更好的热稳定性和存放稳定性,将其用作前驱体,可以获得结晶性更好的BTO薄膜㊂Reinke等[34]选用水㊁氧和臭氧为氧化剂,以异丙基环戊二烯基(Ba(iPr3Cp)2)㊁异丙氧化钛(TTIP)为前驱体,采用高真空化学气相沉积法在厚度为100nm Si衬底上制备了BTO薄膜㊂发现在370ħ低温下,使用H2O㊁O2作为氧化剂,可以得到Ba/Ti化学计量比为1ʒ1的BTO薄膜,其表面颗粒较大,相对光滑㊂然而,使用臭氧作氧化剂时,在BTO薄膜中看到BaCO3(002)XRD衍射峰㊂这可能是因为臭氧的氧化性强,使前驱体Ba(iPr3Cp)2被氧化进入BTO薄膜中,形成晶体BaCO3㊂所以,前驱体材料和配比等都会对薄膜的成分和结晶质量产生很大的影响㊂另一方面,高真空化学气相沉积不需要过高的生长温度㊂有研究表明,使用普通的化学气相沉积法时,薄膜在740ħ下生长结晶性能最好[32]㊂但是,高真空化学气相沉积法可以在370ħ生长温度下外延BTO薄膜,且不需要额外的退火步骤,显著降低了在互补金属氧化物半导体(complementory metal oxide semiconductor, CMOS)电路上获得功能BTO薄膜的总热预算㊂Reinke等[35]使用高真空化学气相沉积法探讨了前驱体撞击速率对BTO薄膜形貌和生长取向的影响㊂前驱体在高撞击速率下制备的BTO薄膜形貌呈现多晶性质和小角度晶界,这种形貌的形成可能是STO层为缓解不同结构之间的晶格应变,形成了缺陷㊂另外,BTO薄膜在高生长速率沉积时是a取向的,而低生长速率沉积时既有a取向又有c取向㊂可见,虽然前驱体撞击速率较高时会使BTO薄膜呈现高占比a轴取向,但形貌出现缺陷㊂该研究进一步探讨了实验条件对BTO薄膜生长的影响,为后续的研究提供了支撑㊂㊀第4期任怡静等:BaTiO3薄膜的制备及其在电光调制器的应用691㊀化学气相沉积法成膜装置简单㊁制备过程灵活性较大,但沉积薄膜的速率不高,低于溅射镀膜,因此应用上受到一定限制㊂可见,采用化学气相沉积法制备薄膜的工艺不适用于产业化㊂2.2㊀脉冲激光沉积法在该方法中,激光脉冲和衬底温度同时影响了薄膜的生长取向㊂Petraru等[36-37]采用脉冲激光沉积法,在MgO衬底上沉积了多晶BTO薄膜,探究了激光功率和衬底温度对薄膜生长取向和电光系数的影响㊂当激光功率为1100mJ/脉冲,衬底温度为800ħ时,制备出c轴取向的薄膜,在波长为632nm处,有效电光系数为86pm/V;当激光功率为300mJ/脉冲,衬底温度为850ħ时,制备出a轴取向的薄膜,在波长为632nm 处,得到较大的有效电光系数734pm/V㊂该研究发现了使用脉冲激光沉积法时适合BTO薄膜生长的激光功率和衬底温度,并且得到了较为理想的电光系数,但是没有深入研究脉冲激光沉积法的各项参数如何单独影响薄膜质量和性能㊂提高衬底温度有利于晶粒均匀生长,改善结晶度,进而影响BTO的晶格参数[38]㊂2018年,Lyu等[39]在LaNiO3㊁CeO2㊁YSZ缓冲层和Si衬底上,制备了厚度为110nm的BTO薄膜㊂薄膜在所有衬底温度(T s)下都呈现横向岛状生长结构,如图2(a)~(c)所示㊂衬底温度为375ħ时,表面形态较均匀㊂衬底温度达到400ħ时,薄膜的表面不平整,粗糙度上升㊂700ħ的衬底温度下,岛屿较高,结构密集㊂这是因为在375ħ衬底温度下,薄膜刚开始沉积,处于非结晶状态㊂达到400ħ时,薄膜处于结晶良好与非结晶态区域共存的形态,导致岛屿高度差异很大㊂700ħ时,形成结晶良好的薄膜㊂不同温度下结晶度对比如图2(d)所示㊂在深入研究了衬底温度对BTO薄膜生长的影响后,发现最佳的衬底温度为700ħ,并得到较为平整的薄膜㊂图2㊀不同衬底温度对BTO薄膜生长的影响㊂(a)~(c)BTO薄膜在不同衬底温度下生长的形貌图;(d)BTO薄膜在不同衬底温度下生长的XRD图谱Fig.2㊀Effect of different substrate temperatures on BTO films growth.(a)~(c)Morphology of BTO film growing at different substrate temperatures;(d)XRD patterns of BTO film growing at different substrate temperatures2022年,Behera等[40]在Si和SiO2衬底上制备了400nm厚的BTO薄膜,发现了与Lyu等[39]相似的薄膜形貌和结晶规律㊂并进一步发现在700ħ衬底温度下,薄膜的化学计量比最接近理想值,薄膜缺陷最小㊂另外,衬底温度变化时,a轴晶格参数变化的幅度很小,而c轴晶格参数变化的幅度很大,说明衬底温度对c轴晶格参数的影响更大㊂所以可以利用衬底温度来操纵a㊁c轴晶格参数和铁电极化,从而得到高电光系数的BTO薄膜㊂在较低的衬底温度下,原子的迁移率较低,致使衬底表面扩散能力太低而不能成核,这样得到的薄膜表面比较粗糙㊂而衬底温度过高时,表面粒子迁移率过高,衬底表面原子结合能力下降,从而引入大量缺陷㊂合适的衬底温度下,衬底表面粒子有足够的能量迁移到易于成核的位置,易凝聚成核,因此薄膜的取向一致,结晶度高㊂在脉冲激光沉积法中,衬底温度是一个重要的实验参数㊂除衬底温度外,氧分压也是决定薄膜的粗糙度㊁晶粒尺寸和生长取向的关键因素㊂a轴取向薄膜的光轴垂直于外加电场,电光效应依赖于电光张量中较大的垂直γ51分量,所以a轴取向占比越高,薄膜的电光效应越强[41]㊂在低氧分压环境下易得到c轴取向的薄膜,并拥有高度双折射效应;在高氧分压环境下易得到a 