铌酸锂单晶薄膜光子线器件的制备与特性研究

Based on single-crystal thin film, the novel lithium niobate integrated photo-electronic devices with new concept, high-integration, high efficiency, and low-driving power can be developed, which become a rising hot research field. A lot of research directions are investigated. The photonic wire is one of the most important devices. There are few studies on the LN photonic wires. This project focuses on this key direction, and explores the LN photonic wires. This project will design, fabricate LN photonic wire devices, decrease the transmission loss, study the physical properties, and investigate the non-linear optical behavior in the photonic wire, realizing the high-efficiency second harmonic generation process. This project not only produces high-quality photonic wires, but also forms the basis of new generation of ultra-small LN integrated optics, which will have important applications in integrated optics, optical communication, and optical signal processing.

基于单晶薄膜，制备新型、高集成度、高效率、低功耗的铌酸锂集成光电子学器件，是近年国际新兴的热点研究领域，大量的科研方向正在开拓，其中最基本的重要器件是光子线，对于铌酸锂单晶薄膜上的光子线，目前国际上缺乏深入研究。本项目集中在这个关键研究方向，探索单晶薄膜上的光子线器件。设计、制备基于铌酸锂单晶薄膜的光子线器件，降低光子线损耗，研究光子线的物理性质，探索超小型（横截面亚微米尺寸）的光子线器件中的非线性光学行为，实现光子线中高效率的倍频过程。本项目不但可以获得高质量的光子线器件，更对未来实现超小型新一代的铌酸锂集成光路打下基础，在集成光学、光纤通讯、光信号处理中有重要应用前景。

铌酸锂晶体具有优良的电光、声光和非线性光学特性。近年来，铌酸锂单晶薄膜（lithium niobate on insulator, LNOI）引起了人们的极大兴趣。由于铌酸锂和二氧化硅之间的高折射率差，利用LNOI材料可以提升光子器件集成度和性能。本项目研究了基于LNOI的光子线器件。硅是微电子学中最重要的基础材料。将硅和铌酸锂单晶薄膜进行异质集成，能把硅优秀的电学特性和铌酸锂优秀的光学特性结合起来。项目系统研究了非晶硅加载条型光波导，测得准TE和准TM模式下的传输损耗分别为6dB/cm和5.5dB/cm，提出并实现了在LNOI上集成硅薄膜光电探测器的新路径。研究了二氧化硅加载条型波导，测得其准TE和准TM模式的传输损耗分别为0.2dB/cm和0.8dB/cm。搭建了脉冲电压极化装置，利用外电场对x切铌酸锂薄膜进行了极化，研究了LNOI的畴反转行为，研究了反转畴的温度稳定性和深度分布。实现了周期为4um的畴反转结构，相干长度8mm。倍频效应是铌酸锂非线性光学特性的一个重要应用，模式相位匹配通过调节波导尺寸使基频光和倍频光的模式具有相同的相速度，从而实现二次谐波产生，我们提出了利用波导的色散关系，找到了相位匹配条件，并利用质子交换调节χ(2)的分布，从而实现更大的模式重叠积分，获得更高转换效率的新方法，实验得到的归一化转换效率为48%W−1 cm−2。本项目研究了低损耗的光子线，实现了周期畴反转，探索了LNOI上的非线性光学器件，为实现超小型新一代的铌酸锂集成光路打下基础，在集成光学、光纤通讯、光信号处理中有重要应用前景。