薄膜鈮酸鋰（TFLN）具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ驗(yàn)樗芡ㄟ^(guò)電壓進(jìn)行高速調(diào)制，與直接激光調(diào)制相比，它能使激光束掃描（LBS）具有更高的分辨率和更低的功耗。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要將基于薄膜鈮酸鋰的紅綠藍(lán)（RGB）多路復(fù)用器作為集成光路（PIC）的重要構(gòu)件。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，日本TDK公司的研究團(tuán)隊(duì)利用薄膜鈮酸鋰制造了一種RGB多路復(fù)用器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其工作性能。由多模干涉儀構(gòu)成的RGB多路復(fù)用器成功地將紅光（λ = 638nm）、綠光（λ = 520nm）、藍(lán)光（λ = 473nm）三種不同的激光耦合為單個(gè)激光束。此外，薄膜鈮酸鋰是通過(guò)濺射沉積工藝制備的，而傳統(tǒng)的方法則是通過(guò)將塊體鈮酸鋰粘附到襯底上制備的。濺射沉積的薄膜鈮酸鋰有利于大批量生產(chǎn)。上述研究成果以“Visible light red, green, and blue multiplexer by sputter-deposited thin-film lithium niobate”為題發(fā)表于Advanced Photonics Nexus期刊。
為了利用薄膜鈮酸鋰制造RGB多路復(fù)用器，研究團(tuán)隊(duì)選擇了多模干涉儀（MMI）。因其體積小、損耗低、帶寬寬、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，多模干涉儀已被廣泛應(yīng)用于紅外激光波導(dǎo)的濾波器、分光器、傳感器和耦合器。這一能力被擴(kuò)展至RGB多路復(fù)用器的設(shè)計(jì)中。
基于自成像理論，研究團(tuán)隊(duì)利用Photon Design 公司的FIMMWAVE軟件設(shè)計(jì)了RGB多路復(fù)用器。圖1顯示了由兩個(gè)多模干涉儀（MMI）構(gòu)成的RGB多路復(fù)用器示意圖。在此設(shè)計(jì)中，紅色和藍(lán)色光束在第一個(gè)MMI多路復(fù)用器上耦合，而綠色/紅色和藍(lán)色光束在第二個(gè)MMI多路復(fù)用器上耦合。自成像理論用于最大限度地減少耦合損耗。
圖1 基于濺射沉積的薄膜鈮酸鋰RGB多路復(fù)用器示意圖
為了使RGB多路復(fù)用器適配于可見(jiàn)光波段的鈮酸鋰調(diào)制器，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)層厚度（TLN）和板層厚度（Tslab）分別設(shè)定為0.7 μm和0.1 μm。
輸出效率通過(guò)調(diào)整多模干涉儀（MMI）波導(dǎo)的長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以盡量減少RGB波長(zhǎng)的MMI損耗和長(zhǎng)度。
不同于傳統(tǒng)的塊體鈮酸鋰（bulk-LN）鍵合工藝，本研究采用射頻濺射沉積法來(lái)制備RGB多路復(fù)用器。在濺射過(guò)程中，以Ar離子氣體對(duì)LiNbO?靶材進(jìn)行濺射，同時(shí)向?yàn)R射腔體中引入O?氣體。為了獲得結(jié)晶質(zhì)量好的薄膜鈮酸鋰，在沉積過(guò)程中將藍(lán)寶石（Al?O?）（001）晶向襯底加熱至650°C。隨后，利用物理Ar離子刻蝕技術(shù)制備出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)濺射工藝沉積二氧化硅（SiO?）作為包層材料。
圖2顯示了用于測(cè)量濺射沉積的薄膜鈮酸鋰RGB多路復(fù)用器的測(cè)量系統(tǒng)。“紅光、綠光、藍(lán)光”這三種可見(jiàn)光激光的波長(zhǎng)分別為“638 nm、520 nm、473 nm”。激光通過(guò)三通道光纖陣列耦合進(jìn)入RGB多路復(fù)用器，RGB多路復(fù)用器的輸出則通過(guò)100倍物鏡進(jìn)行觀察。使用中性密度濾光片和相機(jī)將物鏡獲取的圖像傳輸至個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。
圖2 RGB多路復(fù)用器測(cè)量系統(tǒng)示意圖
圖3展示了RGB多路復(fù)用器的截面圖像，該圖像通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）獲得。雖然鈮酸鋰波導(dǎo)的側(cè)壁存在輕微的不對(duì)稱現(xiàn)象，但其影響較小，對(duì)于對(duì)稱或非對(duì)稱波導(dǎo)而言，插入損耗（IL）均小于1%。這種不對(duì)稱性可能源于離子刻蝕過(guò)程中波導(dǎo)內(nèi)外側(cè)周邊的加工差異。
圖3 RGB多路復(fù)用器樣品示意圖
使用圖2所示的測(cè)量系統(tǒng)提取了輸出圖像和光功率。圖4展示了雙色和三色復(fù)用的輸出圖像。如圖4a所示，成功生成了由紅色和藍(lán)色組合而成的洋紅色。同樣地，如圖4b所示，由紅色和綠色組合而成的黃色也被成功生成；而綠色和藍(lán)色組合則產(chǎn)生了青色，如圖4c所示。因此，RGB多路復(fù)用器成功實(shí)現(xiàn)了洋紅、青色和黃色這三種由三原色組合而成的中間色。最后，通過(guò)將三原色光全部組合，如圖4d所示，成功生成了白光。圖5為色度圖，該圖顯示通過(guò)調(diào)節(jié)三個(gè)激光二極管（LD）中的電流，不僅可以生成上述中間色，還可以實(shí)現(xiàn)所有顏色的輸出。
圖4 組合激光通過(guò)RGB多路復(fù)用器生成的實(shí)驗(yàn)圖像（洋紅色、黃色、青色和白色）
圖5 由“紅光、綠光、藍(lán)光”三色激光通過(guò)RGB多路復(fù)用器所生成的色度圖
綜上所述，這項(xiàng)研究使用薄膜鈮酸鋰制造了一種RGB多路復(fù)用器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其工作性能。“紅光、綠光、藍(lán)光”三種不同的激光成功地通過(guò)該RGB多路復(fù)用器耦合為一束激光。因此，基于薄膜鈮酸鋰實(shí)現(xiàn)了一種有源集成光路（Active-PIC），相比于直接激光調(diào)制，該方案可實(shí)現(xiàn)更高速度和更低功耗的高分辨率激光束掃描。此外，通過(guò)濺射沉積制備的薄膜鈮酸鋰有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)。
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https://doi.org/10.1117/1.APN.4.5.056001