轴取向的薄膜,但粗糙度较高[42]㊂Estrada等[43]采用脉冲激光沉积法,在STO衬底上制备了BTO薄膜㊂发现氧分压过小,薄膜粗糙度很大,随着氧分压的增加,晶粒尺寸增大,样品的粗糙度也减小㊂但氧分压增加到692㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷0.1mbar(1mbar=0.1kPa)之后,粗糙度随着氧分压继续增加而增加㊂Lyu等[44]采用脉冲激光沉积法,在Si 和钙钛矿衬底上制备了厚度为94~112nm的BTO薄膜㊂氧分压过高时,薄膜粗糙度变高,并且生长取向由c轴向a轴转变㊂Wang等[45]在Si衬底上制备了BTO薄膜,探讨了氧分压对BTO极化方向和晶格常数大小的影响,得到了与Lyu等[44]相同结论㊂该研究阐明了BTO生长方向随氧分压变化的机理,实现了氧分压作为调节旋钮控制BTO薄膜的极化方向的目的㊂所以,过低或者过高的氧分压都会对薄膜的生长产生不利的影响㊂这是因为氧分压的增大会使沉积速率减小,原子从而有足够的时间在衬底表面迁移,有利于核的形成和晶粒尺寸的生长,有效减少缺陷㊂但若氧分压过大,会迅速减慢粒子向衬底过渡,不利于薄膜的制备㊂在脉冲激光沉积法中,合适的氧分压才能得到质量高且a轴取向的膜㊂BTO本身是各向异性晶体,存在双折射效应,在BTO薄膜波导的电光调制理论中,对晶体薄膜的电光特性产生很大影响㊂罗梦希[46]在MgO衬底上制备了a轴和c轴生长方向的BTO薄膜,建立了γ51和双折射率b eo的同步测试与分析模型,探究了电光系数γ51和双折射b eo与调制电场间的有效关系,得到的测量误差在ʃ5%以内㊂以往的很多研究忽略了双折射的影响,导致其实验结果不准确,而将BTO本身双折射效应的影响考虑进去会使γ51的测量更加精确㊂脉冲激光沉积法优点是沉积速率高㊁可以原位引入多种气体,以及提高薄膜的质量等㊂并且该方法对腔体内的大气环境要求低,可以制备出许多与靶材成分接近的薄膜[47]㊂但是此方法制备的薄膜厚度不均匀,且易形成缺陷,即薄膜存在表面颗粒问题,大面积地均匀沉淀比较困难㊂2.3㊀磁控溅射法磁控溅射法分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法,对于绝缘靶材或导电性差的非金属靶材,需使用射频磁控溅射法[48]㊂为了制备高质量薄膜,应当根据材料性质和技术指标来探究最合适的溅射参数,其中包括射频功率㊂射频功率过低,将会导致BTO在基底表面的入射能量不够,使BTO薄膜结晶困难㊂BTO XRD 衍射峰的强度会随着射频功率增加而增加,在射频功率到达一定高度时获得最大强度,但是若射频功率继续增加,会形成富含Ti的第二相BaTi2O5,降低结晶度[49]㊂工作气压影响着薄膜的结晶性能㊂BTO XRD衍射峰的强度会随着工作气压的增加而增加,在一定工作气压处达到最大后,又随着工作气压的进一步增加而减小㊂这是因为在合适的工作气压下,高能量粒子垂直轰击靶材,溅射粒子到达衬底时不会造成显著的能量损失,形成高结晶薄膜㊂而在较高的工作气压下,粒子散射引起低能粒子以斜角轰击,BTO薄膜不再是定向生长,而是随机生长[48]㊂溅射气体的组成也是关键溅射参数之一㊂相对于纯氩气的环境,在20%(体积分数,下同)氧气和80%氩气的混合气体中沉积时,BTO薄膜具有更大的残余极化和胁迫电压㊂因为纯氩气中沉积的BTO薄膜存在缺氧问题,导致泄漏电流增加,铁电性能下降㊂在混合气体环境沉积薄膜的过程中,氧气减少氧空位数量,从而提高BTO薄膜的性能㊂在10%氧分压条件下沉积的BTO薄膜具有a轴和c轴混合取向;20%氧分压下沉积的薄膜呈现高度c轴取向㊂在氧分压达到30%时,BTO相变为BaTi2O5[49]㊂虽然BaTi2O5的形成会降低薄膜结晶度,改变介电常数,但是氧会填充柱状BTO晶体间的孔隙,因此BaTi2O5的形成有利于降低薄膜孔隙率,改善薄膜的电学性能[50]㊂薄膜厚度与BTO薄膜的粗糙度有关㊂但Kim等[5]发现薄膜厚度在达到1μm时,粗糙度变高,结晶度降低㊂750nm厚和1μm厚的BTO薄膜表面粗糙度的均方根分别为0.863nm和5.16nm㊂2021年,德克萨斯大学奥斯汀分校Posadas等[28]以MgO为衬底,采用离轴射频磁控溅射法制备了500nm与1μm厚的BTO 薄膜,同样得到1μm厚的薄膜质量较差的结果㊂但是在700ħ高温结晶后,1μm厚的BTO薄膜的粗糙度得到了极大的改善㊂衬底对薄膜的生长取向㊁结晶度影响较大㊂近年来硅衬底电光调制器拥有的各种优良性能,使其成为开发光电集成芯片最有吸引力的研究方向之一㊂在SOI衬底上制备BTO薄膜成为研究热点,BTO在没有界面反应的情况下,不能直接在SOI上成核,所以一般在BTO与SOI之间使用缓冲层,STO作为缓冲层沉积的BTO 