基于薄膜铌酸锂的可见光RGB多路复用器，助力高分辨率激光束扫描
2025-08-02 16:20:42   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

薄膜铌酸锂（TFLN）具有巨大的发展潜力，因为它能通过电压进行高速调制，与直接激光调制相比，它能使激光束扫描（LBS）具有更高的分辨率和更低的功耗。为了实现这些功能，需要将基于薄膜铌酸锂的红绿蓝（RGB）多路复用器作为集成光路（PIC）的重要构件。

据麦姆斯咨询报道，近日，日本TDK公司的研究团队利用薄膜铌酸锂制造了一种RGB多路复用器，并通过实验验证了其工作性能。由多模干涉仪构成的RGB多路复用器成功地将红光（λ = 638nm）、绿光（λ = 520nm）、蓝光（λ = 473nm）三种不同的激光耦合为单个激光束。此外，薄膜铌酸锂是通过溅射沉积工艺制备的，而传统的方法则是通过将块体铌酸锂粘附到衬底上制备的。溅射沉积的薄膜铌酸锂有利于大批量生产。上述研究成果以“Visible light red, green, and blue multiplexer by sputter-deposited thin-film lithium niobate”为题发表于Advanced Photonics Nexus期刊。

为了利用薄膜铌酸锂制造RGB多路复用器，研究团队选择了多模干涉仪（MMI）。因其体积小、损耗低、带宽宽、易于制造等优点，多模干涉仪已被广泛应用于红外激光波导的滤波器、分光器、传感器和耦合器。这一能力被扩展至RGB多路复用器的设计中。

基于自成像理论，研究团队利用Photon Design 公司的FIMMWAVE软件设计了RGB多路复用器。图1显示了由两个多模干涉仪（MMI）构成的RGB多路复用器示意图。在此设计中，红色和蓝色光束在第一个MMI多路复用器上耦合，而绿色/红色和蓝色光束在第二个MMI多路复用器上耦合。自成像理论用于最大限度地减少耦合损耗。

图1 基于溅射沉积的薄膜铌酸锂RGB多路复用器示意图

为了使RGB多路复用器适配于可见光波段的铌酸锂调制器，研究团队设计了一种脊波导结构。波导层厚度（T_LN）和板层厚度（T_slab）分别设定为0.7 μm和0.1 μm。

输出效率通过调整多模干涉仪（MMI）波导的长度来优化。研究团队对设计进行了优化，以尽量减少RGB波长的MMI损耗和长度。

不同于传统的块体铌酸锂（bulk-LN）键合工艺，本研究采用射频溅射沉积法来制备RGB多路复用器。在溅射过程中，以Ar离子气体对LiNbO₃靶材进行溅射，同时向溅射腔体中引入O₂气体。为了获得结晶质量好的薄膜铌酸锂，在沉积过程中将蓝宝石（Al₂O₃）（001）晶向衬底加热至650°C。随后，利用物理Ar离子刻蚀技术制备出脊形波导结构，并通过溅射工艺沉积二氧化硅（SiO₂）作为包层材料。

图2显示了用于测量溅射沉积的薄膜铌酸锂RGB多路复用器的测量系统。“红光、绿光、蓝光”这三种可见光激光的波长分别为“638 nm、520 nm、473 nm”。激光通过三通道光纤阵列耦合进入RGB多路复用器，RGB多路复用器的输出则通过100倍物镜进行观察。使用中性密度滤光片和相机将物镜获取的图像传输至个人计算机进行记录。

图2 RGB多路复用器测量系统示意图

图3展示了RGB多路复用器的截面图像，该图像通过扫描电子显微镜（SEM）获得。虽然铌酸锂波导的侧壁存在轻微的不对称现象，但其影响较小，对于对称或非对称波导而言，插入损耗（IL）均小于1%。这种不对称性可能源于离子刻蚀过程中波导内外侧周边的加工差异。

图3 RGB多路复用器样品示意图

使用图2所示的测量系统提取了输出图像和光功率。图4展示了双色和三色复用的输出图像。如图4a所示，成功生成了由红色和蓝色组合而成的洋红色。同样地，如图4b所示，由红色和绿色组合而成的黄色也被成功生成；而绿色和蓝色组合则产生了青色，如图4c所示。因此，RGB多路复用器成功实现了洋红、青色和黄色这三种由三原色组合而成的中间色。最后，通过将三原色光全部组合，如图4d所示，成功生成了白光。图5为色度图，该图显示通过调节三个激光二极管（LD）中的电流，不仅可以生成上述中间色，还可以实现所有颜色的输出。

图4 组合激光通过RGB多路复用器生成的实验图像（洋红色、黄色、青色和白色）

图5 由“红光、绿光、蓝光”三色激光通过RGB多路复用器所生成的色度图

综上所述，这项研究使用薄膜铌酸锂制造了一种RGB多路复用器，并通过实验验证了其工作性能。“红光、绿光、蓝光”三种不同的激光成功地通过该RGB多路复用器耦合为一束激光。因此，基于薄膜铌酸锂实现了一种有源集成光路（Active-PIC），相比于直接激光调制，该方案可实现更高速度和更低功耗的高分辨率激光束扫描。此外，通过溅射沉积制备的薄膜铌酸锂有利于实现大规模批量生产。

论文链接：https://doi.org/10.1117/1.APN.4.5.056001

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