摘要
薄膜铌酸锂（TFLN）具有巨大的潜力，因为它能够通过电压实现高速调制，这比直接激光调制提供了更高的分辨率和更低的功耗，用于激光束扫描。为了实现这些功能，使用TFLN的红、绿、蓝（RGB）多路复用器是光子集成电路的重要组成部分。我们使用TFLN制造了一个RGB多路复用器，并实验验证了其操作。通过由多模干涉仪组成的RGB多路复用器，成功地将三种不同的激光光源——红光（λ = 638 nm）、绿光（λ = 520 nm）和蓝光（λ = 473 nm）——耦合为单束激光光束。此外，TFLN是通过溅射沉积制备的，而传统上是通过将块状铌酸锂附着到基板上进行制造的。溅射沉积的TFLN对于大规模生产具有优势。
关键词：薄膜铌酸锂；多路复用器；激光束扫描；多模干涉仪；低功耗。

#0：10mm-10mmsto衬底-bto薄膜（300nm厚度可定制）

#1：sto外延片

2寸 外延 sto 2-20nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

#2：a向 bto外延片

2寸 外延 a-向 bto（300nm或者500nm，或者定制）-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

#3:C向 bto外延片

2寸 外延 c-向 bto（150nm或者300nm，或者定制）-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

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室温低损伤@GCIB抛光代工@束斑小（4-5mm）更均匀

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比如SOI LNOI  LTOI SICOI 等 SMARTCUT得到的薄膜 

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1 引言
具有电光效应的薄膜铌酸锂（TFLN）作为高速光通信的光调制器已被广泛研究。虽然这些光调制器使用红外激光光源，但铌酸锂（LN）的材料特性可以允许可见光的传播；因此，TFLN在可见光应用中具有潜在的应用前景，例如激光束扫描（LBS）应用，因其能够实现比传统直接激光调制更高的速度、更高的分辨率和更低的功耗。
通过提高红、绿、蓝（RGB）耦合激光束的颜色变化速度，可以结合更高速的微机电系统镜面获取更高分辨率的图像，从而实现LBS。此外，激光束输出可以通过Mach-Zehnder干涉仪（MZI）以模拟方式调节RGB光的强度，这样可以为激光二极管（LD）指定一个恒定值的注入电流，并降低与直接激光调制所需偏置电流相比的电流。
然而，关于TFLN在可见光应用中的研究较少，且可见光所需的基本构建块尚未充分开发。我们成功地通过溅射沉积的TFLN制造了RGB调制器，并验证了其操作。使用MZI，每种颜色的强度可以通过改变电压来控制。为了获得全色激光束以实现主动光子集成电路（Active-PIC），需要通过RGB多路复用器将调制后的红、绿、蓝激光光束耦合为单束光。主动光子集成电路是一种集成了LN调制器和RGB多路复用器的设备，它可以实现每种RGB颜色的强度调制和多路复用。未来，Active-PIC可以通过LN调制器而非LD电流直接调制来进行电压控制；因此，可以预期更低的功耗和更高的分辨率。为了这个目的，基于TFLN的RGB多路复用器对于LBS至关重要，然而，至今尚未实现，而RGB多路复用器主要局限于玻璃基光子集成电路（PICs）。本研究中，我们使用TFLN成功制造了RGB多路复用器，并验证了其操作。这项研究的目标是通过首次展示RGB多路复用器的操作，为实现Active-PIC迈出第一步。此外，TFLN通过溅射沉积制备，而传统上，使用块状LN附着到基板上进行制造。溅射沉积的TFLN在大规模生产中具有显著的优势。

2 RGB多路复用器设计与仿真
为了使用TFLN制造RGB多路复用器，我们选择了多模干涉仪（MMI）。MMI由于其小型化、低损耗、宽带宽和易于制造的特点，已广泛应用于红外激光光波导的滤波器、分配器、传感器和耦合器。我们将这一能力扩展到RGB多路复用器。由于LiNbO3与包层（如SiO2）之间的折射率差异较大，方向耦合器方法通常会导致长达几厘米的器件长度。相反，MMI方法可以将器件长度缩短到毫米级，且成熟的光刻技术（如KrF或ArF激光）可以用于缩短器件长度并减少损耗。由于本研究旨在展示RGB多路复用器，因此在i线光刻过程中使用了不受约束的波导和间隙宽度设计值。

图1 溅射沉积的TFLN RGB多路复用器示意图：
(a) 顶视图
(b) 截面图

我们根据自成像理论使用FIMMWAVE（Photon Design Ltd.）设计了RGB多路复用器。图1显示了由两个MMI组成的RGB多路复用器的示意图，相关参数列在表1中。

