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#电光调制器 #薄膜铌酸锂 #光子晶体 #光学镀膜 #垂直腔电光调制器

电光调制器（EOMs）在光学成像和信息处理领域至关重要，具有自由空间设备的应用，如激光雷达（LiDAR）和光束控制。铌酸锂（LN）凭借强大的波克尔斯效应和可扩展的铌酸锂-绝缘体（LNOI）平台，已成为高性能EOM的领先材料。在此，我们实现了一种垂直腔电光调制器，其中一个LN薄膜夹在两个集成电极的光子晶体（PhC）镜子之间。该腔体支持尖锐的缺陷模式共振，在波克尔斯效应下能够有效地发生位移，实现强大的传输调制。实验表明，在±50 V时深度为43%，带宽为5 MHz。这种架构结合了自由空间兼容性和简易制造，开辟了紧凑型电光平台的新路线，适用于测距、全息成像和光束引导等应用。

关键词：电光调制器，铌酸锂，光子晶体，波克尔斯效应

#DBR反射镜镀膜

#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)

#离子注入铒代工

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#快速氮化硅硅光铌酸锂流片 #高性价比 #低成本

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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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#提高复合衬底和镀膜膜层的器件层膜厚均匀性，

比如SOI LNOI  LTOI SICOI 等 SMARTCUT得到的薄膜 

或者镀膜所得到的膜层 ，比如镀了一层氮化硅，但是由于是cvd镀膜所得到的，表面的膜厚精度很差，粗糙度很差，可以通过粗糙度初步降低粗糙度，然后通过GCIB团簇离子束抛光来修整整面的膜厚均匀性 到0.5%以下举例：

未经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据：

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经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据：

Range:60A以内

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，210nm-300nm-400nm-800nm

SICOI晶圆；新型量子光学平台500nm-700nm-1um

8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300600

6寸X切Z切掺镁薄膜铌酸锂晶圆 ，厚膜 3um 5um 和 薄膜 100-600nm

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

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我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

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Lithium Niobate Vertical Cavity Electro-Optic Modulator

1、The Key Laboratory of Weak-Light Nonlinear Photonics, Ministry of Education, School of Physics and TEDA Applied Physics Institute, Nankai University, Tianjin 300071, People’s Republic of China

2、State Key Laboratory of Precision Spectroscopy East China Normal University Shanghai 200062,China

3、Academy for Advanced Interdisciplinary Studies, Nankai University, Tianjin 300071, People’s Republic of China

4、Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan, Shanxi 030006, People’s Republic of China

电光调制器（EOMs）在现代光子系统中不可或缺，为高速光通信[1, 2]、超快光计算[3-5]、精密测距[6, 7]、计算成像[8-13]和新兴量子技术[14-17]提供核心功能。在等离子体色散[18, 19]和电吸收[20, 21]等基础机制中，波克尔斯效应因其亚纳秒的响应时间、纯粹的折射率调制和可忽略的光学损失而脱颖而出[22, 23]。特别是铌酸锂（LN）结合了较大的电光系数、宽广的透明度（0.35-4.5 µm）和强大的稳定性，使其成为开发EOM的最具吸引力的材料之一[24-26]。最近的LN-绝缘体（LNOI）技术的出现进一步振兴了LN光子学，基于Mach–Zehnder干涉仪、微环、微盘和光子晶体（PhC）开发了紧凑型高性能调制器[27-39]。

尽管有这些进展，大多数LNOI调制器仍然是平面设备，针对导波操作进行了优化，其占地面积和耦合要求限制了它们在自由空间光学系统（如LiDAR[40-43]和计算成像[44-46]）中的应用。为了解决这些限制，紧凑型自由空间调制器已经得到了积极探索。LN超表面和将LN与等离子体或介质纳米结构结合的混合架构已经展示了基于共振的电光调谐性[47-59]。然而，这些方法通常需要复杂的纳米制造，涉及亚波长图案化和严格的工艺控制，这可能限制了其可扩展性和器件的均匀性。相比之下，最近的研究表明，即使是不带图案的LN薄膜也可以支持共振光学模式[60]，这突出了一个替代路径，即基于腔体的几何结构提供高效且稳健的自由空间调制，同时减少制造复杂性。

在这里，我们介绍了第一个垂直腔电光调制器（EOM），它利用光子晶体（PhC）中的缺陷模式共振来增强光-物质相互作用。该设备采用一个LN薄膜，垂直夹在两个光子晶体镜子之间，形成一个紧凑的自由空间调制器，具有高Q共振。通过将表面电极沿光轴对准，我们实现了在±50 V驱动下787 nm处z偏振光的43%的调制深度，并具有5 MHz的调制带宽。这种方法不仅使薄膜LN调制器超越了超表面架构，还建立了一个多功能平台，用于超紧凑型自由空间电光器件。

