我们介绍了使用薄膜铌酸锂器件用于电场传感应用的结果。演示了基于微环调制器和马赫-曾德尔调制器的电场传感器。微环谐振器传感器可用于低频(高达几GHz)的电场传感应用，并可实现80 mV/(m Hz1/2)的高灵敏度，且尺寸非常紧凑，为300μm，仅受使用的分布式反馈激光器的强度和相位噪声的限制。这些传感器的测量带宽为2.5GHz，受检测器带宽的限制。另外，马赫-曾德尔调制器允许射频信号和光信号之间的完美相位匹配，并且它们可以用于高达几个太赫兹的电场感应。在相互作用长度为600μm的马赫-增德尔电场传感器上获得了2.2 V/(m Hz1/2)的灵敏度。根据计算结果，马赫-曾德尔传感器可以感应频率达到0.6THz的电场。
薄膜铌酸锂电场传感器
（本文译自Thin film lithium niobate electric field sensors（Seyfollah Toroghi ,Payam Rabieia)）
1介绍
电光电场(E-field)传感器在许多应用中都需要，例如天线近场表征，太赫兹信号检测，加速器中的带电粒子束表征，电网监测，和射频消融手术。电光方法是测量电场的zui佳方法之一，电场会导致电光晶体的折射率变化。然后可以用精确的测量设备检测到这种变化。由于电光材料是一种介电材料，它不会干扰或散射电磁场。此外，由于光纤电缆用于传输信号，任何附加的布线都不会吸收噪音，因此，探头可以在非常嘈杂的环境中使用，并且测量的信号仅与探头位置的e场有关。zui后，电光响应非常快，因此电光电场传感器可以用来调制光信号，从而检测太赫兹范围内的电信号。
大尺寸回音壁模式环形谐振器调制器和波导马赫-曾德尔调制器已被用于检测射频e场。具有高品质因数的光环谐振器可以提高传感器的灵敏度，但测量带宽(BW)将受限于微环谐振器的带宽波导马赫曾德尔调制器具有较高的带宽，但体积大，空间分辨率低另外，块状晶体可用于测量电场，其长达几毫米，可以达到0.1 V/(m Hz1/2)的灵敏度水平。
薄膜铌酸锂(TFLN)器件zui近被用于光学调制器、微波移频器、梳状发生器和各种其他光子器件功能。提出了基于TFLN技术的电磁场传感器。
在给定电场与光信号相互作用长度的情况下，电场传感器灵敏度的优劣值与r/ε成正比，其中r为电光系数，ε为电光材料的射频介电常数。对于TFLN传感器，由于薄膜层的体积比衬底小，因此有效射频介电常数近似等于衬底介电常数。石英的介电常数比铌酸锂的介电常数小20倍。因此，通过在低介电常数衬底(如石英)上使用TFLN波导，可以实现显着高于具有相同相互作用长度的体或波导传感器的灵敏度水平。
此外，TFLN传感器允许太赫兹信号和光信号之间的相位匹配以前，使用相位匹配的TFLN波导调制器已经在实验中实现了高达太赫兹的调制速度在TFLN平台中，太赫兹信号的有效折射率几乎等于SiO2(或石英衬底)的折射率(在波长为1550 nm时为~ 2)，并且不受亚微米厚TFLN的影响。该折射率接近于通过TFLN波导的光导模的有效折射率。因此，在太赫兹信号和光信号之间更容易实现相位匹配。自由空间TFLN调制器可以用来表征太赫兹自由空间信号。
zui后，利用TFLN技术，可以制造更复杂的传感器，如波导微环谐振器。这同时实现了小尺寸和高灵敏度，这是许多电磁场传感器的新应用所需要的，如微波消融手术或电子电路检测设备。本文综述了利用TFLN技术制备微环和马赫-曾德传感器的研究进展。
2．设备结构
马赫-曾德尔调制器、微环结构和马赫-曾德尔干涉仪耦合环结构(MZICR)分别如图1(A) -1 (c)所示，是三种不同的器件结构，用于电光电场传感器。所有的结构都是通过将器件蚀刻到与石英衬底结合的TFLN中来制造的，该衬底与集成光子芯片通过光纤耦合，该芯片具有光栅耦合器，可以将光纤中的光耦合到芯片上的亚微米铌酸锂光波导上。
图1所示。(a)马赫-曾德电磁场传感器原理图，(b)微环谐振器传感器，(c)马赫-曾德干涉仪耦合微环谐振器原理图。
