本文报道了绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)电光(EO)时域太赫兹(THz)探测器的设计、制造和验证。由于材料的大电光系数、太赫兹波和光波的速度匹配工程以及大大减小了探测器尺寸，LNOI为自由传播的太赫兹波辐射脉冲和瞬态电场的电光探测提供了前所未有的性能。概念验证装置是使用薄膜铌酸锂光波导实现的，形成一个马赫-曾德尔干涉仪，干涉仪臂在相反方向上电极性。太赫兹波从自由空间有效地耦合到完全介电器件，而无需使用天线或等离子体。成功地探测了频率高达800 GHz的太赫兹波。该探测器允许检测高达4.6 MV/m的太赫兹频率电场。该装置的观测频率响应与理论预测吻合得很好。
本文译自Thin‑film lithium niobate electro‑optic terahertz wave detector（Ingrid Wilke, Jackson Monahan, Seyfollah Toroghi, Payam Rabiei & George Hine )）
亚皮秒太赫兹频率电磁辐射脉冲的自由空间电光采样对于时域太赫兹波谱学、时域太赫兹成像、光子时间拉伸测量、近场太赫兹波显微镜和时域太赫兹量子光学具有重要意义。测量方式需要0.1-10THz带宽的电光检测方案，太赫兹波谱和成像的检测阈值为~ 1V/cm，加速器和非线性太赫兹波谱的纵向电子束长度测量的动态范围为~ MV/cm。此外，射频(RF)、毫米(mm)和太赫兹频率电场的电光测量在加速器的电子束诊断、等离子体物理、生物医学传感、激光雷达、微波集成电路和天线表征等领域是必不可少的。
线性电光(EO)效应发生在非中心对称晶体中，其中外加电场改变材料的折射率，产生偏振和相位调制，也称为波克尔斯效应。电光效应在瞬间有效发生，实现了高时间分辨率。此外，全介电电磁传感器产生的采样电场畸变可以忽略不计。利用飞秒(fs)近红外(NIR)激光脉冲与自由传播的单周期亚皮秒太赫兹辐射脉冲或瞬态电场时间同步，探测太赫兹频率电场诱导下电光晶体的折射率变化。灵敏度取决于光晶体的波克尔斯系数、在光晶体中传播的太赫兹波和近红外波的速度匹配以及它们的相互作用长度。
铌酸锂(LN)是一种用于高频电场传感的通用材料，因为它具有大的电光材料系数，对可见光和近红外波(0.4-5µm)具有高透明度，对RF, mm和THz波(< 10 THz)具有低吸收。由绝缘体上的铌酸锂薄膜(LNOI)制成的紧密受限铌酸锂波导为速度匹配、色散工程和准相位匹配工程提供了前所未有的可能性。开创性的概念验证使用薄膜铌酸锂(TFLN)平台，例如高速电光调制器, 电光频率梳状发生器，以及zui近的太赫兹波形合成。
本文报道了利用铌酸锂薄膜在绝缘体上制作的光子集成电路对自由传播的太赫兹辐射脉冲进行时间分辨电光探测。电光太赫兹波探测器的设计方法创新地利用和集成了薄膜LNOI、光子集成电路微加工和商用通信波长光纤等材料科学的进展。作为概念验证，一个原始的薄膜LNOI电光探测器芯片已经被设计、制造和表征。利用该原型装置演示了对频率高达800 GHz的自由传播亚皮秒太赫兹辐射脉冲电场的有效相敏检测。
太赫兹频率电场的电光探测利用大块电光晶体。探测器的灵敏度和带宽受到电光晶体内近红外和太赫兹电场相位失配(直接与折射率失配相关)的限制。LN (LiNbO3)是一种电光晶体，具有很强的线性电光调制(电光系数r33 = 30.8 pm/V)。大块LN晶体在太赫兹和亚太赫兹频率处表现出不利的高相位失配(f = 0.1THz时∆n = nTHz - nopt = 4.39，λopt = 1550 nm)，当用于检测自由传播的太赫兹辐射脉冲时，产生较差的信噪比(SNRs) 。电场灵敏度低至1Vm−1Hz−1/2已被证明，但由于大块晶体固有的相位失配特性，铌酸锂电光探测器的带宽受到限制。对于100GHz以上频率的电光采样，ZnTe和GaP提供了更大的带宽(ZnTe: fc = 3THz；GaP: fc = 7 THz)，但由于电光系数低于铌酸锂 (ZnTe: r41 = 3.90 pm/V；GaP: r41 = 0.97 pm/V)。
