射频反应溅射氧化铌薄膜的电致变色性能研究

采用射频反应溅射法成功地制备了非晶态氧化铌薄膜,研究了它们的电致变色性能.这些薄膜在漂白态透明无色,而着色态则为灰褐色.循环伏安测试结果表明该薄膜具有良好的稳定性和很好的锂离子注入/抽出性能.550nm处的着色效率为16.68cm2/C,在可见光区透过率调制幅度为20%～30%.结合X光电子能谱(XPS)分析可以认为氧化铌薄膜的电致变色现象是由于锂离子和电子的共同注入与抽出,导致薄膜中的铌离子发生Nbv和NbIV间的可逆氧化、还原反应引起的.

用直流溅射工艺制备的氧化铌薄膜的性能

采用直流反应溅射工艺制备了氧化铌（Nb2O5）薄膜,用XRD、AFM、AES和循环伏安等测试手段分析并研究了薄膜的组成、结构、表面形貌和电致变色性能间的关系. 结果表明:在基底加热条件下可获得晶态 TT-Nb2O5薄膜,沉积气压较高时的薄膜具有沿（100）面定向生长、结构相对较为疏松的柱状结构,这种薄膜具有良好的电化学稳定性,锂离子注入/抽出可逆性好,并具有灰色变色特性,在可见区（波长600nm）的透过率调制幅度为35％.

甲醇、水及乙烯在氧化铌薄膜上吸附行为研究

由Nb（110）氧化制得均匀的氧化铌薄膜，用紫外光电子能谱表征了在不同温度下，甲醇、水及乙烯在该薄膜上的吸附行为．结果表明，在氧化铌表面吸附甲醇、水和乙烯，在140K时，是非解离吸附，一般由化学吸附到物理吸附．在室温时都发生解离吸附．表面缺陷位活性最强，不仅优先被吸附，而且对吸附质的影响也比较大．氧化铌薄膜表面的Nb5+是主要吸附中心，但表面气离子也是一种吸附位．

衬底温度对铌薄膜组织结构及界面结合性能的影响

为获得组织结构及界面结合性能优异的铌薄膜,采用直流偏压二极溅射技术在无氧铜表面溅射制备铌薄膜,借助SEM、AFM、XPS、划痕仪等分析衬底温度对膜层组织结构和界面结合能力的影响。结果表明:随衬底温度的提高,铌薄膜表面的颗粒尺寸增大,表面粗糙度由Ra 27.6 nm增加到Ra 65.3 nm,薄膜厚度从2.832μm增加到6.021μm。随衬底温度的提高,氧化现象减弱,衬底温度在400℃条件下制备的膜层中氧含量最低,仅占7.47%,膜层中仅有轻微的氧化现象,说明溅射所制备的铌薄膜纯度较高,膜层中的杂质含量少。衬底温度改变时,铌薄膜与基体的界面结合能力没有发生明显的变化,界面结合强度均高于50 N。

PVP对还原氮化法合成氮化铌薄膜结构与性能影响研究

本文以五氯化铌为前驱体原料,以无水乙醇为氧供体,首先通过溶胶-凝胶法制备出五氧化二铌溶胶,引入成膜助剂PVP得到镀膜溶液,在石英基片上镀膜制备出前驱体薄膜,利用还原氮化技术合成出氮化铌薄膜。利用XRD、SEM和UVVIS-NIR和四探针测试仪等测试手段,研究了PVP分子量及其用量对氮化铌薄膜微观结构及性能的影响。结果表明:当PVP用量为0.5 g,分子量为130万时,薄膜中物相为Nb_4N_5,薄膜基本无开裂,表面光滑,在250~550 nm范围内有一个明显的透过带,可见光透过率较大,方块电阻为500Ω/□。

