CC BY
10ВКВ0-2023 СТЕНДОВЫЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ВЫСШИХ МОД В МОДУЛЯТОРАХ
НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО НИОБАТА ЛИТИЯ
*
Парфенов М.В. , Тронев А.В., Агрузов П.М., Ильичев И.В., Шамрай А.В.
ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург *E-mail: mvparfenov@mail.ioffe.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-490-491
Материальная платформа ниобата лития (LiNbO3) широко используется для изготовления интегрально-оптических устройств волоконно-оптических систем связи, высокоточных оптических датчиков и систем радиофотоники. Во многом успех ниобата лития как материала подложки для интегрально-оптических устройств, в первую очередь высокочастотных модуляторов, связан с наличием ряда эффектов для управления оптическим излучением и отработанностью технологий изготовления волноводов [1, 2]. В настоящее время интегральная оптика на основе ниобата лития активно развивается в направлении волноводных устройств, выполненных на тонких кристаллических пленках ниобата лития (TFLN - thin-film lithium niobate), сформированных на гибридных подложках с буферным слоем из диоксида кремния [2]. За счет малой толщины тонкого слоя ниобата лития и большого контраста показателя преломления по отношению к диоксиду кремния, волноводы на основе TFLN могут иметь существенно меньшие поперечные размеры, чем у стандартных волноводов на основе объемного ниобата лития (1-2 мкм против 10 мкм), сопоставимые с волноводами, изготавливаемыми на полупроводниках типа А3В5 и кремнии [3, 4]. Высокая локализация света и управляющих полей повышает эффективность интегрально оптических устройств. С использованием TFLN были продемонстрированы модуляторы с полосой частот свыше 100 ГГц [5], а также квантовые детекторы с эффективностью ~ 50 % [6], сопоставимой с другими конкурирующими материальными платформами.
Однако малые размеры тонкопленочных волноводов требуют литографическое оборудование с высоким разрешением, в частности электронную литографию, что является ограничивающим фактором при изготовлении таких устройств, в особенности если рассматривать массовое производство. В данной работе был предложен подход, позволяющий использовать для изготовления высокоэффективных электрооптических модуляторов на основе TFLN стандартную контактную фотолитографию.
Характерный минимальный поперечный размер волновода, изготавливаемого с использованием контактной фотолитографии, составляет ~ 1 мкм. С учетом сильного контраста показателей преломления, изготавливаемые на TFLN волноводы должны быть многомодовы-ми. На примере фазового модулятора была продемонстрирована возможность использовать электроды в качестве модового фильтра для
получения сильного дифференциального затухания высших мод и достижения квазиодномодового режима распространения.
Для канальных оптических волноводов в виде гребней, формированных по стандартной технологии травления тонкой пленки ниобата лития, были проведены теоретические исследования
Рис. 1. (а) Конфигурация TFLN-модулятора, (б) нормированные распределения
электрического поля ТЕ мод в волноводе с шириной гребня № = 3 мкм, (в) фотография экспериментально изготовленного образца с шириной гребня № = 1,5 мкм и межэлектродным зазором G = 5 мкм
ВКВ0-2023- СТЕНДОВЫЕ
влияния электродов на комплексные постоянные распространения волноводных мод. Рассматриваемая конфигурация фазового модулятора показана на рис. 1, а. На подложке TFLN в кристаллографической ориентации х-среза с толщиной пленки ниобата лития 700 нм травлением на глубину 300 нм сформирован волноводный канал с характерным наклоном стенок а ~ [5]. Рассматривались три ширины волноводного канала W = 1,5, 2 и 3 мкм. Вдоль волноводного канала расположены планарные золотые электроды толщиной hel = 200 нм. В рамках проведенного численного моделирования методом конечных элементов для горизонтальной (ТЕ) поляризации на длине волны 1550 нм было показано, что распределение поля высших мод в таких волноводах существенно менее локализовано в пределах травленого гребня, чем у фундаментальной (см. рис. 1, б). При сближении электродов (уменьшении межэлектродного зазора) и их приближении к краям волновода будут расти погонные потери мод, вызванные поглощением света на электродах. При этом, с учетом различной степени локализации оптического излучения мод, вносимые погонные потери будут возрастать с увеличением порядка моды (см. рис. 2, a). Степень подавления высших мод было предложено характеризовать отношением значения погонных потерь первой высшей моды к значению погонных потерь фундаментальной моды (см. рис. 2, б). Из приведенных зависимостей следует, что при межэлектродном зазоре менее 5 мкм можно обеспечить существенное подавление высших мод (> 90 дБ/см).
Возможность подавления высших мод была продемонстрирована экспериментально. Параметры волновода (глубина травления и ширины гребней) были выбраны те же, что в проведенных расчетах. С учетом точности фотолитографии для межэлектродного зазора было принято значение G = 5 мкм. Длина изготовленных образцов модуляторов составила 20 мм при длине электродов 12 мм. Наблюдение изменения картины пространственного распределения интенсивности света на выходных торцах волноводов при изменении условий ввода оптического излучения показало присутствие высших мод в отсутствие электродов. В образцах с электродами высшие моды эффективно подавляются, и изменений пространственного распределения интенсивности при изменении условий
ввода оптического излучения не наблюдалось.
Работоспособность изготовленных образцов фазового модулятора была продемонстрирована в волоконно-оптическом интерферометре, при работе на ТЕ-поляризации, обладающей максимальным электрооптическим коэффициентом в выбранной ориентации пленки ниобата лития, полуволновое напряжение образцов составило порядка 4 В-см, что сопоставимо с данными, известными из литературы [5] и в четыре раза превосходит эффективность электрооптической модуляции в коммерчески доступных высокочастотных модуляторах на основе объемного ниобата лития.
Таким образом, была представлена возможность подавлять высшие моды в волноводе на основе травленой пленки ниобата лития за счет близко расположенных электродов. Результаты теоретического анализа были подтверждены экспериментально. На изготовленных с использованием контактной фотолитографии экспериментальных образцах фазового модулятора продемонстрировано подавление высших мод и высокая эффективность фазовой модуляции. Разработанное топологическое решение может использоваться для изготовления волноводов на основе тонкопленочного ниобата лития с помощью стандартной контактной фотолитографии с ограниченным разрешением, что расширяет доступность волноводных устройств данного типа. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда, проект № 19-19-00511
Литература
1. M. Bazzan, C. Sada, Appl. Phys. Rev. 2 (4), 040603 (2015)
2. G.Chen, N.Li, J.D.Ng et. al., Advanced Photonics 4 (3), 034003 (2022)
3. S.Y.Siew, B.Li, F.Gao et al., Journal of Lightwave Technology 39 (13), 4374-4389 (2021)
4. D.J.Blumenthal, R.Heidemann, D.Geuzebroek et al., Proceedings of the IEEE 106 (12), 2209-2231 (2018)
5. A.J.Mercante, S.Shi, P.Yao et al., Opt. Express 26 (11), 14810 (2018)
6. AAl Sayem, R.Cheng, S. Wang et al., Appl. Phys. Lett. 116, 151102 (2020)