LN (LiNbO3)由于具有更大的电光系数，因此在电场的电光探测方面优于ZnTe和GaP。重要的是，薄膜LNOI通过适当设计光波导，可以实现太赫兹波信号和近红外波的完美相位匹配。此外，通过使用保偏光纤引导和耦合激光束进出探测器，大大简化了激光探测光束与太赫兹探测器的有效、稳定的空间对准。由于光子集成电路取代了多个大块光学元件(以及它们的机械安装和支架)，电光太赫兹传感器的尺寸和重量大大减少。未来，具有成本效益的薄膜LNOI探测器芯片的晶圆级制造设想将变成现实。
使用铌酸锂和光子集成的电光太赫兹波探测器由器件概念表示，其中入射太赫兹波电场使用等离子体天线和等离子体器件局部增强。我们的研究目标是通过开发一种光子集成的全介电电磁传感器来推进技术。该设备对于射频/毫米/太赫兹频率电场和波的非侵入性测量非常重要，在这种环境中，沉积在铌酸锂上的金属结构可能会扭曲待检测的电场模式。
结果
光子集成电路
薄膜LNOI电光太赫兹传感器设计如图1所示。它由一个Mach-Zehnder (MZI)干涉仪部分(图1a)和一个输入和两个输出光栅耦合器(图1b)组成。在Mach-Zehnder干涉仪部分，使用1 × 2 MMI耦合器将光纤耦合光分成两臂。一个MZI臂被极化以逆转铌酸锂晶体的自发极化方向(图1c)。因此，对于一个MZI臂，在给定的电场下折射率增加，而在相同的电场下，另一个臂的折射率会减少。因此，通过MZI的激光在一个臂中经历了+ φ的相移，在另一个臂中经历了−φ的相移。太赫兹波从自由空间耦合到MZI 电光传感器，激光探针脉冲利用垂直于传感器芯片表面的保偏光纤耦合到电光传感器芯片。目前的器件由600nm铌酸锂在500um熔融二氧化硅衬底上制成，工作波长为1550nm。输出MMI 2×2结合这些两相调制信号并产生强度调制信号。
该传感器是用x切割LiNO3制造的，其中异常轴在平面内，平行于传感器芯片的表面(图1c)。激光探测光以TE模式在光波导中传播，激光的电场方向与表面平行。太赫兹波的电场平行于异常轴。太赫兹波和光波都共线传播。对于这种安排，MZI的输出由式(1)描述:
式(2)中，c为光速，ωopt = (2πc/λ)为探测激光的光频，ne = 2.15为LiNO3在λ = 1550 nm处的非凡折射率。LiNO3的电光系数为r33 = 30.9 pm/V。太赫兹波电场大小为ETHz，干涉仪臂长度为1，传递函数TRF(ωRF)定义为(2):
式中，ωR为太赫兹频率，nRF为SiO2的太赫兹频率折射率，nopt为LiNO3的折射率。
图1所示。(a)薄膜铌酸锂(LN)光子集成电路(PIC)示意图俯视图。太赫兹波(波矢kTHz)平行于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的两个臂，平行于光探测波(波矢kopt)。太赫兹波电场方向平行于由MZI的两个臂形成的平面。(b)测量时，将有效面积≈10µm(臂距)× 600µm(臂长)的薄膜铌酸锂电光(EO)太赫兹波传感器芯片放置在太赫兹辐射束旁边或附近。束径> 1mm的太赫兹辐射束示意图为圆柱体。此图未按比例绘制。所述光纤垂直于电光传感器芯片的表面平面。集成光栅将光探针激光器光与光波导耦合。(c)绝缘熔融石英薄膜铌酸锂波导的截面示意图。LiNO3晶体取向为x切割(平面内异常轴(e))，太赫兹电场平行于LiNO3的异常轴。光波以TE模式在波导中传播，具有平面内的光电场(未绘制)。用灰色虚线箭头表示LiNO3的本征极化。(d)左:装在塑料外壳中的传感器的照片，并标明了长度刻度。右图:说明电光微芯片在塑料外壳内位置的示意图。
