薄膜鈮酸鋰電光太赫茲傳感器

正文

薄膜鈮酸鋰電光太赫茲傳感器

本文譯自Thin?film lithium niobate electro?optic terahertz wave detector（Ingrid Wilke, Jackson Monahan, Seyfollah Toroghi, Payam Rabiei & George Hine )）

亞皮秒太赫茲頻率電磁輻射脈沖的自由空間電光采樣對(duì)于時(shí)域太赫茲波譜學(xué)秒赤、時(shí)域太赫茲成像、光子時(shí)間拉伸測(cè)量憎瘸、近場(chǎng)太赫茲波顯微鏡和時(shí)域太赫茲量子光學(xué)具有重要意義入篮。測(cè)量方式需要0.1-10THz帶寬的電光檢測(cè)方案，太赫茲波譜和成像的檢測(cè)閾值為~ 1V/cm幌甘，加速器和非線性太赫茲波譜的縱向電子束長(zhǎng)度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍為~ MV/cm潮售。此外，射頻(RF)锅风、毫米(mm)和太赫茲頻率電場(chǎng)的電光測(cè)量在加速器的電子束診斷酥诽、等離子體物理、生物醫(yī)學(xué)傳感皱埠、激光雷達(dá)肮帐、微波集成電路和天線表征等領(lǐng)域是必不可少的。

線性電光(EO)效應(yīng)發(fā)生在非中心對(duì)稱晶體中，其中外加電場(chǎng)改變材料的折射率训枢，產(chǎn)生偏振和相位調(diào)制托修，也稱為波克爾斯效應(yīng)。電光效應(yīng)在瞬間有效發(fā)生恒界，實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間分辨率睦刃。此外，全介電電磁傳感器產(chǎn)生的采樣電場(chǎng)畸變可以忽略不計(jì)十酣。利用飛秒(fs)近紅外(NIR)激光脈沖與自由傳播的單周期亞皮秒太赫茲輻射脈沖或瞬態(tài)電場(chǎng)時(shí)間同步涩拙，探測(cè)太赫茲頻率電場(chǎng)誘導(dǎo)下電光晶體的折射率變化。靈敏度取決于光晶體的波克爾斯系數(shù)耸采、在光晶體中傳播的太赫茲波和近紅外波的速度匹配以及它們的相互作用長(zhǎng)度兴泥。

鈮酸鋰(LN)是一種用于高頻電場(chǎng)傳感的通用材料，因?yàn)樗哂写蟮碾姽獠牧舷禂?shù)洋幻，對(duì)可見光和近紅外波(0.4-5μm)具有高透明度郁轻，對(duì)RF, mm和THz波(< 10 THz)具有低吸收。由絕緣體上的鈮酸鋰薄膜(LNOI)制成的緊密受限鈮酸鋰波導(dǎo)為速度匹配文留、色散工程和準(zhǔn)相位匹配工程提供了前所未有的可能性。開創(chuàng)性的概念驗(yàn)證使用薄膜鈮酸鋰(TFLN)平臺(tái)竭沫，例如高速電光調(diào)制器, 電光頻率梳狀發(fā)生器燥翅，以及zui近的太赫茲波形合成。

本文報(bào)道了利用鈮酸鋰薄膜在絕緣體上制作的光子集成電路對(duì)自由傳播的太赫茲輻射脈沖進(jìn)行時(shí)間分辨電光探測(cè)蜕提。電光太赫茲波探測(cè)器的設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新地利用和集成了薄膜LNOI森书、光子集成電路微加工和商用通信波長(zhǎng)光纖等材料科學(xué)的進(jìn)展。作為概念驗(yàn)證谎势，一個(gè)原始的薄膜LNOI電光探測(cè)器芯片已經(jīng)被設(shè)計(jì)凛膏、制造和表征。利用該原型裝置演示了對(duì)頻率高達(dá)800 GHz的自由傳播亞皮秒太赫茲輻射脈沖電場(chǎng)的有效相敏檢測(cè)脏榆。

太赫茲頻率電場(chǎng)的電光探測(cè)利用大塊電光晶體猖毫。探測(cè)器的靈敏度和帶寬受到電光晶體內(nèi)近紅外和太赫茲電場(chǎng)相位失配(直接與折射率失配相關(guān))的限制。LN (LiNbO3)是一種電光晶體须喂，具有很強(qiáng)的線性電光調(diào)制(電光系數(shù)r33 = 30.8 pm/V)吁断。大塊LN晶體在太赫茲和亞太赫茲頻率處表現(xiàn)出不利的高相位失配(f = 0.1THz時(shí)?n = nTHz - nopt = 4.39，λopt = 1550 nm)坞生，當(dāng)用于檢測(cè)自由傳播的太赫茲輻射脈沖時(shí)仔役，產(chǎn)生較差的信噪比(SNRs) 。電場(chǎng)靈敏度低至1Vm^?1Hz^?1/2已被證明是己，但由于大塊晶體固有的相位失配特性又兵，鈮酸鋰電光探測(cè)器的帶寬受到限制。對(duì)于100GHz以上頻率的電光采樣卒废，ZnTe和GaP提供了更大的帶寬(ZnTe: fc = 3THz沛厨；GaP: fc = 7 THz)乘盼，但由于電光系數(shù)低于鈮酸鋰 (ZnTe: r41 = 3.90 pm/V；GaP: r41 = 0.97 pm/V)俄烁。