美国海军研究实验室制备出氮化铌薄膜

美国海军研究实验室（NRL）已经证明能够生长过渡金属氮化物Nb2N（氮化铌）薄膜。该薄晶体材料具有与氮化镓（GaN）相似的结构，但其电学和物理性质却显着不同。

基于薄膜铌酸锂的微波光子雷达芯片

微波光子雷达拥有分辨率高、处理速度快、同时多波段、多功能等优势,在航天系统中具有广阔的应用前景。为了满足航天应用对雷达系统体积、质量和功耗的严格要求,集成化已经成为微波光子雷达的重要发展方向。介绍了一款基于薄膜铌酸锂的微波光子雷达芯片,利用该芯片实现了雷达发射信号倍频产生和回波信号去斜接收,并对距离天线不同位置的目标进行了测距实验,得到的测量距离与实际距离基本相同,两者之间的误差小于4 mm。

晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征

随着光子集成和光通信技术的快速发展,低损耗波导是实现高效光子传输的关键元件,其性能直接影响整个集成芯片的性能。因此,低损耗波导的制备技术是当前铌酸锂集成光子技术研究的热点和难点。本研究针对晶圆级低损耗薄膜铌酸锂波导的制备工艺进行了深入研究,在4英寸的薄膜铌酸锂晶圆上,基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,成功制备出了传输损耗低于0.15 dB/cm的波导,同时刻蚀深度误差控制在10%以内,极大地提高了波导结构的精确度。此外,本研究还提出了一种基于微环谐振腔的晶圆上波导损耗的表征方案,能更精确地评估波导性能。通过测试,发现所制备的波导合格率超过85%,显示出良好的可重复性和可靠性。本文中发展的晶圆级薄膜铌酸锂加工工艺,对推进铌酸锂波导的大规模制备和应用具有重要意义。

低损耗薄膜铌酸锂光集成器件的研究进展

近年来得益于薄膜铌酸锂晶圆离子切片技术和低损耗微纳刻蚀工艺的飞速发展,薄膜铌酸锂光集成结构提供了光场紧束缚、快速电光调谐、高效频率转换和声光转换的空前能力,各种高性能的薄膜铌酸锂光集成器件不断涌现,且朝着大规模光集成芯片的方向迅猛发展,为高速信息处理、精密测量、量子信息、人工智能等重要应用提供了全新的发展动力。本文主要围绕铌酸锂晶体发展历史、薄膜铌酸锂离子切片技术发展历程、极低损耗微纳刻蚀技术演化进程,以及高性能的薄膜铌酸锂光集成器件进展进行总结,并展望了未来的发展趋势。

薄膜铌酸锂集成非线性光学:走向全光信息时代的新路径

光芯片的强大信息处理能力令人期待,而集成光子学是光芯片的基础。铌酸锂号称“光学硅”,是一种综合性能优异的多功能晶体材料。新兴的薄膜铌酸锂解决了传统铌酸锂基光学集成的重大难题,为现有集成光子学器件发展提供了新的爆发点,也为非线性光学的研究和应用提供了良好的平台,有望实现高效的片上全光信息处理。文章将介绍薄膜铌酸锂平台上非线性光学相关的最新重要突破和进展,并简述集成非线性光学如何助推未来光子学革命。

适温离子交换掺铒铌酸锂薄膜的制备研究

本文通过制备KNO_(3)和Er(NO_(3))_(3)熔融混合物,将其与铌酸锂薄膜在高温管式炉中混合进行适温热扩散,并结合退火工艺,发明了一种直接在铌酸锂薄膜上掺杂Er^(3+)的方法。通过不断变换热扩散温度、掺杂试剂浓度比例和晶体切向等参数,用控制变量法探究了不同参数对适温离子交换法掺杂Er^(3+)效果的影响,在热扩散和退火温度360℃及KNO_(3)和Er(NO_(3))_(3)质量比25∶1的参数设置下获得了表面形貌较佳的Z切掺铒铌酸锂薄膜。通过飞行时间二次离子质谱仪并利用已知掺杂浓度的薄膜进行定标,检测了所获得的掺铒铌酸锂薄膜中的Er^(3+)浓度情况,对所采用适温离子交换法的有效性进行了验证。这一方法大幅简化了铌酸锂薄膜掺杂的工艺,同时节约了成本,有助于后续在铌酸锂薄膜平台上实现分区掺杂的工作,为未来定制化铌酸锂光子集成平台的搭建提供参考。

