铌酸锂电光长周期波导光栅
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Abstract This paper reviews the development of electro-optic (EO) long-period waveguide gratings (LPWG) on lithium niobate (LiNbO3). We first discuss the main difficulty of fabricating LPWGs on LiNbO3 and explain the principle and the method of forming a special LiNbO3 waveguide structure to overcome this difficulty. We then highlight the main findings from the study of EO LPWGs on LiNbO3, including the effects of using different cladding modes and waveguide parameters on the grating performance and the temperature sensitivity of the resonance wavelength. EO LPWG on LiNbO3 allows the grating strength and the resonance wavelength to be controlled effectively by the driving voltage and the temperature, respectively, and has the potential to be further developed into new dynamic optical filters and intensity modulators for high-speed applications. Our best sample demonstrated so far shows a grating strength of 25 dB at a driving voltage of 49 V and a thermally tunable resonance wavelength with a sensitivity of −1.0 nm/°C.
第 38 卷 第 5 期 2009年9月
电子科技大学学报 Journal of University of Electronic Science and Technology of China
Vol.38 No.5 Sep. 2009
铌酸锂电光长周期波导光栅
郑建成，金 伟，刘 晴
(香港城市大学电子工程学系 香港)
谱对比度超过25 dB[13]。
芯层
x z
ne(x=0)
包层
z
LiNbO3 基底
图1 带包层的铌酸锂条波导的剖面图 及非常光折射率ne的分布[13]
2 电光长周期波导光栅
2.1 器件制作 尽管二次交换产生的带包层的铌酸锂波导可以
满足长周期光栅的要求，但是由于质子交换造成材 料电光系数严重下降[16]，这种波导并不能直接用于 制作电光器件。为了恢复电光系数，使用一种逆向 质子交换(reverse proton exchange)技术[14]。所谓逆向 质子交换是指将已经完成质子交换的波导放入富含 锂离子的高温溶液中，让锂离子和波导中的质子交 换，从而使得HxLi1-xNbO3还原成为LiNbO3的过程。 通过逆向交换后的铌酸锂具有和基底材料几乎一样 的性质，包括折射率和电光系数[17-18]。前述的带包 层的波导经过逆向交换之后将在表面形成一逆向交 换薄层(RPE层)，从而实现了电光系数的恢复。另外 由于其较高的反应温度，逆向交换过程还将附带对 包层和芯层进行退火，这也有利于波导的电光系数 的恢复[16]。有时为了更有效地恢复电光系数，在逆 向交换之前也会对波导进行一次短时间的退火。
546
电子科技大学学报
第 38 卷
铝质叉指电极 SiO2 缓冲层
RPE 层 Fra Baidu bibliotek层平板波导
LiNbO3 基底
芯层
周期
波导
A B C
表2 铌酸锂波导的模式折射率
