Зависимость оптических потерь от толщины буферного слоя между волноводом из тонкопленочного ниобата лития и металлическим электродом

Исследованы оптические потери в области пересечения изготовленного из золота электрода и оптического волновода из тонкопленочного ниобата лития. Снизить поглощение оптического излучения в волноводе, вызванное слоем золота, возможно путем подбора толщины буферного слоя. С использованием метода конечных элементов и численных методов Мюллера и Ньютона–Рафсона определена зависимость оптических потерь в волноводе от толщины буферного слоя. Показано, что при изменении толщины буферного слоя от нуля до одного микрометра величина оптических потерь в области пересечения волновода и электрода уменьшается с 6·10² до 10^–3 дБ/см для фундаментальной TM-моды и с 10² до 10^–3 дБ/см — для фундаментальной TE-моды. Корректность расчета подтверждается согласованностью данных, полученных тремя разными методами. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании функциональных элементов фотонных интегральных схем (фазовые, амплитудные модуляторы и др.) с минимальными оптическими потерями, обусловленными поглощением изготовленных из золота электродов.

1. Козлов А., Салгаева У., Журавлев В., Волынцев А. Исследование кинетики реактивного ионного травления тонкопленочного ниобата лития во фторсодержащей плазме // Вестник Пермского университета. Физика. 2024. № 1. С. 56–71. DOI: 10.17072/1994-3598-2024-1-56-71.

2. Deng C., Lu M., Sun Y. et al. Broadband and compact polarization beam splitter in LNOI hetero-anisotropic metamaterials // Optics Express. 2021. Vol. 29, N 8. P. 11627–11634. DOI: 10.1364/OE.421262.

3. Gong Z., Yin R., Ji W. et al. Optimal design of DC-based polarization beam splitter in lithium niobate on insulator // Optics Communications. 2017. Vol. 396. P. 23–27. DOI: 10.1016/j.optcom.2017.03.028.

4. Gao R., Yao N., Guan J. et al. Lithium niobate microring with ultra-high Q factor above 108 // Chinese Optics Letters. 2022. Vol. 20, N 1. P. 011902. DOI: 10.3788/COL202220.011902.

5. Siew S. Y., Saha S. S., Tsang M. et al. Rib Microring Resonators in Lithium Niobate on Insulator // IEEE Photonics Technology Letters. 2016. Vol. 28, N 5. P. 573–576. DOI: 10.1109/OMN.2015.7288825.

6. Gong Z., Ji W., Yin R. et al. Tunable Microwave Photonic Filter Based on LNOI Polarization Beam Splitter and Waveguide Grating // IEEE Photonics Technology Letters. 2020. Vol. 32, N 13. P. 787–790. DOI: 10.1109/LPT.2020.2995607.

7. Xu M., He M., Zhang H. et al. High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform // Nature Communications. 2020. Vol. 11, N 1. P. 3911. DOI: 10.1038/s41467-020-17806-0.

8. Pan B.-C., Liu H.-X., Xu H.-C. et al. Ultra-compact lithium niobate microcavity electro-optic modulator beyond 110 GHz // Chip. 2022. Vol. 1, N 4. P. 100029. DOI: 10.1016/j.chip.2022.100029.

9. Zhou J.-X., Gao R.-H., Lin J. et al. Electro-optically switchable optical true delay lines of meter-scale lengths fabricated on lithium niobate on insulator using photolithography assisted chemo-mechanical etching // Chinese Physics Letters. 2020. Vol. 37, N 8. P. 084201. DOI: 10.1088/0256-307x/37/8/084201.

10. Boes A., Corcoran B., Chang L. et al. Status and Potential of Lithium Niobate on Insulator (LNOI) for Photonic Integrated Circuits // Laser Photonics Reviews. 2018. Vol. 12, N 4. P. 1700256. DOI: 10.1002/lpor.201700256.

11. Li T., Liu Z., Pan A. et al. QAM signal with electric field sensor based on thin film lithium niobate // Chinese Optics Letters. 2023. Vol. 21, N 12. P. 120041. DOI: 10.3788/COL202321.120041.

12. Naznin S., Sher Md. S. M. Design of a lithium niobate-on-insulator-based optical microring resonator for biosensing applications // Optical Engineering. 2016. Vol. 55, N 8. P. 087108. DOI: 10.1117/1.OE.55.8.087108.

13. Demin V. A., Petukhov M. I., Ponomarev R. S. Dynamics of the proton exchange process in benzoic acid interacting with lithium niobate crystals // Langmuir. 2023. Vol. 39, N 31. P. 10855–10862. DOI: 10.21203/rs.3.rs-2418797/v1.

14. Demin V. A., Petukhovy M. I., Ponomarev R. S. et al. Effect of permittivity on the ionic boundary layer upon protonation of lithium niobate // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2023. Vol. 16, N 5. P. 611–619.

15. Sun L., Yip G. L. Analysis of metal-clad optical waveguide polarizers by the vector beam propagation method // Applied Optics. 1994. Vol. 33, N 6. P. 1047–1050. DOI: 10.1364/ao.33.001047.

16. Антоненко С. В. Технология тонких пленок. М.: МИФИ, 2008. 104 с.

17. Janner D., Tulli D., Belmonteand M. et al. Waveguide electro-optic modulation in micro-engineered LiNbO3 // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2008. Vol. 10, N 10. P. 10433. DOI: 10.1088/1464-4258/10/10/104003.

18. Nishihara H., Haruna M., Suhara T. Optical Integrated Circuits. McGraw-Hill Book Company, 1987. 374 p.

19. Yu X. R., Wang M. K., Li J. H. et al. Study on the single-mode condition for x-cut LNOI rib waveguides based on leakage losses // Optics Express. 2022. Vol. 30, N 5. P. 6556–6565. DOI: 10.1364/OE.451842.

20. Chen N., Lou K., Yu Y. et al. High-efficiency electro-optic modulator on thin-film lithium niobate with high-permittivity cladding // Laser Photonics Review. 2023. Vol. 17, N 11. P. 2200927. DOI: 10.1002/lpor.202200927.

21. Guarino A., Poberaj G., Rezzonico D. et al. Electro–optically tunable microring resonators in lithium niobate // Nature Photonics. 2007. Vol. 1, N 7. P. 407–410. DOI: 10.1038/nphoton.2007.93.

22. Яковлева Т. В., Арефьева Н. Н. Расчет геометрических параметров канальных волноводов для электрооптических модуляторов // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 5. С. 21–25.

23. Москалев Д. Н., Вобликов Е. Д., Криштоп В. В., Максименко В. А., Волынцев А. Б. Моделирование межмодовой связи в изогнутых волноводах на основе тонкопленочного ниобата лития с помощью теории связанных мод // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 8. С. 697–712

24. Афанасьев В. М., Пономарев Р. С. Электрооптические амплитудные модуляторы Маха–Цендера на основе ниобата лития, их модификации и форматы модуляции // Прикладная фотоника. 2017. Т. 4, № 4. С. 337–360.

25. Moskalev D., Kozlov A., Salgaeva U. et al. Applicability of the effective index method for the simulation of X-Cut LiNbO3 waveguides // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. P. 6374. DOI: 10.3390/app13116374.

26. Optical constants of Au (Gold), Johnson and Christy 1972: n, k 0.188–1.937 µm [Электронный ресурс]: https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Au&page=Johnson

27. Burden R. L., Faires J. D. Numerical Analysis. Boston: PWS Publishing Company, 1993. 768 p.

28. Timoshenko S. P., Goodier J. N. Theory of Elasticity. McGraw-Hill, 1970. 529 p.