薄膜结晶度最好[50]㊂另外,衬底与薄膜的自由载流子浓度㊁内置电压和泄漏电流都有密切的联系[18-19]㊂缓冲层的厚度也与BTO薄膜的生长取向有着密切关系㊂Posadas等[28]采用射频溅射法,在SOI衬底上制备了厚度2㊁4和6nm的STO缓冲层以及300nm厚的薄膜㊂结果表明,厚度6nm STO上的BTO薄膜外延㊀第4期任怡静等:BaTiO 3薄膜的制备及其在电光调制器的应用693㊀表面平坦,如图3(a)所示㊂厚度4nm STO 上的BTO 薄膜生长稳定,但是出现了岛状生长的情况,如图3(b)所示㊂厚度2nm 的STO 层被溅射生长过程中相对恶劣的高温和高氧分压破坏,使其上面生长的BTO 薄膜有大量多晶组分,如图3(c)所示㊂缓冲层越厚BTO 薄膜质量越高,然而由图3(d)~(f)可以看出,缓冲层越薄,越有利于a 轴取向的BTO 薄膜生长㊂所以,为了得到较平坦且高a 轴取向的BTO 薄膜,4nm 的STO 缓冲层是最好的选择㊂若使用射频溅射法,通过非晶生长和再结晶两步结晶,可得到100%沿a 轴生长的薄膜,但其有大量空隙㊂而直接高温溅射可以产生无孔薄膜,提高薄膜的结晶度,从而较少泄漏电流,该方法解决了在较低薄膜厚度的情况下,100%沿a 轴生长薄膜的问题,并探究出了最适合BTO 生长的缓冲层厚度㊂图3㊀STO 模板层厚度对在700ħ下生长的厚度为300nm BTO 质量的影响[28]㊂(a)~(c)BTO 薄膜在6㊁4和2nm 厚STO 层上生长的RHEED 图;(d)~(f)BTO 薄膜在6㊁4和2nm 厚STO 层上生长的XRD 图谱Fig.3㊀Effect of STO template layer thickness on quality of 300nm BTO grown at 700ħ[28].(a)~(c)RHEED images after growth of BTO films on 6,4and 2nm STO layers;(d)~(f)XRD patterns of BTO films grown on 6,4and 2nm STO layers 溅射法的优势在于薄膜沉积时工艺稳定㊁易重复,以及在中低温就可以生长出结晶性良好的薄膜,在晶体质量上可与分子束外延生长的薄膜相媲美,且生长速度可快10倍,更加适合产业化㊂但是此方法有设备维修和靶材成本高㊁等离子体不稳定等缺点㊂2.4㊀溶胶凝胶法水热法可以在低温条件下结晶,并且结晶性良好,结合水热法和溶胶凝胶法可得到一种被称为溶胶凝胶水热法(sol-gel hydrothermal,SGHM)的新方法㊂相对于普通的溶胶凝胶法[51],SGHM 明显地降低了结晶温度,提高了BTO 的结晶度和纯度[52]㊂退火工艺与薄膜的结晶度和质量有密切的联系㊂Chinchamalatpure 等[53]研究发现,在600ħ的退火温度下,BTO 膜呈现四方相,薄膜的结晶度增强㊂室温C -V 特性表明,积累区有较大的频率色散,并且理想因子接近统一㊂2020年,Edmondson 等[54]在SOI 衬底STO 缓冲层上制备了85nm 厚的BTO 薄膜㊂在600ħ的温度下退火1h 后,同样得到呈四方相且结晶度较好的BTO 薄膜㊂对退火前后BTO 薄膜的电光系数进行对比,结果表明晶粒尺寸的大小和薄膜缺陷密度的高低㊁有效电光系数的大小有密切联系㊂之后,该研究组采用另一种BTO /Si 的退火程序,即在750ħ温度和流动氧气的环境中退火10h,可以使退火后BTO 薄膜的电光系数增加3到4倍[55]㊂这是因为高温退火可以使晶体结构重组,改变晶粒表面松弛的状态,使薄膜的结晶度更高㊂溶胶凝胶法有设备易于操作㊁实验成本低㊁成膜效率高,以及可大面积成膜等优势,已经在薄膜制备方面被广泛应用㊂但通过溶胶凝胶法制备的薄膜均匀性比较差,控制溶胶的表面张力可以解决这一问题㊂2.5㊀分子束外延法除了提高晶体薄膜的结晶性能㊁降低粗糙度和选取特定生长取向外,抑制薄膜缺陷也可以提高薄膜的电694㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷光性能㊂Abel [56]在STO 缓冲层和SOI 衬底上沉积了50nm 的BTO 薄膜,为了使Ba 和Ti 之间的化学计量比达到1ʒ1以抑制BTO 薄膜中的缺陷,开发了封闭共沉积生长技术㊂该技术的要点在于通过调节通入Ba 和Ti 的时间间隔Δt 来控制Ba 和Ti 的比例,并建立反馈机制进行补偿㊂该研究通过逐层封闭共沉积生长方法,突破了在实验中无法精确控制化学计量的局限性㊂使用分子束外延法可以制备出高质量的超晶格结构㊂最早,日本科学家Tsurumi 等[57]首先研制了BTO-STO 超晶格薄膜,并在不同的周期和原胞层数下,研究了超晶格的结构和介电性能㊂在超晶格周期叠加过程中,电光效应随着叠加周期的降低而增加,达到最大值后,再次降低叠加周期就会导致有效电光系数降低㊂2019年,Merckling 等[58]在STO 缓冲层和Si 衬底上,制备了5个周期高质量㊁无位错的BTO-STO 超晶格㊂通过纳米电子衍射分析实验,得到STO /Si 衬底上弛豫的临界厚度为5nm,这是因为使用由堆叠[BTO /STO]双分子层膜组成的应变介导超晶格可防止错配位错的形成㊂超晶格结构能够提高薄膜的电光性能,增大折射率,以及增强非线性光学效应,还可以通过改变其周期来改变材料的性质㊂在使用分子束外延法制备薄膜时,后处理工艺极大地影响了其电光性能㊂Hsu 