专业高效
微纳加工公司

作者：

丁文君 1，张玉婷 1，仇晶 1，唐永志 1，张景 2，丁婷婷 3，黎浩 1，刘时杰 1，郑远林 1，4*，陈险峰 1，2，5**

单位：

1区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验，上海交通大学物理与天文学院，上海 200240；

2中国科学院半导体研究所，北京 100083；

3上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620；

4上海量子科学研究中心，上海 201315；

5山东师范大学光场调控及应用中心，山东 济南 250358

*厚膜LNOI(8寸)/LTOI(6寸)/SLNOI (6寸)/SLTOI(6寸)X切Z切

*顶层LN/LT厚度自定义，

300nm-600nm（SMARTCUT 平均膜厚精度+-20nm）

600nm-500um（Grinding+CMP+特殊工艺，平均膜厚精度+-100nm）

*热氧层厚度自定义，

50nm-20um

*近化学计量比 Z切 X切 Stoichiometric_LNOI/LTOI 薄膜铌酸锂 和钽酸锂晶圆 -----量子应用

#高电光系数和非线性光学系数 #更少的短波吸收 #更小的矫顽场

SLT和SLN与其对应的同成分相比电光系数和非线性系数都有比较大的提高，有利于电光器件的制作。对于制作周期极化结构，其畴结构的变化和矫顽场的降低，制作的周期结构更加容易和质量更好。由于SLT折射率差值变得更小，Ppslt更容易在量子光学上得到应用。

*PPSLN/PPSLT

划重点--销售晶圆和加工

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，

SICOI晶圆；新型量子光学平台

6寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆

划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书

1 引言

在众多光学材料中，铌酸锂(LN)晶体显得格外耀眼，它具有透明窗口宽(0.35~5um)、吸收损耗小、折射率较高(~2.1@1550 nm)、电光和二阶非线性系数大(d33=-31.5 pm/V@1550 nm)等诸多优点!]。铌酸锂在微纳光学和非线性光学领域表现出了极大的应用价值，素有光电子时代“光学硅”的称号。过去几十年，人们对体铌酸锂的二阶非线性光学效应已经进行了广泛研究，如倍频产生(SHG)[2-6]、和频产生(SFG)!7、差频产生(DFG)[8]、光参量振荡/放大(OPO/OPA)19-10]、级联非线性[11-12等。近年来发展起来的薄膜铌酸锂(LNOI或TFLN)为集成二阶非线性研究提供了一个新平台[13-15]，薄膜铌酸锂与缓冲二氧化硅层之间的大折射率对比度(~0.7)极大地增强了波导的光局域能力，再辅以各种相位匹配机制可用于实现多种高效的非线性频率转换过程。在过去的几年，已经在薄膜铌酸锂平台上实现了多种相位匹配方案，包括双折射相位匹配(BPM)[16]、模式相位匹配(MPM)[171、准相位匹配(QPM)[18]和超表面辅助准相位匹配[19)等等，其中周期极化畴反转技术适用于不同晶体取向和波长，通过灵活设计极化周期可实现各个波段的QPM过程，故基于周期极化铌酸锂的微纳光学器件在非线性光学、量子光学等领域得到了广泛应用[20-22]，对比传统铌酸锂钛扩散或质子交换波导，薄膜铌酸锂基集成器件已表现出优异性能，周期极化微纳米量级铌酸锂眷型波导的归一化非线性转换效率已提升了1~2个数量级[23-26]

在保证器件高性能的同时，可规模化制备和光纤兼容性对实际应用也尤为重要，周期极化薄膜铌酸锂(PPLNOI) 纳米波导虽然展现出超高的归一化频率转换效率，但较大的模式失配导致光纤-波导耦合损耗大，器件整体性能反而受限。虽然可以利用光栅耦合器”7、模斑转换器[28]、光纤锥[29]、光纤透镜[30]、高折射率光纤[31]等组件进行改善，但同时对制备也提出了更高的要求。基于划片法制备的铌酸锂微米波导虽然也具有较好的集成性[32]，但这种方法只能制备直波导。且薄膜厚度通常需大于5um，其波导的模式面积较大，归一化转换效率相比于体铌酸锂波导器件来说没有较为显著的提高，且机械切割引入的应力易造成薄膜破裂[33]。相比之下，基于3um厚薄膜铌酸锂的微米波导呈现出更好的综合性能和应用潜力。透镜光纤或高数值孔径光纤可直接与微米波导进行高效耦合，器件整体具有较小的插损。同时，微米波导的模式面积比传统微米波导小数倍，归一化非线性效率也可以得到显著提高，从而可以得到综合性能更优异的实用化器件!34，在铌酸锂微纳结构制备工艺上，紫外光刻和等离子体于法刻蚀方法也兼顾了制备成本和技术难度[34-36]