光子集成
微型光纤耦合薄膜LNOI 电光太赫兹波探测器如图1d所示。将微加工低损耗近红外波导、电极化铌酸锂和光纤引入到瞬态太赫兹频率电场的电光检测中，可以实现以前由多个体光学元件支持的功能的高水平集成，四分之一波板/沃拉斯顿棱镜，或另一个分析仪/偏振器对消除。利用光纤简化了入射太赫兹辐射和激光探测光束与电光晶体的精确空间对准。
探测器带宽
近红外激光探测脉冲与太赫兹波电场在太赫兹晶体中运动时的相位匹配是有效探测太赫兹频率电场的关键。对于具有近红外色散的电光材料，当太赫兹波的相速度等于近红外脉冲包络速度(或群速度)时，可以实现相位匹配。
在熔融二氧化硅(SiO2)衬底上的薄膜LiNO3中，太赫兹波的传播速度由SiO2的折射率决定，由于铌酸锂薄膜的体积与SiO2相比非常小，因此不受其影响。熔融石英在600 GHz处的折射率为nRF = 1.95。该折射率接近于λ = 1550 nm处光模在薄膜铌酸锂波导中传播的群有效折射率nopt = 2.4。计算得到的器件归一化调制响应|TRF|2随调制频率的变化如图2所示。在这项工作中测试的器件具有600µm的交互长度l和640 GHz的预测3db带宽。
图2。计算了600µm路径长度的MZI型电光太赫兹波传感器在熔融二氧化硅(蓝色)和晶体石英衬底(红色)上的薄膜铌酸锂波导的调制响应。考虑40 fs探测激光脉冲(λ = 1550 nm)在一米光纤中熔融石英薄膜铌酸锂和600µm电光相互作用长度的色散调制响应(黑色虚线)。
图3.(a)薄膜铌酸锂电光太赫兹波传感器测量的时域太赫兹波辐射脉冲。平滑时域测量(黑色实线)覆盖在原始数据(灰色)上。(b)测量太赫兹波形的近景。
观察结果
薄膜LNOI电光太赫兹波探测器对时域测量的入射太赫兹波辐射脉冲的响应如图3所示。该信号的时间分布与OH1晶体经飞秒激光脉冲光学整流产生的太赫兹波辐射脉冲的典型分布非常吻合。测量到的太赫兹辐射脉冲的持续时间约为7ps，记录的信号在观测到的~ 1.4 ps的时间尺度上从max的负值变为max的正值。
信噪比
对于放大激光系统的太赫兹波产生/探测，在我们的实验中，以1 kHz激光脉冲重复率发射200µJ脉冲，数据采集是在单次射击(单激光脉冲)水平上进行的。图3a中绘制的时域太赫兹波表示单个激光脉冲产生的N = 16个太赫兹波的平均值。如图3所示，我们测量的信噪比(SNR)是典型的单次数据采集，由激光脉冲与激光脉冲能量波动决定。这导致在OH1晶体产生太赫兹波时太赫兹波电场强度的脉冲间波动。观察到的信噪比是探测器的固有特性。未来对更多波形进行平均将提高信噪比，信噪比为SNR≈√N，其中N代表单独记录波形的数量。线性光电探测器阵列的光谱灵敏度在350和5000nm之间，帧采集速率为106-107帧/秒，用于电光解码，文献33,34中有记载。使用这种类型的仪器，信噪比可以提高到≈104。
传感器带宽
在时域记录的信号的傅立叶谱如图4所示。观测到的光谱轮廓是由光学整流产生的太赫兹辐射脉冲的特征。观测到的低频率和高频率分别约为100GHz和800GHz。
在图4中，将薄膜LNOI电光探测器的频率响应与太赫兹波源的频谱和根据式(2)计算的MZI调制器带宽进行比较。薄膜LNOI电光太赫兹波探测器的测量频率响应与调制器响应的预测低频和高频极限非常吻合。在高频率(> 500 GHz)下，与计算响应相比，观察到测量到的探测器响应衰减。
与理论预测相比，观测到的探测带宽的高频衰减可以用光纤中40fs激光脉冲的色散来解释。光纤色散将3dB带宽降低到310 GHz(图2)。然而，光纤色散可以通过使用色散补偿光纤有效地减轻fs探测激光脉冲的光纤色散。与理论预测相比，观察到的器件在低频(< 250 GHz)处的衰减响应是时域太赫兹波探测器的典型特征，这是由于几何孔径效应限制了低频波的有效收集所致。