基于有限元分析法的激光退火铜基铌薄膜温度场模拟

铜基铌薄膜腔是一种基于纯铌腔发展而来的射频超导腔。新型铜基铌薄膜腔具有与纯铌腔相似的射频超导性能,同时具备经济性、机械稳定性和热稳定性等方面的优势,因此在射频超导领域具有广泛的应用前景。然而,铜基铌薄膜腔的表面缺陷会引起额外的射频损耗,需要在投入使用前进行表面后处理以消除表面缺陷。纳秒级高功率脉冲激光浅退火是一种新兴的腔体表面处理技术,使用峰值功率流密度超过100 MW/cm2的高功率、短脉冲激光局部再结晶表面,可以减小材料表面粗糙度,增大晶粒尺寸并消除部分表面缺陷,以期获得更好的射频性能。目前,在这方面选择的激光器主要是具有高峰值功率的固体激光器,其平均功率非常低,在实际内壁表面积为m2级的超导腔体上不具有实际应用意义。为解决此问题,中国科学院近代物理研究所表面处理研究团队基于一台功率达kW级的纳秒脉冲光纤激光器建立了实用化的整腔激光处理系统。根据该系统的参数,利用有限元分析法模拟研究了接近实际工况下材料表层与内部的温度分布,并结合材料性质模拟了纯铌材料激光表面处理的效果。这项研究初步证实了使用纳秒级脉冲激光对超导腔内壁进行完整的退火处理是可行的,为实现更好的射频超导性能提供了有效的方法。

薄膜铌酸锂反向锥形端面耦合器

薄膜铌酸锂波导与单模光纤在模场尺寸上存在很大差异,模场失配严重,导致两者直接耦合的效率低下。针对薄膜铌酸锂波导与超高数值孔径(ultra-high numerical aperture, UHNA)光纤的端面耦合问题,基于时域有限差分(finite difference time domain, FDTD)法优化设计了反向锥形端面耦合器的结构参数,仿真实现了薄膜铌酸锂矩形波导与UHNA光纤的高效耦合。利用电子束曝光、电感耦合等离子体刻蚀等工艺,制备了反向锥形耦合器,设计并建立了端面耦合测试平台,完成了反向锥形耦合器的性能测试。实验结果表明,反向锥形耦合器近场输出光斑在水平和垂直方向的模场直径分别为3.3和3.6μm,水平和垂直方向的3 dB对准容差分别为3.0和3.2μm,单端插入损耗为6.24 dB/面,表明设计制作的反向锥形耦合器具有较好的耦合性能。该研究为大容量、高速率的集成光子器件与光纤之间的耦合提供了高耦合效率的光接口方案。

铌酸锂薄膜高速电光开关的设计与制备

基于硅基铌酸锂薄膜(Lithium Niobate on insulator,LNOI)材料平台,设计并制备了高速电光开关芯片,并实现了芯片的光纤耦合、管壳封装和性能测试。测试结果表明,该高速电光开关器件的开关速度达到13.4 ns,消光比达到31.8 dB。研究工作对未来研制光学延时芯片和波束形成网络芯片具有重要的支撑意义。

高效铌酸锂薄膜波导模斑转换器设计

铌酸锂薄膜光子集成技术在高速光电子领域不断凸显,被广泛用于各种片上功能实现,如电光调制、光频梳、滤波器、非线性光学频率转换器、非线性量子光源、激光器等。在铌酸锂薄膜光子集成技术发展过程中,目前面临的一个重要的技术瓶颈就是铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤的高效耦合。针对这一问题,设计了一种基于SiO_(2)、SiON锥形结构以及双层铌酸锂锥形结构的模斑转换器,实现铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤之间模式和能量的高效传递与转换。采用三维有限差分光束传播法对器件结构进行了模拟仿真,并优化了结构参数,可实现与铌酸锂薄膜波导与单模光纤的高效耦合,耦合效率在82.2%~89.0%之间,同时,得到了±1.8μm光纤耦合对准容差,可为下一步制备出高效耦合的铌酸锂薄膜光子器件提供参考。