等[41]发现在分子束外延法生长BTO 薄膜的过程中,BTO 层被引入了许多氧空位,导致了较大的泄漏电流㊂在600ħ的氧环境下进行30min 的后退火,可有效抑制泄漏电流,以确保器件运行过程中在BTO 层中建立足够的电场㊂Abel 等[4]采用STO 为缓冲层,在Si 衬底上制备了225nm 厚的BTO 薄膜㊂用Al 2O 3作为结合界面,将BTO 层转移到SOI 上,两种晶片的表面粗糙度均低于0.4nm㊂在低损耗的热处理后,通过蚀刻移除施主晶圆,得到BTO 薄膜的电光系数为923pm /V,是较为理想的值㊂该研究通过在BTO 薄膜与衬底之间添加氧化层避免光泄漏,极大地改善了薄膜的电光性能,得到了BTO 在实验上最大的电光系数㊂综上所述,分子束外延法相比于其他方法能够得到较高的电光系数,是因为采用MBE 法得到的薄膜有较低的孔隙率,更容易制备出四方的㊁致密的和结晶度高的薄膜㊂并且通过这种方法可以准确地控制薄膜的微量成分㊁厚度,以及掺杂量,还可以原位观测外延薄膜的具体情况,但是用此方法制备薄膜时生长速度较慢,对衬底要求高,不适用于产业化生产㊂2.6㊀Smart Cut 技术智能剥离技术可以制备均匀㊁较薄的SOI 衬底㊂它解决了硅片键合和反面腐蚀技术中减薄困难问题的同时,兼顾了注氧隔离技术和键合技术的优点,但该技术制备出的薄膜较厚㊁粗糙度较大㊂针对具有更大惰性和易损性的金属氧化物,研究人员结合传统Smart Cut 开发出一种获得金属氧化物单晶薄膜的技术,即离子注入剥离(crystal ion slicing,CIS),可降低薄膜的粗糙度,主要步骤如图4所示㊂Izuhara 等[59]使用CIS 制备出厚度8μm 的薄膜,首先,将He 2+注入BTO 材料中㊂该步骤能够在材料下方引入缺陷层,将薄膜与供体晶片分离,膜厚取决于注入能量,0.26㊁1.2和2MeV 的植入能量分别可制备出厚度0.5㊁4.7和8μm 的薄膜㊂注入时,环境温度保持在低温50ħ,避免缺陷层的动态退火㊂在第二步中,将植入的BTO 晶圆粘合在覆盖粘合层的衬底之上㊂接下来,样品逐渐加热至220ħ㊂热致应力使牺牲层能够从供体晶圆上剥离薄膜,之后在300ħ的温度下退火数小时㊂最后,通过Ar +离子蚀刻使薄膜的表面光滑㊂应用机械抛光可将其表面粗糙度降低到1nm 以下,制备X -CUT 和Z -CUT 的薄膜,应用于不同的电光器件㊂图4㊀CIS 制备薄膜的步骤[60]Fig.4㊀The steps of preparing thin film by CIS [60]。
北京康冠世纪光电科技有限公司铌酸锂电光相位调制器采用先进的质子工艺交换，具有低插入损耗，高调制带宽，低半波电压等特点。
相位调制器的调制基础：
射频信号由正弦波形式的振荡载波组成，是信号的基础。
瞬时振幅跟随此曲线向正向移动然后向负向移动，在一个完整周期后返回到起始点 - 它遵循正弦波的曲线。
正弦波也可以通过围绕圆的点的移动来表示，任何给定点处的相位是起始点和波形上的点之间的角度，如图所示。
随着时间的推移，相位也会提前，因此可以说波形上的点在它们之间具有相位差。
相位调制通过调制信号的相位来工作，即改变点围绕圆移动的速率。
如果不应用调制，这会改变信号的相位。
换句话说，围绕圆的旋转速度被调制为关于平均值。
为此，有必要在短时间内改变信号的频率。
换句话说，当相位调制应用于信号时，存在频率变化，反之亦然。
相位和频率是密不可分的，因为相位是频率的积分。
铌酸锂薄膜调制器的研究进展刘海锋 郭宏杰 谭满清 李智勇Research Progress of Lithium Niobate Thin-Film ModulatorsLIU Hai-feng, GUO Hong-jie, TAN Man-qing, LI Zhi-yong引用本文:刘海锋,郭宏杰,谭满清,李智勇. 铌酸锂薄膜调制器的研究进展[J]. 中国光学, 2022, 15(1): 1-13. doi: 10.37188/CO.2021-0115 LIU Hai-feng, GUO Hong-jie, TAN Man-qing, LI Zhi-yong. Research Progress of Lithium Niobate Thin-Film Modulators[J]. Chinese Optics, 2022, 15(1): 1-13. doi: 10.37188/CO.2021-0115在线阅读 View online: https:///10.37188/CO.2021-0115您可能感兴趣的其他文章Articles you may be interested in蓝区无机薄膜电致发光材料研究进展Research progress of the blue area of inorganic thin film electroluminescent material中国光学. 2017, 10(1): 13 https:///10.3788/CO.20171001.0013基于空间光调制器的层析成像技术Tomography technology based on spatial light modulator中国光学. 