对于Mach-Zehnder器件结构，耦合光使用1×2多模干涉(MMI)耦合器装置在Mach-Zehnder干涉仪的两臂之间进行分割。Mach-Zehnder干涉仪的一个臂被极化以逆转铌酸锂晶体的自发极化方向。因此，对于一个手臂，折射率增加给定的e场，而对于相同的e场，另一个手臂的折射率减少。因此，通过两个臂的光的相位在相反的方向上被调制。输出的MMI耦合器将这两个调相信号组合在一起，产生一个强度调制信号。基于大块铌酸锂结构的Mach-Zehnder 电场传感器带宽限制在20GHz，而基于TFLN结构的Mach-Zehnder 电场传感器可以检测到几个太赫兹的电场。利用TFLN波导技术，可以设计传播太赫兹信号与光波之间的相位匹配。理论上可以实现10THz的调制带宽，实验表明调制速度接近1THz。电光调制器的频率相关传递函数可由下式表达
式中，l、ωRF、nRF、no分别为电光调制器长度、射频频率、射频折射率、光学折射率。对于我们目前正在生产的使用铌酸锂厚度为600 nm的非好相位匹配器件，图2显示了不同长度器件的归一化调制响应∣TRF∣2作为调制频率的函数。使用我们目前的600 μm长器件，理论带宽接近600 GHz。
图2所示。计算了不同器件臂长TFLN(厚度为600 nm)调制器的调制带宽。
对于微环结构，生产了两种类型的器件。图1(b)显示了一个简单的环形结构耦合到波导。对间隙进行了优化，以实现临界耦合。将激光波长调整到接近器件的共振波长，以实现高的调制信号。该微环型器件不需要插杆，简化了其制造过程。另外，可以使用MZICR装置，其激光波长调整到谐振器的波长。电磁场引起相位调制，通过马赫-曾德尔干涉仪结构转换为强度调制信号。对于MZICR型器件，不仅可以获得略高的灵敏度，而且可以采用平衡检测方案来降低噪声。此外，与简单的微环设备相比，控制激光波长以匹配谐振器的共振更容易，因为有两个输出可用。然而，所有基于谐振的器件在调制带宽方面都有固有的限制，其近似等于谐振器线宽。
3．制作过程
基于TFLN平台的光学Mach-Zehnder调制器的制作流程如图3.10,13所示。TFLN平台是通过使用晶体离子切片方法将薄层铌酸锂转移到石英衬底上实现的，如图3(a)和3(b)所示。将大块铌酸锂晶体离子注入并结合到石英衬底上。随后的加热过程将一层薄薄的铌酸锂转移到石英衬底上。转移的单晶TFLN具有与大块铌酸锂晶体相同的光学和电光性质。制备TFLN后，将电极放置在样品上进行后续的极化处理，如图3(c)和3(d)所示。然后使用高压电源为Mach-Zehnder型传感器对设备进行极化，其中对Mach-Zehnder传感器的选择臂进行极化，如图3(d)所示。为了使器件极化，将其浸入硅油中，并对样品施加高于铌酸锂矫顽力场(~ 22 kV/mm)的e场。图4显示了通过该器件的典型极化电流。然后取出电极。下一步，使用电子束光刻对传感器的光学电路进行图像化，并通过干蚀刻铌酸锂层形成，如图3(e)所示。图3(c)和图3(d)中所示的制造步骤被省略，用于制造环形谐振器传感器，其中器件结构被蚀刻到铌酸锂层中，没有任何电极或极化过程。光纤v型槽阵列随后被对准并连接到器件上，以实现光纤耦合器件结构。关于制造过程和器件结构的更多细节在参考文献10中进行了解释。
图3所示。基于TFLN的Mach-Zehnder传感器芯片的制造工艺步骤。(a)离子注入和铌酸锂晶体与石英衬底的结合。虚线表示锂铌酸盐层的离子注入层。(b)晶体离子切片工艺及TFLN生产。(c)极化电极沉积。(d)高压极化过程。电子束光刻、蚀刻、波导形成和聚合物钝化层沉积。箭头表示TFLN层的自发极化方向。
图4所示。通过器件的典型极化电流。
4．器件特性
A.环形谐振式电场传感器
图5(a)显示了一个制造和封装的基于微环谐振器的电磁场传感器的图像。可以看出，封装的传感器非常紧凑。目前封装的器件max可达3 ×3 mm2。然而，未封装的器件可以设计成整个器件与光纤直径一样小(即250 μm)。微环谐振器和马赫-曾德尔调制器的光纤间插入损耗为13 dB[见图5(b)]。图5(c)显示了制造的环形谐振器的光传输。环形谐振器的质量因子为1.2 ×105，线宽为12 pm (1.5 GHz)，计算的传播损耗为2.5 dB/cm[见图5(d)]。通过改进制造工艺，可以实现0.1 dB/cm的低插入损耗，从而获得更好的灵敏度。然而，由于谐振会更窄，这将限制器件的工作带宽，并且为了获得更高的灵敏度，将需要非常窄的激光线宽，因为任何相位噪声都会在微环谐振器器件后转换为强度噪声。使用该技术，预计灵敏度级别为5 mV/mHz1/2，max带宽为~ 300 MHz。
图5所示。(a)封装的电场传感器头，(b)测量光栅耦合器的插入损耗(通过两个输入和输出耦合器后)，(c)制造的环形谐振器在TFLN上的归一化传输，(d)拟合数据计算波导的传播损耗。