LN (LiNbO3)由于具有更大的電光系數(shù)绸栅，因此在電場(chǎng)的電光探測(cè)方面優(yōu)于ZnTe和GaP。重要的是页屠，薄膜LNOI通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)光波導(dǎo)粹胯，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波信號(hào)和近紅外波的完美相位匹配。此外辰企，通過(guò)使用保偏光纖引導(dǎo)和耦合激光束進(jìn)出探測(cè)器风纠，大大簡(jiǎn)化了激光探測(cè)光束與太赫茲探測(cè)器的有效、穩(wěn)定的空間對(duì)準(zhǔn)牢贸。由于光子集成電路取代了多個(gè)大塊光學(xué)元件(以及它們的機(jī)械安裝和支架)竹观，電光太赫茲傳感器的尺寸和重量大大減少。未來(lái)潜索，具有成本效益的薄膜LNOI探測(cè)器芯片的晶圓級(jí)制造設(shè)想將變成現(xiàn)實(shí)臭增。

使用鈮酸鋰和光子集成的電光太赫茲波探測(cè)器由器件概念表示，其中入射太赫茲波電場(chǎng)使用等離子體天線和等離子體器件局部增強(qiáng)竹习。我們的研究目標(biāo)是通過(guò)開發(fā)一種光子集成的全介電電磁傳感器來(lái)推進(jìn)技術(shù)誊抛。該設(shè)備對(duì)于射頻/毫米/太赫茲頻率電場(chǎng)和波的非侵入性測(cè)量非常重要，在這種環(huán)境中整陌，沉積在鈮酸鋰上的金屬結(jié)構(gòu)可能會(huì)扭曲待檢測(cè)的電場(chǎng)模式拗窃。

結(jié)果

光子集成電路

薄膜LNOI電光太赫茲傳感器設(shè)計(jì)如圖1所示。它由一個(gè)Mach-Zehnder (MZI)干涉儀部分(圖1a)和一個(gè)輸入和兩個(gè)輸出光柵耦合器(圖1b)組成泌辫。在Mach-Zehnder干涉儀部分随夸，使用1 × 2 MMI耦合器將光纖耦合光分成兩臂。一個(gè)MZI臂被極化以逆轉(zhuǎn)鈮酸鋰晶體的自發(fā)極化方向(圖1c)震放。因此宾毒，對(duì)于一個(gè)MZI臂，在給定的電場(chǎng)下折射率增加澜搅，而在相同的電場(chǎng)下伍俘，另一個(gè)臂的折射率會(huì)減少。因此勉躺，通過(guò)MZI的激光在一個(gè)臂中經(jīng)歷了+ φ的相移癌瘾，在另一個(gè)臂中經(jīng)歷了?φ的相移。太赫茲波從自由空間耦合到MZI 電光傳感器饵溅，激光探針脈沖利用垂直于傳感器芯片表面的保偏光纖耦合到電光傳感器芯片妨退。目前的器件由600nm鈮酸鋰在500um熔融二氧化硅襯底上制成，工作波長(zhǎng)為1550nm。輸出MMI 2×2結(jié)合這些兩相調(diào)制信號(hào)并產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)咬荷。

該傳感器是用x切割LiNO3制造的冠句，其中異常軸在平面內(nèi)，平行于傳感器芯片的表面(圖1c)幸乒。激光探測(cè)光以TE模式在光波導(dǎo)中傳播懦底，激光的電場(chǎng)方向與表面平行。太赫茲波的電場(chǎng)平行于異常軸罕扎。太赫茲波和光波都共線傳播聚唐。對(duì)于這種安排，MZI的輸出由式(1)描述:

式(2)中腔召，c為光速杆查，ωopt = (2πc/λ)為探測(cè)激光的光頻，ne = 2.15為L(zhǎng)iNO3在λ = 1550 nm處的非凡折射率臀蛛。LiNO3的電光系數(shù)為r33 = 30.9 pm/V亲桦。太赫茲波電場(chǎng)大小為ETHz，干涉儀臂長(zhǎng)度為1浊仆，傳遞函數(shù)TRF(ωRF)定義為(2):