模式折射率的测量值(对应的光栅周期/µm)
TM0
TM1
TM2
TM3
2.1695 2.1535 (102) 2.1435 (60) 2.1380 (60)
当完成逆向交换之后，铌酸锂波导就可以用来 制作电光长周期光栅了。通常先要进行溅射镀膜来 制作一层二氧化硅(SiO2)缓冲层来隔离波导和电极 以降低光损耗，然后利用光刻技术在缓冲层上制作 周期性的电极。当电极上施加电压以后就会通过电 光效应产生长周期光栅。用这种方法制作的电光长 周期波导光栅的结构如图2所示。
2.1562 2.1432 (128) 2.1385 (60)
2.1571 2.1431 (116)
图2 电光长周期波导光栅的结构[14]
实验中使用的为Z切Y向传输铌酸锂波导。基底 尺寸是10mm×18mm×0.5mm(宽×长×高)，单面抛光。 用于质子交换的质子源为十八酸(stearic acid)，用于 逆向交换的Li离子源为十八酸和苯甲酸锂(lithium benzoate)按摩尔比7׃3组成的混合物。第二次交换所 用的条形掩膜窗口宽度为4 µm。SiO2缓冲层的厚度 为0.2 µm。电极为由铝薄膜蚀刻而成的叉指电极， 宽度为1 mm，长度为10 mm或12 mm。这样制作的 电极如图3所示，1 mm宽的电极覆盖了多条波导。
波导的位置
周期
图3 在铌酸锂波导上的铝质叉指电极[14]
本文共制作了 3 块波导样品，分别标示为A、B 和C。其制作参数如表 1 所示。Z切质子交换波导只 支持TM模式的光传输。当铌酸锂波导完成逆向交换 之后，其模式折射率可以通过棱镜耦合系统来测量 [19-20]。测量结果如表 2 所示。根据测量得到的模式 折射率以及相位匹配条件，可以确定光栅的周期。
所谓质子交换就是把铌酸锂浸入酸液中在高温 下 ， 让 酸 中 的 质 子 (H+) 交 换 出 锂 离 子 (Li+) ， 形 成 HxLi1-xNbO3结构, 从而在铌酸锂表面形成一波导 层。交换后的铌酸锂质子浓度较高，致使它的非常 光折射率提高，其剖面分布近乎阶跃型。经退火处 理后，质子进一步向基底扩散，表面非常光折射率 下降, 折射率剖面分布梯度变缓以及波导的深度增 加。波导的非常光折射率的增加量和质子浓度成正 比例关系[15]。基于此，可以通过调整波导内的质子 浓度来调整非常光折射率的分布，从而制作出长周 期波导光栅所必需的包层结构。其制作思路如下： 首先在铌酸锂基底上进行第一次质子交换，然后进 行退火处理，制作一个平板波导，其非常光折射率 比基底要高但是比退火前要低。最后利用镀膜和光 刻技术在波导表面制作一层金属掩膜，通过掩膜形 成的多条条形窗口可以控制质子交换的区域。这样 经过第二次质子交换之后，可以局部再次提高波导 的质子浓度从而提高其非常光折射率，进而在原来
和谐振波长可分别由电压和温度调控，使该器件能进一步开发成为新型高速动态光滤波器或调制器。目前在最佳样品中实现
25 dB光栅强度调控所需的驱动电压不超过49 V，其谐振波长的温度灵敏度为−1.0 nm/°C。
关 键 词 电光效应; 铌酸锂; 长周期光栅; 光波导; 光波导光栅; 光滤波器
中图分类号 O43
1 铌酸锂长周期波导光栅
长周期光栅的工作原理是基于芯层光和包层光 的耦合，因此，适当的包层结构对于长周期波导光 栅器件来说是必不可少的[4]。然而，通常的铌酸锂 光波导的制作方法，如钛扩散和质子交换法，都只 能在铌酸锂基底上制作出芯层而没有包层[12]。不仅 如此，由于铌酸锂的光折射率比较高且芯层和基底 之间的折射率之差很小，实际上很难找到一种折射 率匹配的材料来制作包层。因此，寻找一种方法来 制作带包层的铌酸锂光波导成为制作电光长周期波 导光栅的关键。也许正是这一困难使得在铌酸锂上 制作长周期波导光栅器件长时间未得到突破。为了 解决这一问题，文献[13]提出一种二次质子交换的新 方法制作出带包层的铌酸锂条波导。下面简要介绍 二次质子交换的实验原理和方法。
Key words electro-optic effect; LiNbO3; long-period grating; optical waveguide; optical waveguide grating; optical filter