图6所示。电场环形谐振器传感器在100khz、12v正弦电压下电极间隙为14mm时的响应测量。
图6显示了微环形谐振器传感器的灵敏度测量结果，其中将光纤连接的环形谐振器放置在提供均匀电场的平行板电容器内。使用函数发生器对电容器极板施加100 kHz和12 V的正弦偏置。电容器极板间距设为14mm。我们使用了一种低成本的分布式反馈(DFB)激光器，其中进行温度调谐以将激光的波长锁定在谐振器的共振波长上。激光器输出功率为12.7 dbm，采用转换增益为40000 V/W的探测器。图6显示了使用电气频谱分析仪测量的信号。测量了−31 dBm的信号，噪声本底为−86 dBm。考虑到光谱仪的分辨率带宽(BW)为10 Hz，传感器的灵敏度为180mv /(mHz1/2)。
图7所示。(a)测量的传输频谱，(b)测量的MZICR谐振器结构器件的频率响应，(c)传感器高频特性的测量设置，(d)测量的面内和面外电场与传感器相对于传输线的位移的关系。
图7(a)为实测的MZICR透射谱。这种类型的传感器在共振波长处灵敏度高。使用频谱分析仪测量该传感器的灵敏度为80mV/(m Hz1/2)。使用MZICR结构，灵敏度提高了2倍。此外，双输出允许使用平衡的检测方案，这反过来又导致更容易控制和锁定谐振波长到这种类型的传感器的激光波长的能力。利用来自平衡探测器和反馈回路的测量信号，我们调整激光波长以跟踪由于小温度变化引起的共振位移。因此，我们可以很容易地控制激光波长使用一个简单的反馈回路的MZICR结构。
图7(b)显示了使用射频信号发生器测量共面传输线顶部电场的MZICR器件的测量频率响应，如图7(c)所示。本次测量的射频功率为23 dBm。共面传输线端接在一个50-Ω电阻中。该装置具有高达2.5 GHz的平坦频率响应，并且在此测量中使用的检测器带宽为2.5 GHz。因此，2.5 GHz处的信号下降与探测器的带宽有关，而与器件无关。
图7(d)显示了测得的电场与探头空间位置相对于传输线的关系。在共面传输线顶部位移传感器时，利用微米级测量了不同分量的电场。测量结果符合理论要求，具有良好的空间分辨率。
这些传感器的灵敏度与其他使用几毫米长的相互作用长度的技术相当。环形结构是一种非常紧凑的传感器，它可以用于同时需要高灵敏度和高空间分辨率的应用，例如医疗程序，等离子体表征和印刷电路板电磁兼容性测量。
B. Mach-Zehnder电光电场传感器
使用极化Mach-Zehnder结构，如图1(a)所示，我们制造并测试了电场传感器。如前所述，该装置使用平行板电容器放置在电场内。函数发生器用于向电容器板施加100 kHz, 12 V的正弦电压。电容器板的间距设置为从14到73毫米不等。激光功率设置为12.7 dBm。采用增益为40000 V/W的平衡检测器。图8(a)显示了当施加的正弦电场通过增加平行板电容器之间的间隙而变化时的测量信号，以及20mm间隙时的测量信号。信号与电极之间的距离成反比线性(带偏置)。偏置是由于传感器介电常数的负载效应导致平行板电容器的场发生轻微变化。图8(b)显示了在600 V/m正弦e场下使用频谱分析仪测量的信号，其中测量了−56 dBm的信号，本底噪声为−92 dBm。考虑到光谱仪的分辨率带宽(BW)为10Hz，计算出传感器的灵敏度低至2.2 V/(m Hz1/2)，估计带宽为600 GHz。我们已经测试了传感器在0-100℃范围内的功能，传感器的响应和灵敏度不受该范围内温度变化的影响。
图8所示。(a)测量的电场与电容间隙(圆)和测量的电场与电容间隙(菱形)的反比，用于马赫-曾德儿电场传感器，用于100kHz的12V正弦信号。(b)马赫-曾德尔电场传感器在100kHz、12V正弦电压、20mm间隙下的实测响应。
5．结论
设计、制作了基于TFLN的电光电场传感器，并对其进行了表征。本文研究了环形谐振器和马赫-曾德尔型两种类型的电场传感器。该平台包括位于石英衬底上的铌酸锂板层顶部的干蚀刻铌酸锂截面。制造的器件采用光纤V型槽阵列封装，其中每个光栅耦合器的插入损耗为6.5 dB。MZICR谐振器和Mach-Zehnder谐振器的灵敏度分别为80 V/(m Hz1/2)和2.2 V/(m Hz1/2)。
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