2019, 12(6): 1338 https:///10.3788/CO.20191206.1338高反射光学薄膜激光损伤研究进展Research progress in laser damage of high reflective optical thin films中国光学. 2018, 11(6): 931 https:///10.3788/CO.20181106.0931石墨烯太赫兹波动态调制的研究进展Recent progress in terahertz dynamic modulation based on graphene中国光学. 2017, 10(1): 86 https:///10.3788/CO.20171001.0086声光偏转快调谐脉冲CO2激光器实验研究Experimental research on acousto-optic deflection rapid tuning pulsed CO2 lasers中国光学. 2019, 12(2): 355 https:///10.3788/CO.20191202.0355温度变化对金属Ag膜反射镜偏振特性的影响研究Influence of temperature variation on polarization characteristics of silver thin film mirror中国光学. 2018, 11(4): 604 https:///10.3788/CO.20181104.0604文章编号 2095-1531（2022）01-0001-13铌酸锂薄膜调制器的研究进展刘海锋1，郭宏杰1,2，谭满清1,2 *，李智勇1（1. 中科院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室，北京 100083；2. 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049）摘要：铌酸锂薄膜调制器具有体积小、带宽高、半波电压低的优点，在光纤通讯和光纤传感领域具有重要应用价值，是近年来的研究热点。
第三章电光调制器内容•电光调制的基本原理•铌酸锂（LiNbO3）电光调制器•半导体电吸收调制器（EAM）电光调制电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参量的改变而改变。
光波作为信息的载波。
强度调制的方式作为信息载体的光载波是一种电磁场：()()0cos E t eA t ωφ=+r r 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。
在模拟信号的调制中称为AM 、FM 和PM ；在数字信号的调制中称为ASK 、FSK 和PSK 。
调制器：将连续的光波转换为光信号，使光信号随电信号的变化而变化。
性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置电压。
电光调制的主要方式直接调制：电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使输出激光强度随电信号而改变。
优点：采用单一器件成本低廉附件损耗小缺点：调制频率受限，与激光器弛豫振荡有关产生强的频率啁啾，限制传输距离光波长随驱动电流而改变光脉冲前沿、后沿产生大的波长漂移适用于短距离、低速率的传输系统电光调制的主要方式外调制：调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、热光或声光等物理效应，从而使通过调制器的激光束的光参量随信号而改变。
优点：不干扰激光器工作，波长稳定可对信号实现多种编码格式高速率、大的消光比低啁啾、低的调制信号劣化缺点：额外增加了光学器件、成本增加增加了光纤线路的损耗目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器调制器调制器连续光源光传输NRZ 调制格式其他调制格式: •相位调制•偏振调制•相位与强度调制想结合光传输RZ 调制格式脉冲光源电光调制折射率的改变通过电介质晶体Pockels 效应和半导体材料中的电光效应光吸收的改变通过半导体材料中的Franz-Keldysh效应量子阱半导体材料中的量子限制的Stark 效应光与物质相互作用相位调制偏振调制(双折射材料)强度调制强度调制通过-干涉仪结构-定向耦合光在晶体中的传播－电光效应在光与物质相互作用中，电场强度（E）与电极化矢量（P）的关系。
图1. 晶体折射率椭球实验十二 晶体电光效应与电光调制实验一、实验目的1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法；2. 测量晶体的半波电压以及电光系数；3. 利用电光调制实现模拟光通讯。
二、实验原理1. 晶体的电光效应某些介质的折射率在外加电场E 的作用下发生改变，这种现象称为电光效应。
实验表明电场引起的折射率 n 的变化用下式表示:++=∆22bE aE )n1((1) 式中a 和 b 为常数。