式中客峭，ωR為太赫茲頻率，nRF為SiO2的太赫茲頻率折射率氧卧，nopt為L(zhǎng)iNO3的折射率桃笙。

圖1所示。(a)薄膜鈮酸鋰(LN)光子集成電路(PIC)示意圖俯視圖沙绝。太赫茲波(波矢kTHz)平行于馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)的兩個(gè)臂，平行于光探測(cè)波(波矢kopt)鼠锈。太赫茲波電場(chǎng)方向平行于由MZI的兩個(gè)臂形成的平面闪檬。(b)測(cè)量時(shí)，將有效面積≈10μm(臂距)× 600μm(臂長(zhǎng))的薄膜鈮酸鋰電光(EO)太赫茲波傳感器芯片放置在太赫茲輻射束旁邊或附近购笆。束徑> 1mm的太赫茲輻射束示意圖為圓柱體粗悯。此圖未按比例繪制。所述光纖垂直于電光傳感器芯片的表面平面同欠。集成光柵將光探針激光器光與光波導(dǎo)耦合样傍。(c)絕緣熔融石英薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)的截面示意圖。LiNO3晶體取向?yàn)閤切割(平面內(nèi)異常軸(e))铺遂，太赫茲電場(chǎng)平行于LiNO3的異常軸衫哥。光波以TE模式在波導(dǎo)中傳播，具有平面內(nèi)的光電場(chǎng)(未繪制)襟锐。用灰色虛線箭頭表示LiNO3的本征極化撤逢。(d)左:裝在塑料外殼中的傳感器的照片，并標(biāo)明了長(zhǎng)度刻度。右圖:說(shuō)明電光微芯片在塑料外殼內(nèi)位置的示意圖蚊荣。

光子集成

微型光纖耦合薄膜LNOI 電光太赫茲波探測(cè)器如圖1d所示初狰。將微加工低損耗近紅外波導(dǎo)、電極化鈮酸鋰和光纖引入到瞬態(tài)太赫茲頻率電場(chǎng)的電光檢測(cè)中互例，可以實(shí)現(xiàn)以前由多個(gè)體光學(xué)元件支持的功能的高水平集成奢入，四分之一波板/沃拉斯頓棱鏡，或另一個(gè)分析儀/偏振器對(duì)消除媳叨。利用光纖簡(jiǎn)化了入射太赫茲輻射和激光探測(cè)光束與電光晶體的精確空間對(duì)準(zhǔn)腥光。

探測(cè)器帶寬

近紅外激光探測(cè)脈沖與太赫茲波電場(chǎng)在太赫茲晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的相位匹配是有效探測(cè)太赫茲頻率電場(chǎng)的關(guān)鍵。對(duì)于具有近紅外色散的電光材料肩杈，當(dāng)太赫茲波的相速度等于近紅外脈沖包絡(luò)速度(或群速度)時(shí)柴我，可以實(shí)現(xiàn)相位匹配。

在熔融二氧化硅(SiO2)襯底上的薄膜LiNO3中扩然，太赫茲波的傳播速度由SiO2的折射率決定艘儒，由于鈮酸鋰薄膜的體積與SiO2相比非常小，因此不受其影響夫偶。熔融石英在600 GHz處的折射率為nRF = 1.95界睁。該折射率接近于λ = 1550 nm處光模在薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)中傳播的群有效折射率nopt = 2.4。計(jì)算得到的器件歸一化調(diào)制響應(yīng)|TRF|²隨調(diào)制頻率的變化如圖2所示兵拢。在這項(xiàng)工作中測(cè)試的器件具有600μm的交互長(zhǎng)度l和640 GHz的預(yù)測(cè)3db帶寬翻斟。

圖2。計(jì)算了600μm路徑長(zhǎng)度的MZI型電光太赫茲波傳感器在熔融二氧化硅(藍(lán)色)和晶體石英襯底(紅色)上的薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)的調(diào)制響應(yīng)说铃》孟В考慮40 fs探測(cè)激光脈沖(λ = 1550 nm)在一米光纖中熔融石英薄膜鈮酸鋰和600μm電光相互作用長(zhǎng)度的色散調(diào)制響應(yīng)(黑色虛線)。

圖3.(a)薄膜鈮酸鋰電光太赫茲波傳感器測(cè)量的時(shí)域太赫茲波輻射脈沖腻扇。平滑時(shí)域測(cè)量(黑色實(shí)線)覆蓋在原始數(shù)據(jù)(灰色)上债热。(b)測(cè)量太赫茲波形的近景。

觀察結(jié)果

薄膜LNOI電光太赫茲波探測(cè)器對(duì)時(shí)域測(cè)量的入射太赫茲波輻射脈沖的響應(yīng)如圖3所示幼苛。該信號(hào)的時(shí)間分布與OH1晶體經(jīng)飛秒激光脈沖光學(xué)整流產(chǎn)生的太赫茲波輻射脈沖的典型分布非常吻合窒篱。測(cè)量到的太赫茲輻射脈沖的持續(xù)時(shí)間約為7ps，記錄的信號(hào)在觀測(cè)到的~ 1.4 ps的時(shí)間尺度上從max的負(fù)值變?yōu)閙ax的正值舶沿。