太赫兹波与光波折射率失配(∆n = nRF−nopt)对传感器探测带宽的影响可从(2)中直接理解。当∆n趋于零时，传递函数TRF趋于统一。因此，必须min化索引不匹配以max化检测带宽。这可以通过调整波导几何形状来调整nopt36，增加包层来调整nRF21，或者使用不同的衬底材料来实现。如图2所示，用结晶石英代替熔融石英将使3dB传感器的带宽从640 GHz(熔融石英)增加到1太赫兹(结晶石英)以上。
图4。薄膜铌酸锂电光太赫兹波传感器频率响应(灰色实线)与OH1太赫兹波辐射源发射的太赫兹波频谱(红色虚线)的比较。当nRF = 1.95(熔融石英)和nopt = 2.4时，考虑40 fs探测激光脉冲光纤色散，电光相互作用长度为l = 600µm的薄膜LNOI调制器的计算带宽用黑色实线表示。
传感器带宽
用半波电场Eπ表示式(2):
由式(3)可知，当TRF(ωRF) = 1时，半波电场为Eπ = 4.2 × 106 V/m。
半波电场π代表了当前器件的太赫兹频率电场传感动态范围的上限。动态范围的下限由min可测量相移φ设定。这取决于数据采集的方法。利用锁相检测和高重复频率脉冲激光器，可以测量太赫兹频率电场引起的φ≤10−4rad的相移。由式(3)可知，当π = 4.2 × 106 V/m时，该器件感应太赫兹频率电场的动态范围下限为ETHz = 1.3 × 103V/m。
对于相同的电光相互作用长度l = 600µm和调制响应TRF(ωRF)，由于薄膜铌酸锂具有较高的电光系数和较低的折射率，因此与ZnTe和GaP相比，薄膜铌酸锂产生更高的相移φ。这可以通过比较电光材料的半波场Eπ来说明:Eπ LN = 4.2 × 106 V/m < Eπ ZnTe = 1.6 × 107 V/m < Eπ GaP = 4.4 × 107 V/m(对于ZnTe和GaP，电光系数和折射率分别为r41 ZnTe = 3.9pV/m, nZnTe = 2.73, r41 GaP = 0.97 pm/V, nGaP = 3.1)。
由式(1)可知，对于大小为ETHz的太赫兹电场，相移是由激光探针波长λ、传递函数TRF(ωRF)和MZI臂长度l决定的，增加相互作用长度l和减小激光探针波长λ可以增加相移。固有地，min化传递函数TRF(ωRF)也将max化器件灵敏度。因此，通过降低指数失配∆n = nRF - nopt，同时提高了信噪比和检测带宽。
该器件的灵敏度还受到传播矢量kTHz和kopt的对准(图1 (b))的影响，因为该器件的有源面积小(10 μ m臂距× 600 μ m臂长)。如果ETHz不平行于铌酸锂的平面内异常轴，则施加的太赫兹频率电场ETHz仍然与波导的TE模式相互作用，但r33系数不再在全强度下起作用，相移−ϕ减小。当传播矢量kTHz和kopt之间的夹角α > 0时，由x切割铌酸锂制成的MZI型电光传感器在旋转作用下的电光摄动(EOP)由式37描述:
例如，当kTHz与kopt之间的角度为α = 10°时，旋转下的电光扰动为EOP = 0.97，灵敏度比完全准直时降低3%(图5)。利用LN材料介电特性vε11 = ε22 = 4.889， ε33 = 4.569, r22 = 3.4pV/m, r23 = 8.6pV/m, r33 = 30.9pV/m进行估计。利用z -切割LN37制成的MZI型电光传感器可以消除灵敏度旋转时的EOP。
图5。根据参考文献36计算的x切割LN(平面内异常轴)旋转下的电光摄动。如果太赫兹波(kTHz)不平行于引导TE光模(kopt)传播，那么kTHz与kopt之间的夹角为α，则太赫兹波电ETHz通过波克尔斯效应引起的相移φ减小。
图6。太赫兹辐射脉冲产生和太赫兹波电光探测器测试的实验安排。
结论