本文主要介绍在3um厚的薄膜铌酸锂上，通过室温电极化、紫外光刻和干法刻蚀技术制备PPLNOI微米波导，设计并制备了紧凑型光纤直接耦合的PPLNOI微米波导非线性器件，并在光通信波段实现了高效的二次谐波产生与和频过程。实验结果表明，薄膜铌酸锂微米波导具有优秀的综合性能，不仅平衡了归一化效率、耦合效率和器件长度，还可在高功率输入下实现高效的绝对频率转换，在实际应用中具有很大的吸引力，并为非线性光学的发展提供更好的平台。

2 薄膜铌酸锂微米波导制备和性能表征

2.1 制备工艺

在工艺上，本文通过室温电极化并采用紫外光刻和等离子体干法刻蚀技术来制造PPLNOI微米波导。选取厚度为3um的z切掺氧化镁薄膜铌酸锂(MGO:LNOI)晶圆(缓)中区Si0,厚度为2um，衬底为Si)。掺氧化镁可以很好地改善铌酸锂晶体的光学损伤阈值和光折变效应，使其能在高功率输入和短波段下展现优秀的频率转换稳定性。PPLNO)微米波导的制备过程如图1所示。首先是通过室温电极化技术将LNOI晶圆上层的薄膜铌酸锂进行周期性畴反转。先使用紫外光刻在晶圆上确定周期极化图样[图1()]，接着沉积厚度为60 nm的金(Au)，利用电子東蒸发和Lift-0ff技术获取周期性金属电极。以Au为正极、Si为负极，在约900 V极化电压作用下对薄膜铌酸锂进行周期极化[图1(ii)]。清洗去除极化金电极获得PPLNOI样品[图1(iii)]。

图1 PPLNOI微米波导制备过程示意图

在波导制备阶段，在PPLNOI样品上旋涂8um厚的紫外光刻胶，通过紫外光刻形成掩模以确定波导上宽[图1(iv)]。对显影烘干后的样品进行等离子干法刻蚀，将光刻胶掩模的波导图案转移至薄膜铌酸锂上[图1(v)]。在刻蚀过程中，采用了氩离子轰击，避免一般氟基刻蚀带来的难以挥发的氣化锂生成物[37。氙离子刻蚀工艺参数的选取影响着刻蚀速率，并决定了波导侧壁光滑度和刻蚀选择性B38-40]，本文通过不断的实验测试后获得了优化的工艺参数，刻蚀速率可达70 nm/min，刻蚀选择性约为1:1，侧壁角为60°左右。本文中薄膜铌酸锂的刻蚀深度达到了3um，实现了薄膜铌酸锂层的完全刻透[图1(Vv)]。再依次洗去光刻胶、侧壁沉积和表面附着物，并使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在波导表面镀上一层约1μm厚的二氧化硅保护层。最后，对波导的前后端面进行光学级抛光，从而获得一种埋入型PPLNOI微米波导[图1(vi)]。

2.2 波导设计和实际性能表征

本文采用0型一阶QPM方案，以利用铌酸锂最大的二阶非线性系数d33。针对1550 nm处一阶QPM条件设计了波导的极化周期。图2(a)和2(b)分别展示了1550 nm基频光和775 nm倍频光的一阶横磁模(TM)的光学模式截面，理论上对应的QPM极化周期为14.08um。图2(c)展示了所制备的15 mm长的PPLNOI微米波导光学显微图，可以看到样品极化畴均匀、波导清晰。实测极化周期为14.0um，正负畴占空比约为55%。图2(d)插图显示实际波导端面的情况，测量得到微米波导上宽为2.6um，厚度为3.0um，波导上方氧化硅包层厚度为1um。薄膜铌酸锂层被刻穿，刻蚀倾角为60°，抛光后的波导端面洁净无杂质残留。

