前言：

鈮酸鋰具有超寬的光學(xué)透明窗口(=0.35-5.2m)，以及優(yōu)異的非線性、電光、聲光、壓電、熱電和光折變等特性。鈮酸鋰晶體還具有易生長、抗腐蝕、耐高溫特性，并且機(jī)械性能穩(wěn)定，生產(chǎn)成本較低，很快便成為了最具吸引力的光子學(xué)材料之一。鈮酸鋰晶體令人著迷之處在于其具有的多功能性，常被盛譽(yù)為“光學(xué)硅”。鈮酸鋰晶體莫氏硬度大、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，既保證了器件的可靠性和耐久性，但是這也使得鈮酸鋰難以精準(zhǔn)刻蝕側(cè)壁的原因。為此，在設(shè)計(jì)鈮酸鋰基光學(xué)器件的時(shí)候，不得不要考慮這一因素對(duì)器件的影響。因此，小編在這篇的推文通過一個(gè)鈮酸鋰基的定向耦合器來說明面對(duì)這種情況要如何建模分析。

關(guān)鍵詞：鈮酸鋰；定向耦合器；側(cè)壁刻蝕

鈮酸鋰(Lithium Niobate)，是各向異性的晶體，因此在仿真中需要考慮這一性質(zhì)。由于x-cut鈮酸鋰是最常使用的，所以在這篇推文中考慮x-cut的鈮酸鋰折射率數(shù)據(jù)。而鈮酸鋰的尋常折射率ne(ordinary refractive index)和非尋常折射率no(extraordinary refractive index)

no:

ne:

對(duì)于波導(dǎo)，光在波導(dǎo)傳輸，首要問題應(yīng)該考慮其二維模式分布。因此，采用仿真工具Lumerical 系列軟件求解鈮酸鋰波導(dǎo)的本征模式。為了方便修改參數(shù)，采用腳本編寫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

控制波導(dǎo)頂面寬度為W_top，厚度為Hs，傾角為，這樣底邊

W_bottom=W_top+2*Hs/tan(/180*pi)。

波導(dǎo)四個(gè)角的坐標(biāo)可以定義為

（-W_bottom/2,0）（W_bottom/2,0）（-W_top/2,Hs）（W_top/2,Hs）

通過計(jì)算鈮酸鋰波導(dǎo)支持的四個(gè)模式在傾角50到90度的有效折射率，可以看出這個(gè)傾角的變化會(huì)使得有效折射率，減小。在這里值得指出的是，盡管有效折射率變化量比較小，但是波導(dǎo)的長度很長的話，累積的變化也非常大的。

接下來，小編采用腳本編寫了一個(gè)鈮酸鋰基的定向耦合，考慮兩種情況：側(cè)壁垂直和側(cè)壁傾斜。

首先，第一種情況：側(cè)壁垂直的情況。這類情況是做仿真時(shí)最常考慮的，因?yàn)殁壦徜嚐o法精準(zhǔn)刻蝕，因而在計(jì)算中往往會(huì)用側(cè)壁垂直來近似替代側(cè)壁傾斜的情況。這樣可能是一種比較理想的方案。

在計(jì)算中，小編也發(fā)現(xiàn)側(cè)壁垂直的模型建立起來比較簡單，得出的結(jié)果也比較好，如下圖所示，定向耦合的兩個(gè)端口耦合效率區(qū)分度非常高的，波長1550nm處的區(qū)分度可以達(dá)到100%。此時(shí)的光場分布也顯示出定向耦合器的單向性。

（二）側(cè)壁傾斜

然而，當(dāng)保持其他參數(shù)不變的條件下，使得鈮酸鋰波導(dǎo)側(cè)壁從垂直變化到傾斜，情況卻發(fā)生比較大變化。入射光此時(shí)并不能只耦合到輸出口中的一個(gè)了，而是兩個(gè)口均有光輸出。這與側(cè)壁保持垂直的情況有所不一樣。此時(shí)，光場分布也證實(shí)了這點(diǎn)。

（三）不同傾斜角的耦合效率

為了進(jìn)一步考察側(cè)壁傾角對(duì)耦合效率的影響，小編把傾角改為40°、50°、60°、70°、80°和90°做比較，如下圖所示。側(cè)壁較陡直(側(cè)壁角一般60—80°)，入射光傳輸?shù)蕉丝?，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)間的耦合，這在很多功能器件中至關(guān)重要。而波導(dǎo)側(cè)壁平緩(側(cè)壁角一般小于50°)，入射光傳輸?shù)蕉丝?比較端口2更容易，這就說明不易于實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)間耦合。

（四）耦合距離的優(yōu)化

為了優(yōu)化耦合距離，小編選取了鈮酸鋰實(shí)驗(yàn)樣品比較常見的側(cè)壁傾角=65作為考慮對(duì)象，并且采用參數(shù)掃描方式改變Lc，獲得兩個(gè)端口的耦合效率對(duì)比，如下圖所示

到最后，總的來說，這篇推文通過簡要的說明和圖片來闡述一件事：鈮酸鋰光子器件在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮加工帶來的側(cè)壁傾角的影響，這是需要進(jìn)行分析的。當(dāng)然，也說明可以通過增加光器件的耦合長度來降低側(cè)壁傾角帶來的影響。

參考文獻(xiàn)：【1】薄膜鈮酸鋰集成非線性光學(xué)：走向全光信息時(shí)代的新路徑

【2】鈮酸鋰光子芯片的制造技術(shù)路線

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