由一次项 aE 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或称泡克尔斯效应（Pokells Effect ）；由二次项bE 2引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称非线性电光效应或称克尔效应（Kerr Effect ）。
线性电光效应只存在于各向异性晶体中。
光在各向异性晶体中传播时，在晶体的一个给定方向上，一般存在着两个可能的线偏振模式，每个模式具有唯一的偏振方向和相应的折射率，而描述这两个相互正交的偏振光在晶体中传播的行为通常用折射率椭球的方法，即1n z n y n x 2z22y 22x 2=++ （2） 式中，x ，y ，z 为晶体的介电主轴方向，即晶体在这些方向上的电位移矢量D 与电场矢量E 是平行的，其对应的折射率为n x ，n y 和n z 。
当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为1xy n 2xz n 2yz n 2n z n y n x 2xy2xz 2yz 2z 22y 22x 2=+++++ （3） 式中交叉项由电场引起，表示变形后形成的新椭球主轴（感应主轴）和原先的主轴不重合。
另一方面，对线性电光效应，考虑到电场分量方向后，式（1）表示为，∑=γ=∆zxk k ijk ij 2E )n 1( （ 3.1） 其中E k 为外电场分量，系数γijk为三阶张量，称为晶体的电光张量系数，有27个元素。
三个角标i ，j ，k 分别取 x ，y ，z ，而习惯上更为普遍地用1，2，3表示。
第笠卷第１期 龇年２月 中山大学学报论丛
ＳＵＮ ＹＡＴＳＥＮ ＵＮｎ ＲＳⅡｒＹ ＦｍＵＭ ＶｏＩ．２２ Ｎｏ ｌ
Ｆｅｂ．２００２
电光调制及其应用 倪新蕾 （华南理工大学应用物理系，广东广州５１０６４１）
摘 要：介绍了电光调制以及在光通信、激光调Ｑ等方面的应用。 关键词：电光调制；光通信；物理实验 中图分类号：０４３１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００７．１７９２（２ｏ０２）０１。００３４－０３
晶体电光调制是华南理工大学为本科生开设的物理实验，目的是使学生了解晶体电光 调制的原理和实验方法，学会用简单的实验装置测量晶体的半波电压、电光系数和消光比 等参量。为了激发学生的学习兴趣，我们在实验预习的过程中，向学生介绍电光调制在光 通信、激光调Ｑ、激光测距等方面的应用，演示激光通信，收到较好的学习效果。
１ 电光调制的物理基础 电光调制的物理基础是电光效应。所谓电光效应是指某些介质的折射率在外加电场的 作用下而发生变化的一种现象。一般可表示为： ｎ＝ｎｏ＋ⅡＥ＋ｂＥ （Ｉ） 式中，ｎ，ｂ为电光系数，ｎ。为未加电场时的折射率，ａＥ为线性电光效应（普克耳斯效应）， 为二次电光效应（克尔效应）。对大多数晶体，线性效应比二次效应显著，可略去二次 效应。 利用电光效应对光束进行调制的过程称为电光调制，根据加在晶体上电场的方向与光 束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向平行与光的传播方 向，称纵向电光调制，电场方向垂直与光的传播方向，称横向电光调制。横向电光调制的 优点是半波电压低，驱动功率小，应用较为广泛。我们以铌酸锂晶体的横向调制为例。 铌酸锂晶体置于两个正交的偏振 器之间，起偏器Ｐ】的偏振方向平行于 ＿＾ ＼ 电光晶体的 轴，检偏器 的偏振方— ＼Ｉ／ 向平行于电光晶体的ｌ，轴，当沿晶体入射光Ｐｌ 的 轴方向加上电场后，它们将旋转 ４５０变成感应轴 ， ，可推导得出 感应轴方向的折射率表达式为” ： 图１横向电光调制示意图
第33卷第5期2020年10月Vol.33No.5Oct.2020大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE文章编号：1007-2934(2020)05-0067-04铌酸锂晶体电光系数的研究与测量吴奕璇，官紫妍,徐飞腾，吕梦悦，曾育锋(华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006)摘要：应用折射率椭球理论分析了线性电光效应，结合横向电光调制的相位延迟,得出铌酸锂晶体相关电光系数的测量方法，并采用直接测量半波电压法中的极值法和调制法分别测得铌酸锂晶体的相关电光系数，进行了测量结果对比分析。
关键词：铌酸锂晶体;电光系数;电光效应;半波电压中图分类号：O4-34文献标志码：A D0l：10.14139/22-1228.2020.05.015电光调制器是高速光通信中信号调制系统的关键器件之一⑴，而光电材料铌酸锂晶体以独特的优势在电光调制器的应用中发挥着重要作用,其电光器件的设计及应用与电光系数密切相关,因此对铌酸锂晶体相关电光系数的研究非常重要。
大学物理实验中的晶体电光调制实验是基于铌酸锂晶体电光效应的综合性实验［2］,通过该实验可以帮助学生巩固偏振光干涉、晶体电光效应等知识。
目前实验对晶体电光系数的理论解释较为简单，学生往往不易理解透彻。
本文对铌酸锂晶体的电光系数进行了深入理论研究与分析，并且采用直接测量半波电压法求得相关电光系数。