信噪比

對(duì)于放大激光系統(tǒng)的太赫茲波產(chǎn)生/探測(cè)墙杯，在我們的實(shí)驗(yàn)中，以1 kHz激光脈沖重復(fù)率發(fā)射200μJ脈沖括荡，數(shù)據(jù)采集是在單次射擊(單激光脈沖)水平上進(jìn)行的高镐。圖3a中繪制的時(shí)域太赫茲波表示單個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的N = 16個(gè)太赫茲波的平均值。如圖3所示一汽，我們測(cè)量的信噪比(SNR)是典型的單次數(shù)據(jù)采集避消，由激光脈沖與激光脈沖能量波動(dòng)決定低滩。這導(dǎo)致在OH1晶體產(chǎn)生太赫茲波時(shí)太赫茲波電場(chǎng)強(qiáng)度的脈沖間波動(dòng)。觀察到的信噪比是探測(cè)器的固有特性岩喷。未來(lái)對(duì)更多波形進(jìn)行平均將提高信噪比恕沫，信噪比為SNR≈√N(yùn)，其中N代表單獨(dú)記錄波形的數(shù)量纱意。線性光電探測(cè)器陣列的光譜靈敏度在350和5000nm之間婶溯，幀采集速率為10⁶-10⁷幀/秒，用于電光解碼偷霉，文獻(xiàn)33,34中有記載迄委。使用這種類型的儀器，信噪比可以提高到≈10⁴类少。

傳感器帶寬

在時(shí)域記錄的信號(hào)的傅立葉譜如圖4所示叙身。觀測(cè)到的光譜輪廓是由光學(xué)整流產(chǎn)生的太赫茲輻射脈沖的特征。觀測(cè)到的低頻率和高頻率分別約為100GHz和800GHz硫狞。

在圖4中信轿，將薄膜LNOI電光探測(cè)器的頻率響應(yīng)與太赫茲波源的頻譜和根據(jù)式(2)計(jì)算的MZI調(diào)制器帶寬進(jìn)行比較。薄膜LNOI電光太赫茲波探測(cè)器的測(cè)量頻率響應(yīng)與調(diào)制器響應(yīng)的預(yù)測(cè)低頻和高頻極限非常吻合残吩。在高頻率(> 500 GHz)下财忽，與計(jì)算響應(yīng)相比，觀察到測(cè)量到的探測(cè)器響應(yīng)衰減泣侮。

與理論預(yù)測(cè)相比即彪，觀測(cè)到的探測(cè)帶寬的高頻衰減可以用光纖中40fs激光脈沖的色散來(lái)解釋。光纖色散將3dB帶寬降低到310 GHz(圖2)活尊。然而隶校，光纖色散可以通過(guò)使用色散補(bǔ)償光纖有效地減輕fs探測(cè)激光脈沖的光纖色散。與理論預(yù)測(cè)相比蛹锰，觀察到的器件在低頻(< 250 GHz)處的衰減響應(yīng)是時(shí)域太赫茲波探測(cè)器的典型特征惠况，這是由于幾何孔徑效應(yīng)限制了低頻波的有效收集所致。

太赫茲波與光波折射率失配(?n = nRF?nopt)對(duì)傳感器探測(cè)帶寬的影響可從(2)中直接理解宁仔。當(dāng)?n趨于零時(shí)，傳遞函數(shù)TRF趨于統(tǒng)一峦睡。因此翎苫，必須min化索引不匹配以max化檢測(cè)帶寬。這可以通過(guò)調(diào)整波導(dǎo)幾何形狀來(lái)調(diào)整nopt36榨了，增加包層來(lái)調(diào)整nRF21煎谍，或者使用不同的襯底材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示龙屉，用結(jié)晶石英代替熔融石英將使3dB傳感器的帶寬從640 GHz(熔融石英)增加到1太赫茲(結(jié)晶石英)以上呐粘。

圖4满俗。薄膜鈮酸鋰電光太赫茲波傳感器頻率響應(yīng)(灰色實(shí)線)與OH1太赫茲波輻射源發(fā)射的太赫茲波頻譜(紅色虛線)的比較。當(dāng)nRF = 1.95(熔融石英)和nopt = 2.4時(shí)作岖，考慮40 fs探測(cè)激光脈沖光纖色散唆垃，電光相互作用長(zhǎng)度為l = 600μm的薄膜LNOI調(diào)制器的計(jì)算帶寬用黑色實(shí)線表示。

傳感器帶寬

用半波電場(chǎng)Eπ表示式(2):

由式(3)可知痘儡，當(dāng)TRF(ωRF) = 1時(shí)辕万，半波電場(chǎng)為Eπ = 4.2 × 106 V/m。

半波電場(chǎng)π代表了當(dāng)前器件的太赫茲頻率電場(chǎng)傳感動(dòng)態(tài)范圍的上限沉删。動(dòng)態(tài)范圍的下限由min可測(cè)量相移φ設(shè)定渐尿。這取決于數(shù)據(jù)采集的方法。利用鎖相檢測(cè)和高重復(fù)頻率脈沖激光器矾瑰，可以測(cè)量太赫茲頻率電場(chǎng)引起的φ≤10^?4rad的相移砖茸。由式(3)可知，當(dāng)π = 4.2 × 10⁶ V/m時(shí)殴穴，該器件感應(yīng)太赫茲頻率電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)范圍下限為ETHz = 1.3 × 10³V/m凉夯。