             表1 用于设计溅射沉积TFLN RGB多路复用器的参数

在此设计中，红光和蓝光在第一个MMI多路复用器中耦合，而绿光/红光和蓝光在第二个MMI多路复用器中耦合。自成像理论应用于最小化耦合损耗。LiNbO3中常光（no）的折射率分别为473、520和638 nm波长下的2.38、2.35和2.31。类似地，非常光（ne）的折射率分别为473、520和638 nm波长下的2.28、2.25和2.21。这些值来自块状LN文献。通常，LiNbO3本身是双折射的；因此，RGB多路复用器是极化依赖的。由于溅射沉积的TFLN的c轴方向垂直于薄膜平面，因此设计使用了横向磁场（TM）模式输入，以便与调制器兼容。二氧化硅（SiO2）被用作包层层，因为其折射率为1.44，低于LiNbO3的折射率。为了将RGB多路复用器适配到可见光LN调制器，我们设计了一个脊形结构。波导厚度（TLN）和薄板厚度（Tslab）分别设置为0.7和0.1μm。W1和WArm分别是MMI和与MMI连接的臂的宽度，它们都是梯形的顶底部。在每个截面中，Wbottom是梯形底部的值，比Wtop大0.2μm。WGap是梯形顶部两个臂波导之间的距离。通过调整MMI波导的长度来优化输出效率。该设计旨在最小化RGB波长下MMI的损耗和长度。为了考虑低损耗，RGB多路复用器中引入了锥形波导以进行模式匹配。

图2 表示通过RGB多路复用器传播模式的强度分布的色彩图：
(a) 绿光
(b) 蓝光
(c) 红光

图2显示了输入红、绿、蓝光时，通过RGB多路复用器传播模式的强度分布的色彩图。RGB光通过MMI的多模干涉传播，白色虚线表示该过程。图3(a)展示了在L2保持某一值并变化L1时的多路复用器损耗。同样，图3(b)展示了在L1固定某一值并变化L2时的多路复用器损耗。因此，通过调整两个MMI多路复用器的长度，优化了传播效率。最后，L1和L2分别设置为620和1680μm，RGB多路复用器的预期损耗分别为3.8 dB（红光）、2.1 dB（绿光）和3.1 dB（蓝光）。

图3 多路复用器损耗的仿真结果：
(a) L1 依赖性
(b) L2 依赖性

3 实验
使用上一节中模拟的设计，按照先前描述的工艺制造了该器件。不同于传统的块状LN粘附工艺，本研究采用射频溅射沉积方法制造RGB多路复用器。LiNbO3靶材通过Ar离子气体溅射，而O2气体被引入溅射室。在溅射沉积过程中，Al2O3蓝宝石（001）基板被加热至650°C，以获得具有良好晶体结构的TFLN。TFLN的脊形波导通过物理Ar离子刻蚀制造。溅射法用于沉积SiO2作为包层层。

图4 RGB多路复用器测量系统示意图.

图4 显示了溅射沉积的TFLN RGB多路复用器的测量系统。红、绿和蓝光的可见光激光波长分别为638、520和473 nm。为了确保稳定运行，激光二极管（LD）通过温控器维持在室温下。激光光强通过电流控制器进行调节。三通道光纤阵列将激光光源耦合到样品中，并通过100×物镜观察RGB多路复用器的输出。通过中性密度滤光片和相机在个人计算机上获取物镜图像。当测量光功率强度时，物镜被替换为带透镜的光纤，三通道光纤阵列被聚焦器和偏振片替换，且输入端的偏振状态为TM模式。RGB多路复用器损耗为每个RGB多路复用器的插入损耗（IL）减去直线部分的IL。因此，端面上的耦合损耗和反射损耗被忽略。

4 结果
图5展示了RGB多路复用器的截面图，该图是使用扫描电子显微镜（SEM）获得的。通过截面图测量的参数与表1中列出的设计值相当。LN波导的侧壁显示出轻微的不对称性。然而，其影响较小，对于对称或不对称波导，IL均小于1%。LN波导的不对称性可能来源于离子铣削过程中内外圆周的差异。

图5 RGB多路复用器样品示意图：
(a)–(c) TFLN波导的截面SEM图像.