光栅是一种基本的选择波长的光学元件，用光 纤或光波导制作的光栅在光通信和光传感领域有广 泛的应用。光栅可以分为周期小于1 µm的布拉格光 栅和周期长达100 µm量级的长周期光栅[1]。布拉格 光栅能够将特定波长(布拉格波长)的光反射，是窄带 滤波器；而长周期光栅却能够将特定波长(谐振波长) 的光从光纤或光波导的芯层耦合到包层，使输出的 光谱出现抑制带，实现宽带的带阻功能。用光纤制 作长周期光栅特别容易，而且长周期光纤光栅具有 低损耗、低反射和连接方便等优点，因此，以长周 期光纤光栅为基础的器件发展很快，现已广泛用作 光滤波器、增益均衡器和光传感器等[2-3]。可是，长 周期光纤光栅器件由于受光纤的材料和结构限制， 功能比较局限，难以实现温度调制、电调制等有源
文献标识码 A
doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2009.05.008
Electro-Optic Long-Period Gratings on Lithium Niobate Waveguides
CHIANG Kin Seng, JIN Wei, and LIU Qing
(Department of Electronic Engineering, City University of Hong Kong Hong Kong)
控制。为了突破这些局限，用波导代替光纤制作长 周期光栅是一种理想的解决办法[4]。
经过多年的发展，长周期波导光栅已经在聚合 物、玻璃、半导体等多种材料制作的各种结构的光 波导上实现[5-11]。长周期波导光栅可以利用材料选择 和结构设计上的灵活性，制成各种利用热光效应的 温度控制器件，如光滤波器[5-7]、光耦合器[8]及动态 光衰减器等[9-10]。这些器件具有可调范围大、灵敏度 高等优点，但调控速度缓慢。为了开发高速调控的 长周期波导光栅器件，必须利用高速效应，如电光 效应。铌酸锂(LiNbO3)是目前最成熟的电光材料[12]。 如果能用铌酸锂制作出电光长周期波导光栅，便有 望开发新一代的长周期光栅器件，促进高速光信号 处理的发展。
【摘要】该文对用铌酸锂制作电光长周期波导光栅的研究进展进行了综述。讨论了用铌酸锂制作长周期光栅的难点，介
绍了解决此难点所用的特殊铌酸锂波导的制作原理和方法，再重点论述了对铌酸锂电光长周期波导光栅的研究，包括包层模
阶数、铌酸锂波导的结构参数对光栅性能的影响以及光栅的谐振波长的温度灵敏度。研究表明铌酸锂长周期波导光栅的强度
平面波导里形成更高折射率的条形波导。这一条形
波导可以作为芯层，而通过退火形成的平板波导则
可以作为长周期波导光栅所必需的包层。利用这种
二次交换制作的波导剖面图及其非常光折射率ne的 分布如图1所示。这种波导能提供长周期光栅所必需
的包层结构，实验证明通过在其表面引入用光刻胶
做成的周期结构可以制作长周期波导光栅，其透射
收稿日期： 2009 − 06 − 23 基金项目：香港特别行政区研究基金委员会项目(CityU 111907) 作者简介：郑建成(1957 − )，男，博士，电子科技大学长江学者讲座教授，主要从事光纤、光波导技术方面的研究.
第5期
郑建成 等: 铌酸锂电光长周期波导光栅
545
用铌酸锂制作长周期波导光栅有特殊的难点， 主要是长周期波导光栅所要求的波导结构与传统的 铌酸锂波导结构很不一样。为了解决这个难题，本 文提出了一种二次质子交换的方法在铌酸锂基底上 制作所需的波导结构，首先用实验证明了用铌酸锂 制作长周期光栅的可行性[13]。再进而解决了一系列 由制作方法衍生出来的技术问题，成功演示了用铌 酸锂制作的电光长周期波导光栅[14]。本文综述这些 研究工作的主要成果，并讨论我们最新的研究进展。
第 38 卷 第 5 期 2009年9月
电子科技大学学报 Journal of University of Electronic Science and Technology of China
Vol.38 No.5 Sep. 2009
铌酸锂电光长周期波导光栅
郑建成，金 伟，刘 晴
(香港城市大学电子工程学系 香港)
谱对比度超过25 dB[13]。
芯层
x z
ne(x=0)
包层
z
LiNbO3 基底
图1 带包层的铌酸锂条波导的剖面图 及非常光折射率ne的分布[13]
2 电光长周期波导光栅
2.1 器件制作 尽管二次交换产生的带包层的铌酸锂波导可以