對(duì)于相同的電光相互作用長(zhǎng)度l = 600μm和調(diào)制響應(yīng)TRF(ωRF)，由于薄膜鈮酸鋰具有較高的電光系數(shù)和較低的折射率推正，因此與ZnTe和GaP相比恍涂，薄膜鈮酸鋰產(chǎn)生更高的相移φ。這可以通過(guò)比較電光材料的半波場(chǎng)Eπ來(lái)說(shuō)明:Eπ LN = 4.2 × 10⁶ V/m < Eπ ZnTe = 1.6 × 10⁷ V/m < Eπ GaP = 4.4 × 10⁷ V/m(對(duì)于ZnTe和GaP植榕，電光系數(shù)和折射率分別為r41 ZnTe = 3.9pV/m, nZnTe = 2.73, r41 GaP = 0.97 pm/V, nGaP = 3.1)再沧。

由式(1)可知，對(duì)于大小為ETHz的太赫茲電場(chǎng)尊残，相移是由激光探針波長(zhǎng)λ炒瘸、傳遞函數(shù)TRF(ωRF)和MZI臂長(zhǎng)度l決定的，增加相互作用長(zhǎng)度l和減小激光探針波長(zhǎng)λ可以增加相移寝衫。固有地顷扩，min化傳遞函數(shù)TRF(ωRF)也將max化器件靈敏度。因此慰毅，通過(guò)降低指數(shù)失配?n = nRF - nopt隘截，同時(shí)提高了信噪比和檢測(cè)帶寬。

該器件的靈敏度還受到傳播矢量kTHz和kopt的對(duì)準(zhǔn)(圖1 (b))的影響汹胃，因?yàn)樵撈骷挠性疵娣e小(10 μ m臂距× 600 μ m臂長(zhǎng))婶芭。如果ETHz不平行于鈮酸鋰的平面內(nèi)異常軸，則施加的太赫茲頻率電場(chǎng)ETHz仍然與波導(dǎo)的TE模式相互作用着饥，但r33系數(shù)不再在全強(qiáng)度下起作用犀农，相移??減小。當(dāng)傳播矢量kTHz和kopt之間的夾角α > 0時(shí)宰掉，由x切割鈮酸鋰制成的MZI型電光傳感器在旋轉(zhuǎn)作用下的電光攝動(dòng)(EOP)由式37描述:

例如呵哨，當(dāng)kTHz與kopt之間的角度為α = 10°時(shí)赁濒，旋轉(zhuǎn)下的電光擾動(dòng)為EOP = 0.97，靈敏度比完全準(zhǔn)直時(shí)降低3%(圖5)孟害。利用LN材料介電特性vε11 = ε22 = 4.889拒炎， ε33 = 4.569, r22 = 3.4pV/m, r23 = 8.6pV/m, r33 = 30.9pV/m進(jìn)行估計(jì)。利用z -切割LN37制成的MZI型電光傳感器可以消除靈敏度旋轉(zhuǎn)時(shí)的EOP纹坐。

圖5枝冀。根據(jù)參考文獻(xiàn)36計(jì)算的x切割LN(平面內(nèi)異常軸)旋轉(zhuǎn)下的電光攝動(dòng)。如果太赫茲波(kTHz)不平行于引導(dǎo)TE光模(kopt)傳播耘子，那么kTHz與kopt之間的夾角為α果漾，則太赫茲波電ETHz通過(guò)波克爾斯效應(yīng)引起的相移φ減小。

圖6谷誓。太赫茲輻射脈沖產(chǎn)生和太赫茲波電光探測(cè)器測(cè)試的實(shí)驗(yàn)安排绒障。

結(jié)論

綜上所述，本文報(bào)道了用絕緣體技術(shù)制備鈮酸鋰薄膜光子集成電路的設(shè)計(jì)與制作捍歪。利用Mach-Zehnder調(diào)制器成功地對(duì)自由傳播的單周期太赫茲波輻射脈沖進(jìn)行了時(shí)域測(cè)量户辱。太赫茲波從自由空間耦合到全介電電磁微芯片探測(cè)器，而不需要金屬天線和等離子體結(jié)構(gòu)糙臼。原型裝置的測(cè)量帶寬與理論計(jì)算的調(diào)制器響應(yīng)一致庐镐。演示的概念驗(yàn)證是面向科學(xué)和工業(yè)廣泛用戶的薄膜LNOI太赫茲波測(cè)量系統(tǒng)的重要一步。