波导端面经过了精细抛光，无增透膜涂层。波导端面可自然形成部分反射面，从而在波导中形成法布里-珀罗(FP)腔体。通过FP干涉法可评估波导的传输损耗[41]，FP干涉法要求对入射光的波长进行精细扫描，从而获取透射光强随光相位差变化的干涉曲线。本文在基频光1550 nm波长附近对波长进行精细扫描，得到如图3所示的透射谱。对于15 mm长的波导，TM模式的理论自由光谱范围(FSR)为36.52 pm。实验测得TM模式下FSR为37.35 pm，与理论值相比，误差在3%以内。在1550 nm波长下，TM干涉条纹的谷峰对比度为0.66，根据FP干涉法可计算得到波导在1550 nm波段的传输损耗为0.6 dB/cm，这一波导传输损耗参数还有优化空间。实验测得波导的TM模式光纤透过率为37.5%或4.26 dB，这包含了端面反射损耗、标准1550 nm单模光纤与波导的耦合损耗和波导的传输损耗。透镜光纤与波导的耦合损耗在1.2 dB/facet左右，证明微米波导具有良好的光纤兼容性。实验测得780 nm波段的光纤透过率为47%或3.3 dB，小于其在1550 nm波段的插损，由于缺乏780 nm波段的可调谐激光，因此未测量波导在该波段的传输损耗。但从插损值来看，波导在780 nm波段的传输损耗略优于或至少相当于0.6 dB/cm。对比之前的深刻蚀微米波导[34]，全刻透波导对通信波段基频的传输损耗仍保持在一个较低值，且对二次谐波的透过率有了进一步提高，使得二阶非线性产生的二次谐波可以在波导中更好地传播。

图2 PPLNOI微米波导结构。

图 2 PPLNOI 微米波导结构。（a）基频光和（b）倍频光波长处波导 TM 基模的模场分布；（c） PPLNOI 波导样品显微图；（d）波导端面尺寸图

图 3 PPLNOI 微米波导 TM 模式的 FP 干涉谱

3 波导性能测试与结果分析

倍频与和频是两种最为典型的二阶非线性光学效应。本文对制备的PPLNOI微米波导的倍频与和频过程进行了测试，以此来评估波导的二阶非线性性能。

3.1 高效倍频过程倍频实验装置如图4(a)所示，掺铒光纤放大器(EDFA)将可调谐激光(1510~1630 nm)进行放大，通过偏振控制器(PC)对输入光偏振态进行调控，再经光纤分束器(BS)分为相同的两束基频光，一東经透镜光纤耦合至PPLNOI波导;另一東连接功率计(PM)以实时测量基频输入功率，用物镜(obi.)将波导出射的光准直聚到功率探测器上。所用物镜对倍频光的诱过率为85%，对基频光的透过率为60%，连续扫描基频光波长可获得OPM的调谐曲线，如图4(b)所示。实验上测得在1549.2 nm处二次谐波的转换效率最大，即QPM波长，相应的匹配带宽为1.3nm，实验上接近理论sinc函数的调谐曲线反映出所制备的PPLNOI微米波导具有良好的均匀性和极化品质。图4(c)显示QPM波长与极化周期和二次谐波理论归一化转换效率(n)的关系图，中心波长1550 nm对应的理论极化周期为14.08um，其倍频理论归一化效率为555%/(Wcm2)。

图4 PPLNOI微米波导性能表征。

图 4 PPLNOI 微米波导性能表征。（a）倍频实验装置示意图；（b）测量的倍频功率与泵浦波长的关系；（c）数值计算的 QPM 周期和理论归一化转换效率随泵浦波长的变化

在实验上，当输入较强的泵浦光时便可观察到明亮红光输出，如图5(a)所示。通过输出的高斯光斑图样可以看出，基频光和倍频光都处于波导的基模，虽然波导中也允许存在其他的高阶光学模式。本文在小信号近似条件(1~12 mW)下测量了波导的倍频归一化效率。定义倍频过程的归一化转换效率为nsHG=PSH/(P?H:L)，其中PH和PSH分别代表实际波导输入端基频光功率和波导输出端倍频光功率，L为波导长度。图5(b)展示了低功率下，倍频功率和基频功率的关系。从图5得到，基频光和倍频光功率之间二次方关系符合得很好，从拟合曲线中得到波导在小功率下的倍频转换效率为n=335%。考虑到波导输入端的光纤耦合损耗，片上归一化转换效率为nSHG=164%/(W.cm?)。与理论预测的结果相比，目前得到的归一化转换效率值仍有较大的提升空间。

图5 PPLNOI微米波导中的倍频实验。

图 5 PPLNOI 微米波导中的倍频实验。（a）倍频实验装置图。插图：波导光路图、基波光斑图和倍频光斑图；（b）低输入功率下倍频和基频功率的平方关系图；（c）高输入功率下倍频和基频功率关系图

随着泵浦光功率的继续增加，倍频光场逐渐增强，同时泵浦光也被消耗。二者之间的二次方关系，逐渐退化到一次方，并逐渐趋于饱和。图5(c)展示了高功率基频光输入和产生的倍频功率的关系，当泵浦光功率为1 W时，扣除透镜光纤和波导前端的各类损耗(耦合损耗、菲涅耳反射损耗)后，片上实际输入波导的泵浦功率为750 mW，此时产生倍频功率为429mW，片上倍频的绝对转换效率达到57.2%。