基于铌酸锂薄膜波导的电光调谐光栅辅助定向耦合器研究

提出并实验研究了一种基于铌酸锂薄膜光波导的电光调谐的光栅辅助定向耦合器。该耦合器由单模与双模脊形波导及制作于双模波导侧壁的长周期光栅构成。长周期光栅的引入补偿了单模与双模波导中基模的相位失配,可在共振波长实现两波导中基模的高效耦合。进一步地,在双模脊形波导两侧制作调谐电极实现了高速、低驱动电压的电光调谐功能。优化了器件的制作工艺,并采用单次干法刻蚀将耦合器的光栅与波导同步制作于X切铌酸锂薄膜上。测试结果表明所制作的器件在1595.3 nm波长处实现了14.8 dB的隔离度,其电光调谐效率为0.38 nm/V(1595.3 nm~1599.0 nm),热光调谐效率为0.14 nm/℃(25℃~50℃)。该器件可用于实现可调谐滤波、滤模、电光调制及高灵敏度温度传感等功能。

铌酸锂薄膜波导上二次谐波产生中的色散分析

基于绝缘体上铌酸锂平台,设计了周期极化的铌酸锂薄膜波导结构,利用铌酸锂良好的非线性性质并结合灵活的相位匹配方案,分析了结构色散对极化周期的影响。此外,借助波导模式有效折射率随温度变化的不同,通过改变材料温度,有效扩展了频率转换的带宽,实现了1.5~1.6μm范围内的倍频,最终获得562%的归一化转换效率,为芯片光子学参量转换的进一步研究提供了理论基础。

基于薄膜铌酸锂的模式色散相位匹配单光子源

薄膜铌酸锂光学芯片因低损耗、高非线性系数及高电光调制带宽等特性,有望成为开展集成光学量子信息研究的理想实验平台.然而,到目前为止,基于薄膜铌酸锂的单光子源普遍采用周期性极化准相位匹配技术,该技术要求精确地制备电极并对铌酸锂波导进行周期性极化,工艺复杂且对加工精度要求较高.本文提出了一种基于模式色散相位匹配的薄膜铌酸锂单光子源器件.该器件无需制作电极,具备加工简便和集成度更高的优势,同时单光子产率可达3.8×10^(7)/(s·mW),能够满足光学量子信息处理的需求.此器件有望替代传统准相位匹配单光子源,进一步推动基于薄膜铌酸锂芯片的光学量子信息研究的发展.

多通道薄膜铌酸锂阵列波导光栅研制

基于薄膜铌酸锂材料平台,通过开发金属掩膜与ICP刻蚀相结合的波导制备工艺,研制出了8通道且通道间隔400 GHz的阵列波导光栅,器件整体尺寸为1.28 mm×1.38 mm。测试结果表明,该阵列波导光栅的串扰小于-15 dB,通道非均匀性小于0.5 dB。该器件为薄膜铌酸锂基波分复用技术积累了研制经验,并有望推进多通道微波光子模块的小型化应用。

亚波长铌酸锂薄膜导模共振结构设计及二次谐波转化效率优化

基于亚波长铌酸锂薄膜刻蚀导模共振超表面结构,理论模拟了超表面结构的光学响应特性,探讨了刻蚀微纳结构的周期、填充因子和刻蚀深度等参量对透射光谱的影响,同时研究了不同偏振态和入射角度的光源对光谱线宽的作用;利用非对称的光栅结构设计,使连续谱中的束缚态(bound states in the continuum,BIC)衰退为高Q值(>10000)的准BIC模式;利用束缚态的局域场增强效应,将亚波长铌酸锂薄膜的二次谐波转化效率提升了5个数量级.模拟结果表明,当入射基频波的峰值功率密度在约1 GW/cm2量级时,可实现紫外波段二次谐波高效转化,即单次穿过亚波长铌酸锂薄膜后,出射的紫外波段二次谐波转化效率高达10–3量级.这为提升微纳结构、光学表界面体系的非线性响应特性提供了思路和设计方案.