薄膜铌酸锂微结构电光相互作用研究及其电场传感应用

Employing slow light effect in dielectric micro structured photonic crystals (PhC) to develop highly sensitive sensor is one of the hot topics in the domain of micro opto-electronic devices. Traditional electric field (E-field) sensors are based on silicon with Mach-Zehnder interferometric configurations which make it difficult to have both high sensitivity in uV/m scale and micro-size probe in micrometer scale. This project studies on the electro-optic (EO) interaction mechanism in 700 nm thick thin film lithium niobate with a hybrid structure of PhC Fano resonances with nano antennas. We then assemble the hybrid structure onto the end face of an optical fiber in order to study its applications in developing uV/m scale highly sensitive and miniaturized E-field probe. The major research contents include: how does the optical fiber mode couples with photonic crystal slow light mode in order to generate Fano resonance, and illustrate the difference in coupling efficiency of different structrure, to make it clear the condition where the highest coupling efficiency occurs and its effect to the sensitivity of electric filed probe ; study the EO interaction enhancement mechanism with the structure of nano antennas and PhC micro-structures. The significant enhancement in optical field and E-field by PhC Fano resonance and nano antenna structrure make it possible to realize highly sensitive E-field sensing.

采用介质微结构光子晶体慢光效应来开发高灵敏传感是光电子器件研究领域的热点之一。传统采用硅基材料与马赫-曾德结构的电场传感器很难达到同时具有uV/m级高灵敏检测与um尺寸的微小器件。本项目研究700纳米厚的薄膜铌酸锂材料上光子晶体Fano共振与纳米天线混合结构电光相互作用机制，并将该结构封装在光纤末梢以研究其在uV/m级弱电场传感及传感探针的小型化应用。主要研究内容包括：光纤波导模如何与光子晶体慢光模式耦合产生Fano共振，阐述不同结构的耦合效率区别，明晰最大耦合效率获得条件及其对电场传感灵敏度的影响；研究纳米天线与光子晶体微结构实现增强电光相互作用的原理和方法。光场与电场在光子晶体与纳米天线微结构中电光相互作用极大增强，从而实现高灵敏电场传感。

采用无金属元素的光学电场传感器在高保真测量电场如芯片失效定位、与核磁共振检测相兼容的脑电信号检测方面应用有极大的需求。本课题研究计划要点有三点：(1) 光子晶体、纳米天线以及光纤耦合光子晶体的结构设计；(2) 光子晶体、纳米天线和光纤末梢结构的制作；(3) 电场传感器的测量。在这三年的资助期间，这三点研究计划均取得一定成果并发表了相关的科研论文。对于第(2)以及(3)点的研究计划，虽然由于加工制备实验条件和测试设备情况往往都比较复杂，达到制备过程的完全优化以及测量设备性能的全面表征很困难，但是我们已经解决许多重要的机理性问题如电光相互作用，电场传感器的设计，电场探头的封装，晶体以及其他光偏振调控原件的对准，电场传感器检测系统灵敏度的提高（采用锁相放大器，射频放大器，低噪声高跨阻抗放大的光电探测器。.在理论计算方面，采用了飞秒脉冲激光作为泵浦光，研究了LN微结构在非线性尤其是二次谐波方面的响应。s以光纤电场传感器为模型，开发了一种制备简单的全介质光纤电场探头，此电场探测方案已经在自由光路通过偏振解调模块测量了该电场传感的近乎平坦频率响应。有一个特别的增强效应，源自于亚毫米厚度的LN晶片的压电效应，通常在100kHz到1.5MHz之间有不同模式的压电共振，传感灵敏度得到极大的提高（最小可检测电场低至亚mV/m）。在电场的封装上，采用光纤V槽加上高NA的光纤，进行微结构电场探头的封装也进行了尝试。为表征传感器的线性范围如1dB压缩点，三阶交调点。另外，采用飞秒脉冲激光作为探测光，结合EOS（电光采样）的原理，可以将电场传感的频率范围扩宽到THz太赫兹。