基于薄膜铌酸锂的准各向同性相位调制器结构

《Optics & Laser Technology》：Quasi-isotropic phase modulator architecture based on thin-film lithium niobate

　　

摘要

在本研究中，我们制造并验证了一种工作在C波段的准各向同性相位调制器，以解决薄膜锂铌酸盐光子平台中依赖于极化的模式约束以及电光调制效率不平衡的问题。通过在芯片端口集成具有模式整形和偏振旋转功能的绝热端口，可以调制TE0模式，并将TM0模式转换为TE1模式，然后再进行调制并恢复为TM0模式以实现输出。实验结果表明，C波段中从TM0到TE1的转换效率超过88%，两种正交输入偏振之间的调制效率差异在10%以内。通过保持相同的输入和输出偏振，该器件在不同偏振状态下实现了更平衡的调制响应，为偏振复用和多模兼容系统之间的光链路提供了参考。

引言

薄膜锂铌酸盐（TFLN）由于其优异的Pockels电光效应、复杂的非线性和低传输损耗，已成为光子集成电路（PIC）的创新平台[1],[2],[3]。TFLN芯片在高速调制、非线性光子学、量子精密测量和射频传感等领域展现了显著的应用潜力[4],[5],[6],[7],[8]。对PIC中调制功能的需求不断从控制单一光学参数（如强度或相位）发展到协调控制多个参数和自由度；因此，在保持结构紧凑性和简单性的同时利用TFLN器件中的额外自由度已成为该平台发展的关键问题[9],[10]。

在大多数早期研究中，TFLN器件主要集中在单偏振和单一基模工作模式上，对偏振和高阶导模的协调调控相对有限。近年来，由于制备工艺和集成密度的持续改进，利用偏振、空间模式、路径和波长等自由度的协同作用提高了TFLN器件的信息承载能力、系统鲁棒性和应用灵活性[11],[12]。已经开发了一系列以偏振作为功能自由度的基本器件，如偏振器[13]、偏振分束旋转器[14],[15]、偏振无关的边缘耦合器[16]和偏振无关的多模干涉耦合器[17]。电光调制是TFLN平台上实现系统级应用的核心功能，但其性能受到依赖于偏振的模式限制分布和电光重叠因子差异的根本性制约[18]。因此，许多现有的双偏振或不敏感于偏振的调制方案依赖于偏振分集/合成架构，其中两种正交输入偏振首先被分离，在独立的分支中进行处理，最后重新组合[19],[20],[21],[22]。另一种方法是采用多模辅助策略，通过诱导偏振旋转将一种偏振状态映射到另一种导模上，从而允许多个通道共享同一个功能区域[23],[24],[25]。尽管上述方法有效，但它不可避免地引入了额外的器件，增加了芯片面积，提高了光路匹配要求，并增加了整体设计复杂性。对于携带独立数据流的双偏振相干传输器，基于偏振分集、独立调制和偏振重组的架构仍然是必要的。然而，在许多耐偏振的相位调制应用中，两种可能的输入偏振状态并不需要携带独立的信息。相反，它们期望在同一器件中经历相同或几乎相同的调制。典型的应用包括耐偏振的IMDD链路、模拟光链路、微波光子信号处理和传感读出系统，在这些系统中，偏振一致性和平衡的电光响应非常重要。因此，仍有一个重要问题需要解决：如何在不重复调制分支的情况下，同时实现高效的偏振到模式重映射、不同输入偏振的几乎相同的调制效率以及保持输入和输出偏振关系的稳定性。这个问题限制了TFLN调制器在输入偏振未完全控制或可能漂移的系统中的进一步应用。

在本研究中，我们提出并在C波段的TFLN平台上实验验证了一种准各向同性器件架构。该架构整合了偏振复用和多模兼容性的概念，在共享且紧凑的器件空间内实现了两种正交输入偏振状态的几乎相同的调制效率。主要原理是在器件的输入和输出端集成共同的绝热耦合和模式转换端口。在1525–1565纳米的波长范围内，当输入处于TE₀模式时，光波沿其自然模式路径穿过器件；而当输入处于TM₀模式时，它被转换为TE₁模式，转换效率超过88%，在同一功能区域内进行调制，最后转换回与其原始偏振相对应的输出状态。这确保了输出偏振与输入偏振保持一致。因此，该器件避免了调制分支的重复，并直接解决了各向异性TFLN调制器中长期存在的偏振处理与调制均匀性之间的权衡问题。此外，TE₀模式和TM₀模式输入之间的调制效率差异通过相应的半波电压不匹配保持在10%以内。与传统双偏振块状LN调制器以及由专用偏振管理单元辅助的TFLN调制器相比，所提出的架构提供了更紧凑的配置和高效的实现途径。因此，这项工作为TFLN光子电路上的耐偏振相位调制提供了一个有前景的器件概念，并可能促进在高吞吐量光通信、微波光子学和其他集成光子系统中的更广泛应用。

章节片段

结构与设计

我们设计了图1(a)所示的TFLN芯片，以验证所提出的准各向同性相位调制器架构；该芯片工作在C波段，基于300纳米X切片的TFLN平台。芯片采用了高度紧凑的配置，由两侧的调制电极和输入输出端的偏振旋转光斑尺寸转换器（PRSSCs）组成。芯片的整体工作原理如图所示。对于光纤耦合的输入光，TE₀

制造与表征

设计的TFLN芯片是在4英寸X切片TFLN晶圆（NANOLN）上制造的，晶圆具有300纳米厚的LN层、4.7微米厚的埋层二氧化硅层以及大约500微米厚的硅基底。使用电子束光刻定义了PRSSC图案，而直线波导则使用紫外光刻技术制作。通过电子束蒸发沉积了铬硬掩模，并通过标准剥离工艺形成之后，图案

结论

在本研究中，我们提出并实验验证了一种准各向同性相位调制器，解决了各向异性TFLN平台中长期存在的偏振处理与调制均匀性之间的权衡问题。通过在器件两端引入同时实现模式场转换和偏振旋转的绝热端口，直接实现了TE₀模式的调制。首先将TM₀模式高效转换为TE₁模式，在同一功能区域内进行调制

CRediT作者贡献声明

李新宇：撰写 – 原稿，概念构思。焦红臣：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。李文涛：软件，方法论。黄安旭：数据管理。张启玲：验证，资源协调。李庆远：可视化。刘恩潼：形式分析。冯迪：撰写 – 审稿与编辑。关晓伟：撰写 – 审稿与编辑。周振：项目管理。李建丽：撰写 – 审稿与编辑。冯丽双：监督。

资助

中国国家重点研发计划（2025YFF1500101）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

李新宇|焦红臣|李文涛|黄安旭|张启玲|李庆远|刘恩潼|冯迪|关晓伟|周振|李建丽|冯丽双