鈮酸鋰單晶薄膜光子線器件的製備與特性研究

《鈮酸鋰單晶薄膜光子線器件的製備與特性研究》是依託山東大學，由胡卉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鈮酸鋰單晶薄膜光子線器件的製備與特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡卉
• 依託單位：山東大學

中文摘要

基於單晶薄膜，製備新型、高集成度、高效率、低功耗的鈮酸鋰集成光電子學器件，是近年國際新興的熱點研究領域，大量的科研方向正在開拓，其中最基本的重要器件是光子線，對於鈮酸鋰單晶薄膜上的光子線，目前國際上缺乏深入研究。本項目集中在這個關鍵研究方向，探索單晶薄膜上的光子線器件。設計、製備基於鈮酸鋰單晶薄膜的光子線器件，降低光子線損耗，研究光子線的物理性質，探索超小型（橫截面亞微米尺寸）的光子線器件中的非線性光學行為，實現光子線中高效率的倍頻過程。本項目不但可以獲得高質量的光子線器件，更對未來實現超小型新一代的鈮酸鋰集成光路打下基礎，在集成光學、光纖通訊、光信號處理中有重要套用前景。

結題摘要

鈮酸鋰晶體具有優良的電光、聲光和非線性光學特性。近年來，鈮酸鋰單晶薄膜（lithium niobate on insulator, LNOI）引起了人們的極大興趣。由於鈮酸鋰和二氧化矽之間的高折射率差，利用LNOI材料可以提升光子器件集成度和性能。本項目研究了基於LNOI的光子線器件。矽是微電子學中最重要的基礎材料。將矽和鈮酸鋰單晶薄膜進行異質集成，能把矽優秀的電學特性和鈮酸鋰優秀的光學特性結合起來。項目系統研究了非晶矽載入條型光波導，測得準TE和準TM模式下的傳輸損耗分別為6 dB/cm和5.5 dB/cm，提出並實現了在LNOI上集成矽薄膜光電探測器的新路徑。研究了二氧化矽載入條型波導，測得其準TE和準TM模式的傳輸損耗分別為0.2 dB/cm和 0.8 dB/cm。搭建了脈衝電壓極化裝置，利用外電場對x切鈮酸鋰薄膜進行了極化，研究了LNOI的疇反轉行為，研究了反轉疇的溫度穩定性和深度分布。實現了周期為4 um的疇反轉結構，相干長度8 mm。倍頻效應是鈮酸鋰非線性光學特性的一個重要套用，模式相位匹配通過調節波導尺寸使基頻光和倍頻光的模式具有相同的相速度，從而實現二次諧波產生，我們提出了利用波導的色散關係，找到了相位匹配條件，並利用質子交換調節χ(2)的分布，從而實現更大的模式重疊積分，獲得更高轉換效率的新方法，實驗得到的歸一化轉換效率為48% W−1 cm−2。本項目研究了低損耗的光子線，實現了周期疇反轉，探索了LNOI上的非線性光學器件，為實現超小型新一代的鈮酸鋰集成光路打下基礎，在集成光學、光纖通訊、光信號處理中有重要套用前景。