综上所述，本文报道了用绝缘体技术制备铌酸锂薄膜光子集成电路的设计与制作。利用Mach-Zehnder调制器成功地对自由传播的单周期太赫兹波辐射脉冲进行了时域测量。太赫兹波从自由空间耦合到全介电电磁微芯片探测器，而不需要金属天线和等离子体结构。原型装置的测量带宽与理论计算的调制器响应一致。演示的概念验证是面向科学和工业广泛用户的薄膜LNOI太赫兹波测量系统的重要一步。
方法
器件制造
薄膜LNOI晶圆是通过使用晶体离子切片方法将晶体铌酸锂的薄层转移到熔融二氧化硅衬底上而制备的。为此，将大块铌酸锂晶体注入离子并粘合到熔融二氧化硅衬底上。随后的加热过程将一薄层铌酸锂转移到熔融的二氧化硅衬底上。转移后的铌酸锂晶体薄膜具有与本体铌酸锂晶体相同的光学性质和电光性质。在熔融二氧化硅上产生薄膜铌酸锂后，金/铬电极沉积在晶圆上，用于后续的极化工艺。为了扭转马赫-曾德尔调制器单臂自发电极化的方向，将器件浸入硅油中，并在电极上施加高于铌酸锂矫顽力场(~ 22 kV/mm)的电场。电极去除后，使用电子束光刻技术对电光太赫兹波传感器的光学电路进行图像化，并通过铌酸锂层的干蚀刻形成。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。该装置插入塑料外壳中以保护光纤(图1d)。在工作波长λ = 1550 nm处，器件的光插入损耗为- 13 dB。在参考文献38 - 41中解释了制造过程和器件结构的更多细节。
通过测量LNOI电光电场传感器对100 kHz振荡电场的响应，对LNOI电光电场传感器的基本功能进行了测试和验证。测得探测器的灵敏度为2.2 Vm−1 Hz−1/2。试验的细节已在别处描述过。
实验安排
利用图6所示的两个超短1550 nm激光脉冲，在太赫兹频率下对薄膜LNOI电光探测器进行了表征。利用光纤发射级将激光探测脉冲自由空间耦合到器件的康宁PANDA保偏单模输入光纤中。激光泵浦脉冲通过光整流传输到有机晶体(OH1)产生太赫兹波。
光转换TOPAS Prime光参量放大器(OPA)泵浦采用相干Astrella Ti:Sapphire再生放大器，工作频率为1 kHz，产生超短的1550 nm激光脉冲。OPA发射的激光脉冲波长为1550 nm，能量为200µJ，脉冲长度为40 fs。激光束在可变偏振分束器中以7:1的比例分裂，其中P偏振(水平)泵浦光束通过可变延迟线传播到有机晶体以产生太赫兹波，S偏振(垂直)探针光束传播到光纤发射阶段。OH1晶体通过激光泵浦光整流产生太赫兹带宽辐射脉冲。文献42深入描述了太赫兹辐射脉冲产生的技术细节。
随后，产生的太赫兹辐射脉冲通过高密度聚乙烯(HDPE)滤波器传播。为了进行测试，电光 LNOI太赫兹波传感器位于HDPE滤波器下游5mm处。
通过在光纤入口面过度填充未衰减探头，实现了将激光探头脉冲耦合到探测装置的输入光纤中。这与放置在探头光束线上的f = 100 mm焦距透镜一起减轻了再生放大器中指向漂移的影响，并提供了在设备输出处测量的一致的探头影响。包层模式的可能性被认为可以忽略不计，因为由于1 × 2 MMI耦合器，它将无法有效地转移到器件中。
频率调制探头脉冲从MZ调制器臂耦合到两根康宁熊猫保偏光纤中，这两根光纤被导向Thorlabs高速InGaAs平衡光电探测器(PDB230C)。内部放大的PDB230C在50Ω负载下的跨阻增益为24.5 V/ A, 3db RF带宽为100 MHz。每根光纤上的准直器将激光聚焦到探测器的每个光电二极管中。差分信号，连同单个二极管上的光电流监视器一起被记录在示波器上，平均N = 16次。由于激光探测脉冲明显短于平衡光电探测器的电子时标，每条迹线的形状由探测器的脉冲响应给出，其大小与光影响的差异成正比。由于这种差异与太赫兹电场强度成正比，因此集成的平衡走线可以在特定的泵浦探针延迟下对太赫兹场进行瞬时测量。通过改变这一延迟，可以重建太赫兹电场的时间分布。
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