方法

器件制造

薄膜LNOI晶圓是通過(guò)使用晶體離子切片方法將晶體鈮酸鋰的薄層轉(zhuǎn)移到熔融二氧化硅襯底上而制備的变逃。為此必逆，將大塊鈮酸鋰晶體注入離子并粘合到熔融二氧化硅襯底上。隨后的加熱過(guò)程將一薄層鈮酸鋰轉(zhuǎn)移到熔融的二氧化硅襯底上揽乱。轉(zhuǎn)移后的鈮酸鋰晶體薄膜具有與本體鈮酸鋰晶體相同的光學(xué)性質(zhì)和電光性質(zhì)名眉。在熔融二氧化硅上產(chǎn)生薄膜鈮酸鋰后，金/鉻電極沉積在晶圓上凰棉，用于后續(xù)的極化工藝损拢。為了扭轉(zhuǎn)馬赫-曾德爾調(diào)制器單臂自發(fā)電極化的方向，將器件浸入硅油中撒犀，并在電極上施加高于鈮酸鋰矯頑力場(chǎng)(~ 22 kV/mm)的電場(chǎng)福压。電極去除后，使用電子束光刻技術(shù)對(duì)電光太赫茲波傳感器的光學(xué)電路進(jìn)行圖像化或舞，并通過(guò)鈮酸鋰層的干蝕刻形成隧膏。光纖V型槽陣列隨后被對(duì)準(zhǔn)并連接到器件上以實(shí)現(xiàn)光纖耦合。該裝置插入塑料外殼中以保護(hù)光纖(圖1d)嚷那。在工作波長(zhǎng)λ = 1550 nm處，器件的光插入損耗為- 13 dB杆煞。在參考文獻(xiàn)38 - 41中解釋了制造過(guò)程和器件結(jié)構(gòu)的更多細(xì)節(jié)魏宽。

通過(guò)測(cè)量LNOI電光電場(chǎng)傳感器對(duì)100 kHz振蕩電場(chǎng)的響應(yīng)腐泻，對(duì)LNOI電光電場(chǎng)傳感器的基本功能進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。測(cè)得探測(cè)器的靈敏度為2.2 Vm^?1 Hz^?1/2队询。試驗(yàn)的細(xì)節(jié)已在別處描述過(guò)派桩。

實(shí)驗(yàn)安排

利用圖6所示的兩個(gè)超短1550 nm激光脈沖，在太赫茲頻率下對(duì)薄膜LNOI電光探測(cè)器進(jìn)行了表征蚌斩。利用光纖發(fā)射級(jí)將激光探測(cè)脈沖自由空間耦合到器件的康寧PANDA保偏單模輸入光纖中铆惑。激光泵浦脈沖通過(guò)光整流傳輸?shù)接袡C(jī)晶體(OH1)產(chǎn)生太赫茲波。

光轉(zhuǎn)換TOPAS Prime光參量放大器(OPA)泵浦采用相干Astrella Ti:Sapphire再生放大器送膳，工作頻率為1 kHz员魏，產(chǎn)生超短的1550 nm激光脈沖。OPA發(fā)射的激光脈沖波長(zhǎng)為1550 nm叠聋，能量為200μJ撕阎，脈沖長(zhǎng)度為40 fs。激光束在可變偏振分束器中以7:1的比例分裂碌补，其中P偏振(水平)泵浦光束通過(guò)可變延遲線傳播到有機(jī)晶體以產(chǎn)生太赫茲波虏束，S偏振(垂直)探針光束傳播到光纖發(fā)射階段。OH1晶體通過(guò)激光泵浦光整流產(chǎn)生太赫茲帶寬輻射脈沖厦章。文獻(xiàn)42深入描述了太赫茲輻射脈沖產(chǎn)生的技術(shù)細(xì)節(jié)镇匀。

隨后，產(chǎn)生的太赫茲輻射脈沖通過(guò)高密度聚乙烯(HDPE)濾波器傳播袜啃。為了進(jìn)行測(cè)試汗侵，電光 LNOI太赫茲波傳感器位于HDPE濾波器下游5mm處。

通過(guò)在光纖入口面過(guò)度填充未衰減探頭囊骤，實(shí)現(xiàn)了將激光探頭脈沖耦合到探測(cè)裝置的輸入光纖中晃择。這與放置在探頭光束線上的f = 100 mm焦距透鏡一起減輕了再生放大器中指向漂移的影響，并提供了在設(shè)備輸出處測(cè)量的一致的探頭影響也物。包層模式的可能性被認(rèn)為可以忽略不計(jì)宫屠，因?yàn)橛捎? × 2 MMI耦合器，它將無(wú)法有效地轉(zhuǎn)移到器件中滑蚯。

