CC BY
33ВКВО-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
НИОБАТ ЛИТИЯ КАК ПЛАТФОРМА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ РАДИОФОТОНИКИ
Агрузов П.М., Ильичев И.В., Усикова А.А., Тронев А.В., Варламов А.В., Парфенов М.В.,
Шамрай А.В.*
ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург * E-mail: achamrai@mail.ioffe.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-124-125
Ниобат лития (LiNbO3) является одним из базовых материалов для изготовления интегральных электрооптических модуляторов [1]. Несмотря на то, что с момента появления первых интегрально-оптических модуляторов на ниобате лития прошло уже более 50 лет, данные устройства все еще находят свою нишу для практических применений. Это, прежде всего аналоговые применения в системах радиофотоники и обработки сигналов волоконно-оптических датчиков, где высокая линейность, низкий уровень вносимых шумов и возможность работы с уровнем оптической мощности в несколько сот милливатт определяет их лидерство по сравнению с полупроводниковыми модуляторами на основе материальных платформ А3В5 и кремния. Помимо электрооптического эффекта ниобат лития обладает целым набором других эффектов: пьезоэлектрическим и акустооптическим, пироэлектрическим, нелинейнооптическим эффектом второго порядка, фоторефрактивным эффектом, позволяющих создавать на подложках ниобата лития сложные интегрально-оптические устройства с широким набором функций.
В докладе представлен обзор результатов, полученных в лаборатории квантовой электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе в области интегральной оптики на подложках ниобата лития. Освоение технологии интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития началось в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 2000 году. За прошедшее время был получен целый ряд оригинальных научных результатов практически реализованных в виде целой линейки интегрально оптических модуляторов для систем телекоммуникаций, высокоточных волоконно-оптических датчиков и радиофотоники.
В лаборатории первыми в России начали разработки в области интегрально-оптических СВЧ модуляторов. Была разработана оригинальная конфигурация СВЧ электродов и волноводного интерферометра Маха-Цендера, учитывающая технологические возможности ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Было предложено использовать гальванический рост серебра [2] вместо традиционного золота, сделав процесс утолщения электродов более стабильным и менее восприимчивым к внешним условиям. Кроме того, были усовершенствованы технологические этапы формирования фотолитографических масок. Все это сделало возможным изготовление СВЧ модуляторов с использованием относительно простого оборудования ФТИ им. А.Ф. Иоффе, без значительных капиталовложений. Достигнутая полоса частот модуляции до 40 ГГц соответствует требованиям современных систем телекоммуникаций и радиофотоники (Рис. 1).
2 0 -2
ш -л и 4
сч R Ю -6
MCIX4-5
-10 -12
15 20 25 Частота, ГГц
30
35
40
0
5
10
Рис. 1. Интегрально-оптический модулятор Маха-Цендера на подложке объемного ниобата лития
Повышение требований к техническим характеристикам интегрально-оптических схем со стороны современных применений накладывает высокие требования к точности изготовления, причем решение данной проблемы путем улучшения технологического оборудования не всегда бывает экономически целесообразным и дает гарантированный результат. В ФТИ им. А.Ф. Иоффе была разработана оригинальная зондовая технология локальной подстройки характеристик интегрально-
ВКВО-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
оптических схем на подложках ниобата лития [3, 4], позволяющая улучшать характеристики уже изготовленных интегрально-оптических чипов. Два механизма воздействия на оптический волновод было предложено использовать для изменения его характеристик. Первый механизм - это локальное изменение показателя преломления за счет присущего ниобату лития фоторефрактивного эффекта. Второй механизм использует локальное лазерное окисление металлического слоя (5 - 10 нм) нанометровой толщины на поверхности волновода. Эффективность разработанной аддитивной технологии улучшения характеристик интегрально-оптических чипов была продемонстрирована на примере повышения контраста модуляции модулятора Маха-Цендера до уровня 57 дБ. Возможность точной балансировки также важна в системах радиофотоники, где сбалансированный модулятор с двойным выходом позволяет эффективно подавлять шумы интенсивности лазерных источников и вплотную приблизиться к фундаментальному пределу дробового шума. С использование такого модулятора был продемонстрирован квантовый источник энтропии [5] - аналоговая часть генератора истинных случайных чисел.
Примером эффективного использования модуляторов на основе ниобата лития в системах радиофотоники является перестраиваемый оптоэлектронный генератор на основе фазового модулятора разработки ФТИ им. А.Ф. Иоффе с демодулятором в виде ацетиленовой газовой ячейки
Направление дальнейшего развития интегральной оптики на ниобате лития связано с недавно появившейся технологией тонкопленочного ниобата лития, которая помимо значительного улучшения ключевых характеристик (расширения частотной полосы свыше 100 ГГц и снижения управляющего напряжения ниже 1.5 В), открывает возможности гибридной интеграции с полупроводниковой оптоэлектроникой [7]. Результаты по данному направлению были также получены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Использование данной технологии позволило повысить эффективность электрооптической модуляции по сравнению со стандартными коммерчески доступными устройствами более чем в 5 раз. Причем для изготовления устройств с малой плотностью интеграции, возможно использовать стандартную контактную фотолитографию. Основной проблемой данного направления, в настоящее, время являются относительно высокие оптические потери, по сравнению с коммерчески доступными интегрально-оптическими устройствами на подложках объемного ниобата лития.
В заключение можно сказать, что интегральная оптика на ниобате лития все еще сохраняет высокий потенциал и привлекательность в целом ряде новых практических применений, и радиофотоника наряду с квантовой фотоникой является ярким примером таких направлений.
Результаты в области интегрально-оптических модуляторов на тонкопленочном ниобате лития были получены при поддержке Российского научного фонда, проект № 19-19-00511.
Литература
1. Петров ВМ. и др., УФН191, 760-780 (2021)
2. Лебедев В.В., и др., ПисьмаЖТФ 40, 39-46 (2014)
3. Parfenov M. К, et al, Appl. Phys. B-Lasers Opt. 126, ArtNo: #93 (2020)
4. Tronev A.V., et al, Opt. Mater. Express 12, 4072 - 4087 (2022)
5. E.A. Vashukevich, et al, Phys. Rev. Appl. 17, ArtNo: #064039 (2022)
6. V. Lebedev, et al, Photonics 10, 196 (2023)
7. Y. Jia, L., et al, Appl. Phys. Rev. 8, 011307 (2021)
[6].
Рис. 2. Фазовый модулятор на основе тонкопленочного ниобата лития