满足长周期光栅的要求，但是由于质子交换造成材 料电光系数严重下降[16]，这种波导并不能直接用于 制作电光器件。为了恢复电光系数，使用一种逆向 质子交换(reverse proton exchange)技术[14]。所谓逆向 质子交换是指将已经完成质子交换的波导放入富含 锂离子的高温溶液中，让锂离子和波导中的质子交 换，从而使得HxLi1-xNbO3还原成为LiNbO3的过程。 通过逆向交换后的铌酸锂具有和基底材料几乎一样 的性质，包括折射率和电光系数[17-18]。前述的带包 层的波导经过逆向交换之后将在表面形成一逆向交 换薄层(RPE层)，从而实现了电光系数的恢复。另外 由于其较高的反应温度，逆向交换过程还将附带对 包层和芯层进行退火，这也有利于波导的电光系数 的恢复[16]。有时为了更有效地恢复电光系数，在逆 向交换之前也会对波导进行一次短时间的退火。
546
电子科技大学学报
第 38 卷
铝质叉指电极 SiO2 缓冲层
RPE 层 Fra Baidu bibliotek层平板波导
LiNbO3 基底
芯层
周期
波导
A B C
表2 铌酸锂波导的模式折射率
模式折射率的测量值(对应的光栅周期/µm)
TM0
TM1
TM2
TM3
2.1695 2.1535 (102) 2.1435 (60) 2.1380 (60)
当完成逆向交换之后，铌酸锂波导就可以用来 制作电光长周期光栅了。通常先要进行溅射镀膜来 制作一层二氧化硅(SiO2)缓冲层来隔离波导和电极 以降低光损耗，然后利用光刻技术在缓冲层上制作 周期性的电极。当电极上施加电压以后就会通过电 光效应产生长周期光栅。用这种方法制作的电光长 周期波导光栅的结构如图2所示。
2.1562 2.1432 (128) 2.1385 (60)
2.1571 2.1431 (116)
图2 电光长周期波导光栅的结构[14]
实验中使用的为Z切Y向传输铌酸锂波导。基底 尺寸是10mm×18mm×0.5mm(宽×长×高)，单面抛光。 用于质子交换的质子源为十八酸(stearic acid)，用于 逆向交换的Li离子源为十八酸和苯甲酸锂(lithium benzoate)按摩尔比7׃3组成的混合物。第二次交换所 用的条形掩膜窗口宽度为4 µm。SiO2缓冲层的厚度 为0.2 µm。电极为由铝薄膜蚀刻而成的叉指电极， 宽度为1 mm，长度为10 mm或12 mm。这样制作的 电极如图3所示，1 mm宽的电极覆盖了多条波导。
波导的位置
周期
图3 在铌酸锂波导上的铝质叉指电极[14]
本文共制作了 3 块波导样品，分别标示为A、B 和C。其制作参数如表 1 所示。Z切质子交换波导只 支持TM模式的光传输。当铌酸锂波导完成逆向交换 之后，其模式折射率可以通过棱镜耦合系统来测量 [19-20]。测量结果如表 2 所示。根据测量得到的模式 折射率以及相位匹配条件，可以确定光栅的周期。
所谓质子交换就是把铌酸锂浸入酸液中在高温 下 ， 让 酸 中 的 质 子 (H+) 交 换 出 锂 离 子 (Li+) ， 形 成 HxLi1-xNbO3结构, 从而在铌酸锂表面形成一波导 层。交换后的铌酸锂质子浓度较高，致使它的非常 光折射率提高，其剖面分布近乎阶跃型。经退火处 理后，质子进一步向基底扩散，表面非常光折射率 下降, 折射率剖面分布梯度变缓以及波导的深度增 加。波导的非常光折射率的增加量和质子浓度成正 比例关系[15]。基于此，可以通过调整波导内的质子 浓度来调整非常光折射率的分布，从而制作出长周 期波导光栅所必需的包层结构。其制作思路如下： 首先在铌酸锂基底上进行第一次质子交换，然后进 行退火处理，制作一个平板波导，其非常光折射率 比基底要高但是比退火前要低。最后利用镀膜和光 刻技术在波导表面制作一层金属掩膜，通过掩膜形 成的多条条形窗口可以控制质子交换的区域。这样 经过第二次质子交换之后，可以局部再次提高波导 的质子浓度从而提高其非常光折射率，进而在原来
和谐振波长可分别由电压和温度调控，使该器件能进一步开发成为新型高速动态光滤波器或调制器。目前在最佳样品中实现
25 dB光栅强度调控所需的驱动电压不超过49 V，其谐振波长的温度灵敏度为−1.0 nm/°C。
关 键 词 电光效应; 铌酸锂; 长周期光栅; 光波导; 光波导光栅; 光滤波器
中图分类号 O43
1 铌酸锂长周期波导光栅