頻率調(diào)制探頭脈沖從MZ調(diào)制器臂耦合到兩根康寧熊貓保偏光纖中浪蹂，這兩根光纖被導(dǎo)向Thorlabs高速InGaAs平衡光電探測(cè)器(PDB230C)。內(nèi)部放大的PDB230C在50Ω負(fù)載下的跨阻增益為24.5 V/ A, 3db RF帶寬為100 MHz告材。每根光纖上的準(zhǔn)直器將激光聚焦到探測(cè)器的每個(gè)光電二極管中坤次。差分信號(hào)，連同單個(gè)二極管上的光電流監(jiān)視器一起被記錄在示波器上斥赋，平均N = 16次缰猴。由于激光探測(cè)脈沖明顯短于平衡光電探測(cè)器的電子時(shí)標(biāo)，每條跡線的形狀由探測(cè)器的脈沖響應(yīng)給出疤剑，其大小與光影響的差異成正比滑绒。由于這種差異與太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度成正比闷堡，因此集成的平衡走線可以在特定的泵浦探針延遲下對(duì)太赫茲場(chǎng)進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)量。通過(guò)改變這一延遲疑故，可以重建太赫茲電場(chǎng)的時(shí)間分布杠览。

上海昊量光電作為光纖電場(chǎng)傳感器的中國(guó)代理，為您提供專業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)纵势。對(duì)于薄膜鈮酸鋰電場(chǎng)太赫茲傳感器有興趣或者任何問(wèn)題踱阿，都?xì)g迎通過(guò)電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系钦铁。

如果您對(duì)薄膜鈮酸鋰電光太赫茲傳感器有興趣软舌，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)上海昊量光電的官方網(wǎng)頁(yè)：

http://www.wjjzl.com/details-2299.html

歡迎繼續(xù)關(guān)注上海昊量光電的各大媒體平臺(tái)，我們將不定期推出各種產(chǎn)品介紹與技術(shù)新聞育瓜。

更多詳情請(qǐng)聯(lián)系昊量光電/歡迎直接聯(lián)系昊量光電

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商乙嘀，產(chǎn)品包括各類激光器淋叶、光電調(diào)制器撑毛、光學(xué)測(cè)量設(shè)備恋腕、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工焰手、光通訊糟描、生物醫(yī)療、科學(xué)研究书妻、國(guó)防船响、量子光學(xué)、生物顯微躲履、物聯(lián)傳感见间、激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝工猜，培訓(xùn)米诉，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)篷帅，系統(tǒng)集成等服務(wù)史侣。

您可以通過(guò)我們昊量光電的官方網(wǎng)站www.wjjzl.com了解更多的產(chǎn)品信息，或直接來(lái)電咨詢4006-888-532魏身。

參考文獻(xiàn)

1. Wu, Q. & Zhang, X.-C. Free-space electro-optic sampling of terahertz beams. Appl. Phys. Lett. 67, 3523–3525 (1995).

2. Jepsen, P. U., Winnewisser, C., Schall, M. & Schyja, V. Detection of THz pulses by phase retardation in lithium tantalite. Phys. Res. E 53, R3052–R3054 (1996).

3. Nahata, A., Auston, D. H., Heinz, T. F. & Wu, C. coherent detection of freely propagating terahertz radiation by electro-optic sampling. Appl. Phys. Lett. 68, 150–152 (1996).

4. Jepsen, P. U., Cooke, D. G. & Koch, M. Terahertz spectroscopy and imaging: Modern techniques and applications. Laser Photon. Rev. 5, 124–166 (2011).

5. Castro-Camus, E., Koch, M. & Mittleman, D. M. Recent advances in terahertz imaging: 1999 to 2021. Appl. Phys. B-Lasers O 128, 12 (2022).

6. Couture, N. et al. Single-pulse terahertz spectroscopy monitoring sub-millisecond time dynamics at a rate of 50 kHz. Nat. Com-mun. 14, 2595 (2023).

7. Blanchard, F., Doi, A., Tanaka, T. & Tanaka, K. Real-time, subwavelength terahertz imaging. Annu. Rev. Mater. Res. 43, 237–259 (2013).

8. Riek, C. et al. Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations. Science 350, 420–423 (2015).

9. Benea-Chelmus, I.-C., Settembrini, F. F., Scalari, G. & Faist, J. Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state. Nature 568, 202–206 (2019).

10. Wilke, I. et al. Single-shot electron-beam bunch length measurements. Phys Rev. Lett. 88, 124801 (2002).

11. Roussel, E. et al. Phase diversity electro-optic sampling: A new approach to single-shot terahertz waveform recording. Light Sci. Appl. 11, 14 (2022).

12. Nishiura, M. et al. Electro-optic probe measurements of electric fields in plasmas. Rev. Sci. Instrum. 88, 023501 (2017).

13. Saniour, I. et al. Electro-optic probe for real-time assessments of RF electric field produced in an MRI scanner: Feasibility tests at 3 and 47 T. NMR Biomed. 31, 3849 (2018).

14. National Research Council Laser Radar: Progress and Opportunities in Active Electro-Optical Sensing. (The National Academies Press, Washington D. C. 2014).

15. Yang, K. et al. Active-amplifier-array diagnostics using high-resolution electrooptic field mapping. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 49, 849–857 (2001).

