铌酸锂薄膜集成光子技术作为一种优异的片上可扩展光信号处理技术，近年来受到广泛关注。除具备铌酸锂材料的优异光学特性外，薄膜铌酸锂提供了一个实现紧凑型光子集成回路的平台，可同时兼容传统CMOS技术，从而制造出各种紧凑而卓越的器件，这是传统芯片无法企及的。马赫-曾德尔干涉仪作为集成领域中的关键结构有着十分广泛的应用。基于平衡马赫-曾德尔干涉仪结构的振幅调制器在光交换、处理和通信领域中发挥着重要作用。另一方面，基于非平衡马赫-曾德尔干涉仪的梳状滤波器等波长敏感器件已被证明是传感器、滤波器、光子学光谱仪以及神经和网络应用的关键组件。由于可以实现热光和电光两种效应结合的可调谐器件，基于薄膜铌酸锂的非平衡马赫-曾德尔干涉仪有着重要的应用前景。

本研究利用电子束光刻和电感耦合等离子体蚀刻等微纳加工技术，在薄膜铌酸锂上设计并制备了一个非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在通信波段获得了32.4 dB的最大消光比和1.14 dB的低额外损耗，并于实验上证明了所制备结构的热光和电光可调谐性。如图1所示，图1（a）和（b）分别为无电极非平衡马赫-曾德尔干涉仪的俯视及剖面表征，图1（c）为纳米波导内部TE0模式在1550 nm波长的电场强度分布。为了表征干涉仪的热光及电光可调谐性，分别采集了不同温度及不同外加电压下的归一化透射谱，并对谱线的自由光谱范围及特定波长的输出变化规律进行了描述。图2及图3分别描述了器件的热光及电光调谐结果，获得线性调谐效率分别为42.8 pm/°C和55.2 pm/V。该结构可作为集成光子回路中各种光学元件的基本结构，实现新型平台上的传感和滤波等广泛应用。

图1 (a) 非平衡马赫-曾德尔干涉仪光学显微镜图像。插图:光栅耦合器和多模干涉仪组件的SEM图像。(b)脊波导截面伪彩色SEM图像。(c) 1550 nm波长TE0模式电场分布。

图2 (a) 非平衡马赫-曾德尔干涉仪热光调谐性能表征。(b) 20 ~ 70℃温度下的自由光谱范围。(c)波长漂移和自由光谱范围与温度的函数关系。(d) 1534.34 nm波长处测量的输出功率随温度的变化及其拟合曲线。

图3 (a) 非平衡马赫-曾德尔干涉仪电光调谐性能表征。(b) 20-45V外加电压下的自由光谱范围。(c)波长漂移和自由光谱范围与温度的函数关系。(d) 1549.3 nm波长处测量的输出功率随电压的变化及其拟合曲线。

该成果发表在“Xuerui Sun, Yinan Wu, Chuanyi Lu, Yuting Zhang, Hao Li, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Experimental investigation on the unbalanced Mach–Zehnder interferometer on lithium niobate thin film, Chinese Optics Letters, 20(10), 101301 (2022)”。

论文链接：http://www.researching.cn/EN/Article/OJfb54df7d0e1f2678