长周期光栅的工作原理是基于芯层光和包层光 的耦合，因此，适当的包层结构对于长周期波导光 栅器件来说是必不可少的[4]。然而，通常的铌酸锂 光波导的制作方法，如钛扩散和质子交换法，都只 能在铌酸锂基底上制作出芯层而没有包层[12]。不仅 如此，由于铌酸锂的光折射率比较高且芯层和基底 之间的折射率之差很小，实际上很难找到一种折射 率匹配的材料来制作包层。因此，寻找一种方法来 制作带包层的铌酸锂光波导成为制作电光长周期波 导光栅的关键。也许正是这一困难使得在铌酸锂上 制作长周期波导光栅器件长时间未得到突破。为了 解决这一问题，文献[13]提出一种二次质子交换的新 方法制作出带包层的铌酸锂条波导。下面简要介绍 二次质子交换的实验原理和方法。
Key words electro-optic effect; LiNbO3; long-period grating; optical waveguide; optical waveguide grating; optical filter
光栅是一种基本的选择波长的光学元件，用光 纤或光波导制作的光栅在光通信和光传感领域有广 泛的应用。光栅可以分为周期小于1 µm的布拉格光 栅和周期长达100 µm量级的长周期光栅[1]。布拉格 光栅能够将特定波长(布拉格波长)的光反射，是窄带 滤波器；而长周期光栅却能够将特定波长(谐振波长) 的光从光纤或光波导的芯层耦合到包层，使输出的 光谱出现抑制带，实现宽带的带阻功能。用光纤制 作长周期光栅特别容易，而且长周期光纤光栅具有 低损耗、低反射和连接方便等优点，因此，以长周 期光纤光栅为基础的器件发展很快，现已广泛用作 光滤波器、增益均衡器和光传感器等[2-3]。可是，长 周期光纤光栅器件由于受光纤的材料和结构限制， 功能比较局限，难以实现温度调制、电调制等有源
文献标识码 A
doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2009.05.008
Electro-Optic Long-Period Gratings on Lithium Niobate Waveguides
CHIANG Kin Seng, JIN Wei, and LIU Qing
(Department of Electronic Engineering, City University of Hong Kong Hong Kong)
控制。为了突破这些局限，用波导代替光纤制作长 周期光栅是一种理想的解决办法[4]。
经过多年的发展，长周期波导光栅已经在聚合 物、玻璃、半导体等多种材料制作的各种结构的光 波导上实现[5-11]。长周期波导光栅可以利用材料选择 和结构设计上的灵活性，制成各种利用热光效应的 温度控制器件，如光滤波器[5-7]、光耦合器[8]及动态 光衰减器等[9-10]。这些器件具有可调范围大、灵敏度 高等优点，但调控速度缓慢。为了开发高速调控的 长周期波导光栅器件，必须利用高速效应，如电光 效应。铌酸锂(LiNbO3)是目前最成熟的电光材料[12]。 如果能用铌酸锂制作出电光长周期波导光栅，便有 望开发新一代的长周期光栅器件，促进高速光信号 处理的发展。
【摘要】该文对用铌酸锂制作电光长周期波导光栅的研究进展进行了综述。讨论了用铌酸锂制作长周期光栅的难点，介
绍了解决此难点所用的特殊铌酸锂波导的制作原理和方法，再重点论述了对铌酸锂电光长周期波导光栅的研究，包括包层模
阶数、铌酸锂波导的结构参数对光栅性能的影响以及光栅的谐振波长的温度灵敏度。研究表明铌酸锂长周期波导光栅的强度
平面波导里形成更高折射率的条形波导。这一条形
波导可以作为芯层，而通过退火形成的平板波导则
可以作为长周期波导光栅所必需的包层。利用这种
二次交换制作的波导剖面图及其非常光折射率ne的 分布如图1所示。这种波导能提供长周期光栅所必需
的包层结构，实验证明通过在其表面引入用光刻胶
做成的周期结构可以制作长周期波导光栅，其透射
收稿日期： 2009 − 06 − 23 基金项目：香港特别行政区研究基金委员会项目(CityU 111907) 作者简介：郑建成(1957 − )，男，博士，电子科技大学长江学者讲座教授，主要从事光纤、光波导技术方面的研究.
第5期
郑建成 等: 铌酸锂电光长周期波导光栅
545
用铌酸锂制作长周期波导光栅有特殊的难点， 主要是长周期波导光栅所要求的波导结构与传统的 铌酸锂波导结构很不一样。为了解决这个难题，本 文提出了一种二次质子交换的方法在铌酸锂基底上 制作所需的波导结构，首先用实验证明了用铌酸锂 制作长周期光栅的可行性[13]。再进而解决了一系列 由制作方法衍生出来的技术问题，成功演示了用铌 酸锂制作的电光长周期波导光栅[14]。本文综述这些 研究工作的主要成果，并讨论我们最新的研究进展。