结果
图1展示了所提出的垂直腔EOM，其中x-cut的LN薄膜嵌入在两个一维光子晶体（PhC）之间，形成一个支持尖锐传输共振的缺陷腔体。每个PhC由交替的二氧化钛（TiO₂）和二氧化硅（SiO₂）薄片组成，而LN薄膜的厚度为1 µm（NANOLN有限公司）。

图1. LN垂直腔电光调制器（EOM）示意图。
该设备由一个薄的LN薄膜垂直夹在两个光子晶体（PhC）镜子之间，每个镜子由交替的TiO₂和SiO₂层组成。坐标系统与LN晶体的主轴对齐，z轴沿着光轴方向。两个金电极嵌入在LN薄膜和下方PhC之间的界面处。这个垂直腔配置支持传输光谱中的一系列共振。在电极上施加峰-峰幅度为Vpp的方波电压，同时z偏振光束垂直入射到调制器表面，产生调制的光学输出。

金电极厚度为50 nm，间隔为10 µm，制造在LN层和下方PhC之间，通过它施加方波电压（Vpp）。由此产生的驱动电场与光轴（z方向）对准，并通过将入射偏振与此轴对准，最大化了波克尔斯效应。因此，LN的折射率被调制，导致传输光谱中的共振位移。施加电压（Vpp）下的LN折射率椭球体给出为：

其中，no和ne分别是常态和非常态折射率，d是电极间距，γ33 = 31.45 pm/V是主要的电光系数。非常态折射率的变化如下所示[61]：

PhC参数通过有限元方法（COMSOL Multiphysics）优化，使用通过光谱椭偏仪（Accurion EP4）测量的SiO₂、TiO₂和LN的光学常数[62]。当dSiO₂ = 160 nm和dTiO₂ = 65 nm时，计算的光子带结构在归一化频率0.28处展现出明显的带隙。插入1 µm的LN缺陷层后，在z偏振激发下产生了约700 nm、800 nm和920 nm的共振（图2a）。我们重点关注800 nm的共振，它与实验中使用的激光波长范围（770–840 nm）相一致。

图2. 垂直腔电光调制器（EOM）的带结构调节与模拟性能。
(a) 上：PhC的模拟光子带结构，显示在归一化频率0.28附近的带隙。下：1 µm的LN缺陷层引入了约700 nm、800 nm和920 nm的腔模式。
(b) 在不同调制电压下（800 nm附近）的透射谱：虚线蓝色，+50 V；实线黑色，0 V；虚线红色，-50 V。
(c) 对应于±50 V电压切换的模拟调制深度（M）。

图2b显示了在施加电压+50 V（蓝色）、0 V（黑色）和-50 V（红色）下的模拟透射谱。由于γ33为负，正偏压会降低ne，导致蓝移，而负偏压则引起红移。相应的调制深度，定义为M(λ) = 1 - T/Tmin(λ)max(λ)，如图2c所示[63]。M(λ)在±50 V时呈现M形曲线，且在798.5 nm和800.6 nm处达到峰值，与图2b中透射光谱斜率最陡的波长一致[64, 65]。

图3. 电光调制器（EOM）的制造过程。
(a) 制造过程：从LNOI晶圆开始，其中x-cut的LN薄膜通过SiO₂缓冲层与硅基板结合，LN薄膜通过HF蚀刻释放。金电极（间距为10 µm）在预涂PhC1（交替的TiO₂/SiO₂层）的熔融石英基板上图案化。然后将LN薄膜转移并对准到电极上，接着在LN薄膜上沉积PhC2，形成垂直腔。
(b) 左：封装的垂直电光调制器。右下：调制器表面的光学显微镜图像。右上：SEM图像显示LN垂直腔的详细截面。
(c) 在正常入射的z偏振光下，实验透射谱（红色曲线），与考虑制造引起的光学损失的模拟结果（黑色虚线曲线）进行比较。

样品的制造过程如图3a所示。该过程始于对商业LNOI晶圆的氟化氢（HF）蚀刻，LNOI晶圆由x-cut LN薄膜和通过SiO₂缓冲层与硅基底结合而成[66]。与此同时，在已经涂覆了第一个PhC的熔融石英基板上，使用标准光刻、金属沉积和去膜工艺，图案化了间隙为10 µm的金电极垫。释放的LN薄膜随后被转移到该基板上并对准，使其光轴沿着连接两个电极的直线。随后，在LN薄膜上方沉积了第二层PhC，完成了垂直腔的构建。样品随后被安装到印刷电路板（PCB）上，并通过导电银粘合剂将电极连接到PCB垫片上。最终设备通过SMA端口与外部信号接口（图3b，左面板）。光学显微镜清晰地显示了电极和设备区域（右下面板），而扫描电子显微镜（SEM）图像提供了结构截面的详细视图（右上面板）。

透射光谱通过商用显微光谱仪（IdeaOptics Co., Ltd.）进行实验测量，如图3c中的红色曲线所示。一个明显的共振出现在接近788 nm的波长处，略微蓝移于设计值（图2b），这可能是由于制造不完美，如PhC和LN薄膜的厚度变化。与图2a中的模拟光谱相比，实验共振更宽，这可以归因于界面粗糙度和散射损失。为了解释这些效应，在模拟中对LN的折射率添加了一个虚部（κ = 0.00275）（详见附录，第1节）。调整后的结果（如图3c中的黑色虚线曲线所示）与实验光谱高度匹配。