16. Sarabandi, K., Choi, J., Sabet, A. & Sabet,. Pattern and gain characterization using nonintrusive very-near-field electro-optical measurements over arbitrary closed surfaces. IEEE Trans. Antennas Propag. 65, 489–497 (2017).

17. Yariv a. & and Yeh, P,. Optical Waves in Crystals: Propagation and Control of laser radiation (Wiley, 2002).

18. Palik, E. D. Handbook of Optical Constants of Solids Subpart 3 (Academic Press, 1998).

19. Fedotova, A. et al. Lithium niobate meta-optics. ACS Photon. 9, 3745–3763 (2022).

20. Boes, A. et al. Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum. Science 379, 4396 (2023).

21. Mercante, A. J. et al. Thin film lithium niobate electro-optic modulator with terahertz operating bandwidth. Opt. Express 26, 14810–14816 (2018).

22. Wang, C. et al. Integrated lithium niobate electro-optic detector operating at cmos-compatible voltages. Nature 562, 101–104 (2018).

23. Zhang, M. et al. Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator. Nature 568, 373–377 (2019).

24. Herter, A. et al. Terahertz waveform synthesis in integrated thin-film lithium niobate platform. Nat. Commun. 14, 11 (2023).

25. Winnewisser, C., Jepsen, P. U., Schall, M., Schyja, V. & Helm, H. Electro-optic detection of THz radiation in LiTaO3, LiNbO3, and ZnTe. Appl. Phys. Lett. 70, 3069–3071 (1997).

26. Wilke, I. & Sengupta, S. Nonlinear optical techniques for terahertz pulse generation and detection—optical rectification and electrooptic sampling. Terahertz Spectroscopy: Principles and Applications Chap. 2 (CRC Press, Boca Raton FL, 2007).

27. Amirkhan, F. et al. Characterization of thin-film optical properties by THz near-field imaging method. J. Opt. Soc. Am. B 36, 2593–2601 (2019).

28. Salamin, Y. et al. Compact and ultra-efficient broadband plasmonic terahertz field detector. Nat. Commun. 10, 5550 (2019).

29. Benea-Chelmus, I.-C. et al. Electro-optic interface for ultrasensitive intracavity electric field measurements at microwave and terahertz frequencies. Optica 7, 498–505 (2020).

30. Ibili, H. et al. Modeling plasmonic antennas for the millimeterwave & THz range. IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 29, 8501115 (2023).

31. Blanchard, F., Hiraoka, T., Arikawa, T., Tanaka, K., Tani S., Tanaka, T. Visualization and manipulation of terahertz light in the near-field. In IEEE International Conference on Ubiquitous Wireless Broadband (ICUWB), Montreal, QC, Canada, 2015. https://doi.org/10.1109/ICUWB.2015.7324528

32. Naghski, D. H. et al. An integrated photonic Mach-Zehnder interferometer with no electrodes for sensing electric fields. J. Light Technol. 12, 1092–1098 (1994).

33. Funkner, S. et al. High throughput data streaming of individual longitudinal electron bunch profiles. Phys. Rev. Accel. Beams 22, 022801 (2019).

34. Patil, M. M., Caselle, M., Bründermann, E., Niehues, G., Kehrer, B., Ebersoldt, A., Nasse, M. J., Steinmann, J. L., Funkner, S., Widmann, C., Müller, A. S., Weber, M. Application of KALYPSO as a diagnostic tool for beam and spectral analysis. In 12th Int. Particle Accelerator Conf.(IPAC’21), Campinas, Brazil (2021). https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2021-WEPAB331

35. Van Exter, M. & Grischkowsky, D. R. Characterization of an optoelectronic Terahertz Beam System. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 38, 1684–1691 (1990).

36. Rao, A. & Fathpour, S. Compact lithium niobate electrooptic modulators. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24, 1–14 (2018).

37. Bahadori, M., Goddard, L. L. & Gong, S. Fundamental electro-optic limitations of thin-film lithium niobate microring modulator. Opt. Express 28, 13731–13749 (2020).

38. Rabiei, P., Ma, J., Khan, S., Chiles, J. & Fathpour, S. Heterogeneous lithium niobate photonics on silicon substrates. Opt. Express 21, 25573–25581 (2013).

39. Rabiei, P. Electro-optic modulator devices and method of fabrication. U.S. patent 9746743B1 (2017).

40. Rollinson, J., Hella, M., Toroghi, S., Rabiei, P. & Wilke, I. Thin-film lithium niobate modulators for non-invasive sensing of high-frequency electric fields. J. Opt. Soc. Am. B 38, 336–341 (2021).

41. Toroghi, S. & Rabiei, P. Thin film lithium niobate electric field sensor. Rev. Sci. Inst. 93, 034702 (2022).

42. Hine, G. A. & Doleans, M. Intrinsic spatial chirp of subcycle terahertz pulsed beams. Phys. Rev. A 104, 032229–032231 (2021).