不仅帮助学生掌握相关理论知识,且实验操作简单,测量结果对比明显，学生可以更好地体会到不同测量方法的优缺点。
1理论分析铌酸锂晶体电光系数大，不易潮解，具有较低的吸收系数和插入损耗［3］。
最大的特点就是其折射率随外加电场的变化而变化［4］,即电光效应。
1.1线性电光效应电光系数习惯上定义为：n(e)-n y(0)三=Yjk/+s测/d(1)由于二次效应与线性效应相比小，因此常可以忽略⑸。
其中E k为外加电场分量，人k是线性电光系数,S测是二次电光系数。
Use of LiNb03 modulators at low frequencies LiNb03 modulators are widely used for their high bandwidth performances that make them favored devices for high data rate optical communications (up to 40 Gb/s) and high frequency (20 GHz) analog transmission. They are less often used at low frequencies under 1 GHz. However LiNb03 phase modulators have also strong benefits at low frequencies (compactness, ease of use, low drive voltage) compared to devices based on alternative technologies and are thus components to be considered even for kHz to MHz frequency range applications.
Users searching to implement LiNb03 phase modulators with modulation signals showing low and high frequency components, and the typical case is the one of a pulse signal with sharp rising and fall edges and low repetition rate or long pulse duration, must be very cautious. A “high bandwidth” phase modulator, and here “high bandwidth” means > 1 GHz typically, is not performing extremely well with such a modulation signal.
The reason is that in order to get good high bandwidth performance, the impedance of the microwave line of the modulator is matched near to 50 ohms and a load resistance termination is connected at the end of the RF line to reduce or avoid electrical RF reflection. Thus, a significant level of current is traveling in the RF electrodes, leading to local temperature increases by Joule effect. Heating and thermal dissipation becomes a problem when the repetition period or the pulse duration becomes longer than the time constant of the thermal effects (in the range of 1kHz or below). Then the physical properties of the electrodes and waveguide are changing during the heat-on and cool-down periods, leading to unwanted phase drifts. Standard 5, 10 or 20 GHz phase modulators are not suitable for such applications involving very low repletion rate.