为了表征设备的电光调制性能，使用了一台沿z轴偏振的可调脉冲激光（TUN-TiN，重复率：50 kHz，线宽：<40 pm，波长步进：1 nm）作为光源。激光束通过10×物镜（数值孔径，NA = 0.30）聚焦到样品上，并通过相同的物镜在透射侧收集。为了抑制高频空间分量，两个傅里叶平面前后均放置了孔径进行空间滤波。前端光电探测器（PD1，Thorlabs DET36A/M；见图4a）用于记录脉冲信号，并与信号源一起生成同步调制信号（图4a右中插图）。信号源由任意波形发生器（Agilent 33250A）和高压放大器（Falco WMA-300）组成。通过调节驱动信号的相位延迟，可以实现高低脉冲调制（图4a右下插图，更多细节请见附录第2节）。

图4. 垂直腔电光调制器（EOM）的实验表征。
(a) 光学系统示意图。可调激光通过偏振器（Pol）和微聚焦系统（带双孔径滤波）照射到调制器上，同时调制器由同步电信号驱动。通过超连续光源（SC）、光谱仪（SM）和光束分离器（BS）的联合使用，获得光谱特性。旁路光电探测器（PD1）捕获脉冲信号，并与信号源耦合生成同步调制驱动信号。通过调节相位延迟实现高电平和低电平脉冲调制。最终的光电探测器（PD2）收集输出信号，并通过锁相放大器分析调制结果。（插图：脉冲同相操作时序图）。
(b) 使用超连续光源光谱测试系统测量的样品透射光谱。蓝色圆点：实验数据；红色曲线：Fano拟合光谱，得到Q值为611。
(c) 从0至±50 V的调制深度（M）测量，步进为10 V。点：实验数据；虚线：视觉引导。
(d) 差频激发下的光功率调制，显示最大（顶部插图）和最小（底部插图）调制状态下的代表性强度轮廓。
(e) 在多个频率差分激发下，设备的调制带宽在光功率调制下的表现。

输出调制信号通过第二个光电探测器（PD2，图4a）收集，并使用锁相放大器（Zurich UHFLI）进行分析。此外，为了实现原位透射光谱表征，通过光束分离器将超连续光源（NKT Photonics SuperK Extreme）耦合到系统中，并通过光纤耦合光谱仪（IdeaOptics）进行分析。测量的透射光谱如图4b中的蓝色点所示。Fano共振拟合（红色曲线）得出Q因子（Q）为611，对应的半峰宽度（FWHM）约为1.3 nm。

然后，在同步光电操作下研究了电光调制。使用脉冲激光源在0至±50 V的施加电压下记录了单波长调制光谱，每次步进为10 V。测得的M(λ)曲线（从浅到深的颜色编码）呈现预期的M形曲线，在787 nm和789 nm处达到峰值（图4c），与图2d中的模拟结果高度一致。最大调制深度在±50 V下为43%，出现在787 nm处。时域测量确认了设备在50 kHz下的调制特性（图4d）。激光的实际重复频率为49.999 kHz，因此与外部施加的50 kHz调制信号之间存在约1 Hz的小频率不匹配。这导致了大约1秒的缓慢包络调制，与外部施加的波形一致。强度调制通过CCD（Beamage-4M）进行了可视化，插图显示了最大和最小状态之间的对比（见补充视频）。

此外，采用延迟采样法，以50 kHz的整数倍施加调制，以表征设备的高频响应。记录了不同调制频率下的时域光强分布（见附录第3节），调制信号的相应频率响应如图4e所示。由于高压放大器的带宽限制，测得的调制强度响应显示出大约5 MHz的3 dB带宽，远低于设备的固有带宽。补充材料第4节中的矢量网络分析表明，设备的固有带宽扩展到GHz范围。

此外，结果与之前报道的基于LNOI的自由空间调制器进行了比较（见补充材料第3节）。尽管我们设备的结构简单，但其整体性能在类似工作中仍然具有很强的竞争力。随着制造精度和测量技术的进一步改进，预计该设备将展现出更大的潜力。

讨论
总之，我们展示了LN垂直腔电光调制器（EOM），其中一个薄的LN层被垂直夹在两个PhC薄片之间，形成缺陷模式共振，强烈增强了光-物质相互作用。经过精心设计的结构实现了超过600的Q因子，并产生了1.3 nm宽的窄共振线宽。利用LN的电光效应，该设备在±50 V交流电压下对z偏振光在787 nm处提供了43%的调制深度，通过精确的共振调谐实现。这种平面自由空间兼容架构进一步突出了该平台在光束引导、动态全息成像和空间光调制等超紧凑型高性能电光组件中的潜力。