除了高效的频率转换，掺镁铌酸锂微米波导在稳定性测试中也具有出色的表现。图6所示为封装好的器件，测得波导的TM模式光纤透过率为36%或4.4 dB。图7展现了500 mW和1 W泵浦光输入时，1h内器件频率转换的稳定性测试结果。如图7(a)所示，500 mW泵浦光输入下，1h内的基频光和倍频光输出波动误差在3%以内。输出端的倍频光功率已经大于基频光，说明基频光已经被有效地转换。当输入基频光功率达到1 W时，光纤端输出倍频光功率达到320 mW，实际片上产生倍频光功率约为430 mW，从图7(b)可以看出，1W泵浦光输入下1 h内器件总体的倍频转换效率始终保持在(28.5±0.3)%区间稳定运行。考虑光纤插入损耗，结合片上转换效率，器件转换效率理论应在32%，与测试结果较为吻合。从稳定性测试结果来看，器件在瓦级功率下能保持稳定的频率转换，体现出掺镁铌酸锂微米波导在器件化方面的巨大潜力。

图6 PPLNOI微米波导封装器件

图7 PPLNOI微米波导中倍频稳定性测试，

图 7 PPLNOI 微米波导中倍频稳定性测试。（a）500 mW 输入下器件 1 h 内的基频和倍频输出；（b）1 W 输入下器件倍频转换效率的稳定性测试

3.2 高效和频转换和频过程可以借助强泵浦有效地将低频弱光信号(例如红外波段)转换到高频范围，从而降低红外光的探测成本。同时，和频过程不会干扰量子态，还可以用于量子信息处理中单光子频率上转换。图8(a)展示了PPLNOI微米波导中和频的测试装置，1538 nm的低功率信号光(signal)和1560 nm的高功率泵浦光(pump)经过光纤耦合器(BS)合東后由透镜光纤耦合至PPLNOI微米波导进行非线性频率变换。耦合器另一路用于检测信号光或泵浦光功率。泵浦光远离倍频匹配波长，其自身倍频不会影响和频测量结果。波导输出光通过物镜在空间准直，经过滤波片后探测和频光功率。

和频过程中信号光的绝对转换效率n=PSFG/Psignal，其中PSFG代表波导输出端产生的和频光功率，Psigna!代表实际波导输入端的信号光功率，实验中固定泵浦光功率为156 mW和300 mW，分别测量在这两种情况下和频光和信号光功率的关系，结果如图8(b)所示。泵浦光为156 mW时，输入信号光功率为15 mW，测量得到信号光的绝对转换效率为81.6%，优于传统铌酸锂波导，但比铌酸锂纳米波导小一个数量级!42]，输入泵浦光功率超过300 mW时，可以将1~12 mW的信号光高效地转换成高频信号，绝对转换效率可达120%以上，按光子数计，相当于约60.4%的信号光光子发生上转换。图8(c)反映了在5 mW信号光下，和频效率随泵浦光功率的变化关系。可以看出，当输入泵浦超过220 mW时，转换效率趋于饱和，实验上最高实现了139%的绝对转换效率。按光子数计，相当于约70%的信号光光子发生上转换。PPLNOI微米波导插损低、可集成、制备工艺成熟、性价比高，其高效频率转换为红外光探测提供了新的选择。

图8 PPLNOI微米波导中的和频实验。

图 8 PPLNOI 微米波导中的和频实验。（a）和频实验装置图；（b）156 mW（虚线）和 300 mW（实线）输入功率下和频光功率和信号光功率的关系图；（c）5 mW 信号光功率下和频光转换效率与泵浦光的关系图

4 结论

本文演示了利用紫外光刻和于法刻蚀来制备薄膜铌酸锂微米波导的过程，提出将3um薄膜铌酸锂完全刻透的方案。测试结果表明，微米波导在小功率下展现出335%/的倍频转换效率，在1W泵浦光功率下实现了57%的超高频率转换。当泵浦光功率达到300mW时，信号光的和频绝对转换效率能够达到139%，实现了高效的频率上转换。虽然PPLNOI微米波导的归一化频率转换效率与纳米波导还存在一定的距离，但微米波导与光纤兼容好、插入损耗低，并且具有较好的综合性能。不仅平衡了归一化效率，耦合效率和器件长度，还在高功率输入下实现了高效的绝对频率转换，使得微米量级薄膜铌酸锂在实际应用中具有很大的吸引力，并可为非线性光学的发展提供更好的平台。