基于薄膜铌酸锂的集成光子晶体分束器

逍遥设计自动化

引言
近年来，铌酸锂基器件在集成光子技术领域取得显著进展。特别是薄膜铌酸锂（TFLN）的研发，使得设计更加紧凑和高效的光电子器件成为现实。本文介绍了在薄膜铌酸锂上制作光子晶体分束器的创新方法，为下一代光电子集成芯片提供技术支持[1]。
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基本结构与设计原理
这种分束器的基本设计理念是在薄膜铌酸锂上制作两种不同晶格配置的光子晶体结构：三角晶格和四角晶格。这些结构利用带隙导波或全反射原理来操控光的传输。

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/ @' e  o3 m/ O7 f图1：(a)三角晶格和(b)四角晶格光子晶体分束器的示意图，以及相应的带隙宽度关系和投影带结构。该图全面展示了两种晶格配置的基本设计原理。
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$ \; Q$ s$ |% e这些设计采用特定排列方式的圆形空气孔，每种配置都具有独特优势。三角晶格结构基于带隙导波机制工作，需要去除底部氧化物以保持垂直方向的对称性。相比之下，四角晶格结构利用全反射原理来限制光的传输，使用脊型波导作为输入输出区域。

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' I, P$ T( l" d5 v( v$ |工作原理与设计优化
) {+ |/ J: D! d7 K7 |这些分束器的运行基于多模干涉（MMI）原理，其中自成像效应发挥核心作用。多模区域的尺寸通过特定方程计算，这些方程考虑了结构中移除的光子晶体孔的行数和列数。

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图2：展示了三角晶格光子晶体波导的波长与晶格常数之间的传输关系图，显示了实现最大传输效率的优化过程。
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两种晶格结构都经过了深入优化以获得最佳性能。对于三角晶格配置，通过粒子群优化（PSO）算法确定了理想参数，在1550nm波长处实现了91.647%的透射率。最终结构尺寸仅为14.857×4.982微米2。
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8 D$ u+ j2 ~# C- i9 L7 @4 E图3：展示了不同多模区域宽度下光子晶体分束器的光场分布图，以及对不同移除列数的传输谱分析。

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5 C, l! g7 z$ g- @# M制造工艺与实现
制造过程在300纳米厚的X切薄膜铌酸锂晶片上进行，包含多个关键步骤。

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- a: L) q* R3 V/ |图4：完整的制造工艺流程，包括(a)逐步制作过程，以及(b,c)三角晶格和(d,e)四角晶格结构的扫描电镜图像，显示了空气孔的精确形成和整体器件几何结构。
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工艺始于电子束光刻进行图案定义，随后使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）制作光子晶体结构。最后使用BOE溶液去除光子晶体下方的二氧化硅，形成空气包覆层。
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5 j* i$ ^  T( k5 ~' d性能分析与结果
' f1 M- }" n; O对制造完成的器件进行了全面测试以评估性能特征。

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图5：实测性能数据，显示(a,b)级联光子晶体多模干涉器的损耗测量结果，以及(c,d)三角晶格和四角晶格结构两个输出端口的传输谱，证实了器件的实际功能。

2 \  ~! Q/ _* z8 A, Y1 R3 d! i实验结果显示，三角晶格和四角晶格结构的插入损耗分别为3.482 dB和2.181 dB。虽然这些数值高于模拟结果，但在集成光子器件领域仍是重要成果。
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3 c' F4 c: U8 g3 f8 W9 p9 s结论
3 O8 d- c* r: L5 x2 [7 Z' R% h这种在薄膜铌酸锂上制作光子晶体分束器的方法，为开发超紧凑光电子集成芯片提供了新思路。通过优化加工工艺，这些器件的性能有望得到进一步提升。该技术对于需要高密度集成和高效光操控的应用具有重要价值。
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参考文献
[1] S. Zhou, G. Chen, Y. Wu, J. Lu, W. Su, Y. Liu, Z. Zhang, and H. Yu, "Integrated photonic crystal beam splitters based on thin film lithium niobate," Optics Express, vol. 33, no. 2, pp. 3543-3553, Jan. 2025.
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