To suppress that phenomenon, a solution is to use a modulator with a high input impedance load (typ 10 kΩ) or directly an opened electrode line (MΩ). The useful E-O bandwidth is then reduced to several hundred MHz which is sufficient for a large range of applications in particular for sensing applications, but the thermal effects are significantly reduced since the Joule effect becomes negligible. Photline has developed a family of phase modulators whose performances are optimized for low repetition rate modulation signals (MPX-LN-0.1 series are available at 800 nm, 1000 nm, 1300 nm, 1550 nm).
MPX-LN-0.1 modulators has been tested in temperature and it has been demonstrated that they keep their performance in operating conditions covering a large temperature range (-40°C +85°C) and during temperature variations. Example : Birefringent phase modulator. A titanium in-diffused phase modulator can support both TE and TM states of polarization. By orienting the input polarization at 45° from the main axes of the waveguide, it is hence possible to illuminates simultaneously the TE and TM modes of the phase modulator. Phase modulation occurs differentially for the two modes. An output analyzer parallel or perpendicular to the input polarizer converts the relative phase variations into intensity variations that are detected with a photodiode. Fig.1 and Fig.2 below show the modulation obtained when a rectangular modulation signal is applied to the high frequency phase modulator (MPZ-LN-20 type) at 50 Hz and at 50 kHz. The effect of thermal effect is clearly visible in fig.1 at very low frequency. At 50 kHz the thermal effect totally vanishes.
Fig1: up : modulation signal; down : resulting intensity signal. Response at 50 Hz : thermal effect in the impedance matched line translates in phase transients after the sharp edges Fig. 2: up : modulation signal; down : resulting intensity signal. Response at 50 kHz : phase transients have disappeared
For operation at lower frequencies (<1 GHz) with electrical signals involving very low frequency components, a lumped electrode modulator (MPX-LN-0.1 type) can be efficiently used. In such modulators, no load resistor terminates the electrodes. Fig. 3 and Fig.4 below show the same modulation signal applied to a MX-LN-0.1 phase modulator The modulation is obtained with purely capacitive electrodes involving no thermal effect.