第3节中描述的测量系统被用来提取输出图像和光功率。图6显示了红、绿和蓝激光二极管（LD）的注入电流与激光功率的依赖关系。因此，通过改变LD电流的强度来调节每种颜色的强度。

图6 通过RGB多路复用器传播的红、绿、蓝单色激光光束的实验图像。

图7展示了两色和三色多路复用的输出图像。图7(a)中成功地生成了品红色，它是红光和蓝光的组合。类似地，图7(b)中生成了黄色，它是红光和绿光的组合，而图7(c)中生成了青色，它是绿光和蓝光的组合。因此，我们成功地生成了品红色、青色和黄色，它们是三原色光的两个中间色。最后，通过将三种原色光结合在一起，如图7(d)所示，成功获得了白光。

图7 通过RGB多路复用器传播的组合激光光束的实验图像：
(a) 品红色
(b) 黄色
(c) 青色
(d) 白色

图8展示了色度图，显示通过改变每个LD的电流，可以生成所有颜色，而不仅仅是上述提到的中间色。因此，基于溅射沉积TFLN的RGB多路复用器成功生成了所有颜色，表明我们的设备足够适合作为激光束扫描（LBS）等显示器的光源。

图8 通过RGB多路复用器传播的红、绿、蓝激光光束生成的色度图。

每个RGB多路复用器的实验确认损耗分别为4.8 dB（红光）、3.7 dB（绿光）和7.0 dB（蓝光），这些将在第5节中详细讨论。

5 讨论

如第4节所述，我们成功地制造并展示了一个使用溅射沉积TFLN的RGB多路复用器。该RGB多路复用器的器件长度约为2.3毫米，这与方向耦合器和MMI所使用的器件长度相当或更小【21–23】【24,25】。

本研究中有两个主要的限制，未来的研究可以解决这些问题。首先，本研究重点使用溅射沉积的TFLN，以实现更广泛的应用并满足大规模市场需求【19,20】。然而，预计块状铌酸锂（bulk-LN）的晶体结构优于溅射沉积的TFLN，因此需要解决这一限制。用于RGB多路复用器的溅射沉积TFLN的LN（006）峰值的摇摆曲线的半高宽（FWHM）为0.49度。这个值大于块状LN的值，需要改进，因为它可能会影响RGB多路复用器的损耗。

实际上，在蓝光波长（λ = 473 nm）下，使用溅射沉积TFLN制造的RGB多路复用器的损耗为7到10 dB，较模拟值要大。相比之下，使用块状LN制造的RGB多路复用器的损耗为3到4 dB，与模拟值几乎一致。

对溅射沉积条件的精确控制对于实现更好的结晶TFLN至关重要，从而提高传播损耗并降低器件插入损耗（IL）。其次，TFLN波导的刻蚀对于获得具有平滑表面的TFLN波导至关重要。在较短的波长下，由于波导侧壁的粗糙度，瑞利散射对传播损耗的影响较大。特别是，侧壁粗糙度必须小于1纳米，以适应可见光设备，如RGB多路复用器【16】。这一工艺的进一步开发可能有助于进一步改善传播损耗并降低器件的插入损耗。

随后，我们讨论了计算的RGB多路复用器损耗与在蓝光波长（473 nm）下测量的RGB多路复用器损耗之间的差异。计算的蓝光损耗值（3.1 dB）假设LiNbO3材料本身在器件设计中没有散射和吸收损耗。然而，实际上，通过棱镜耦合器（Metricon型号2010/M）测量的溅射膜传播损耗在446 nm时为4.3 dB/cm，表明溅射膜的结晶性仍然较差，并且在LiNbO3材料本身存在散射或吸收损耗。考虑到这一点，蓝光多路复用器的损耗略微增加到4.1 dB。然而，这并不能解释测量到的蓝光多路复用器损耗（7.0 dB）。接下来，我们考虑了波导侧壁粗糙度的影响。通过原子力显微镜评估的波导侧壁的均方根粗糙度（Rq）约为6纳米。这个值被用于通过Ansys Lumerical模拟波导的传播损耗，结果得到了22 dB/cm的传播损耗。这个值显著大于溅射膜的传播损耗（4.3 dB/cm）。因此，我们得出结论，波导侧壁的粗糙度显著加剧了蓝光多路复用器的损耗。

通过棱镜耦合器评估的溅射膜本身的值（FWHM = 0.49度）为446 nm时4.3 dB/cm，633 nm时1.6 dB/cm。然而，通过棱镜耦合器测量的块状LN晶片的值为446 nm和633 nm时都小于1 dB/cm。这表明传播损耗与结晶性有关，且需要改善溅射膜的结晶性。然而，通过优化初始溅射过程，有可能减少蓝光的损耗，因为溅射沉积的TFLN的结晶性可以得到改善。

关于器件间光学性能的差异，由于结晶性和LN膜的制造，晶圆间存在约10%的结晶性变化，并且晶圆平面分布存在几%的差异。这些因素可能影响了损耗，因此需要进一步改善。

6 结论

我们使用TFLN制造了一个RGB多路复用器，并实验验证了其操作。三种不同的激光光——红光、绿光和蓝光——成功地被RGB多路复用器耦合为单束激光光束。因此，利用TFLN实现了主动光子集成电路（Active-PIC），与直接激光调制相比，它能够实现更高速度和更低功耗的高分辨率激光束扫描（LBS）。此外，溅射沉积的TFLN在大规模生产中具有优势。