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布喇格反射型宽带单晶薄膜体声波滤波器

压电与声光 2020年第3期42卷 303-306页

作者：王晓学帅垚田本朗白晓园吕露简珂罗文博吴传贵张万里电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室四川成都610054

该文研究了一种新型布喇格反射型薄膜体声波(BAW)滤波器的设计方法与制备技术。BAW器件选择机电耦合系数较大的Y43°-铌酸锂(Y43°-LN)单晶薄膜作为压电层材料,并以苯并环丁烯(BCB)作为晶圆键合层,采用离子注入剥离法将亚微米厚度的Y43... 详细信息

该文研究了一种新型布喇格反射型薄膜体声波(BAW)滤波器的设计方法与制备技术。BAW器件选择机电耦合系数较大的Y43°-铌酸锂(Y43°-LN)单晶薄膜作为压电层材料,并以苯并环丁烯(BCB)作为晶圆键合层,采用离子注入剥离法将亚微米厚度的Y43°-LN单晶薄膜转移至具有布喇格反射层的衬底。BCB既作为键合层,也作为布喇格反射层的第一低声阻抗层,实现了单晶BAW滤波器的制备。设计并制备了三阶BAW滤波器,中心频率为2.93 GHz,绝对带宽和分数带宽分别为247 MHz和8.4%。结果表明,采用薄膜转移技术制备的高机电耦合系数LN单晶薄膜能够实现大带宽BAW滤波器的制备。

关键词： BAW滤波器离子注入剥离法铌酸锂单晶薄膜机电耦合系数苯并环丁烯

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单晶薄膜体声波谐振器频率温度特性研究

压电与声光 2020年第4期42卷 448-452页

作者：简珂帅垚田本朗白晓园罗文博吴传贵张万里电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室四川成都610054

采用离子注入剥离法转移制备了43°Y-切铌酸锂(LiNbO3,LN)单晶压电薄膜材料,以SiO2/Mo作为声反射结构制备了固态声反射型薄膜体声波器件。谐振器工作频率约为3 GHz,LN薄膜等效机电耦合系数达到14.15%。对谐振器的频率温度特性进行了表征... 详细信息

采用离子注入剥离法转移制备了43°Y-切铌酸锂(LiNbO3,LN)单晶压电薄膜材料,以SiO2/Mo作为声反射结构制备了固态声反射型薄膜体声波器件。谐振器工作频率约为3 GHz,LN薄膜等效机电耦合系数达到14.15%。对谐振器的频率温度特性进行了表征,结果表明,尽管LN单晶的频率温度系数为(-70^-90)×10^-6/℃,但由于声反射结构中包含有正温度系数的SiO2层,谐振器的频率温度系数降至-18×10^-6/℃,这表明固态声反射结构能够有效抑制单晶LN薄膜的温漂,获得低频率温度系数的谐振器器件。

关键词：体声波谐振器离子注入剥离法铌酸锂单晶薄膜固态声反射结构机电耦合系数频率温度系数

LiNbO3单晶薄膜多元红外器件的设计与制备研究

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LiNbO3单晶薄膜多元红外器件的设计与制备研究

作者：李茂荣电子科技大学

学位级别：硕士

热释电红外器件具有响应时间短、工作温度范围宽、体均小、功耗低等优点,在军事领域和民用领域有着广泛应用,一直是非制冷红外器件的研究热点。铌酸锂单晶(LN)具有居里温度高、介电常数小、介电损耗低等优势,是较为理想的热释电材料。... 详细信息

热释电红外器件具有响应时间短、工作温度范围宽、体均小、功耗低等优点,在军事领域和民用领域有着广泛应用,一直是非制冷红外器件的研究热点。铌酸锂单晶(LN)具有居里温度高、介电常数小、介电损耗低等优势,是较为理想的热释电材料。近年来,通过离子注入剥离技术制备的铌酸锂单晶薄膜具有与单晶块体基本一致的晶体结构和热释电性能,显著提高了热释电器件的探测性能,使得通过微细加工工艺制备基于LN单晶薄膜材料多元红外器件,满足手势识别、多气体探测等领域对红外探测器件的需求成为可能。针对以上需求,本文提出了通过离子束刻蚀实现LN单晶薄膜图形化的方法,开展了NiCr吸收层的制备及表面处理工艺研究,分析并确定了热释电薄膜及上电极图形化的工艺方案,仿真研究了敏感元结构对器件性能的影响,最终制备了3×3元红外器件并测试了其性能。1.优化了NiCr薄膜作为红外吸收层的制备及表面处理工艺。采用磁控溅射作为NiCr薄膜的制备方法,研究了镀膜时间、靶电流、氩气压强对NiCr薄膜红外反射率影响,得到了优化的NiCr薄膜制备工艺参数(0.1A靶电流、1.0Pa氩气压强),上述参数下制备的NiCr薄膜在2～12μm波段的红外反射率均在50%以下。对NiCr薄膜红外反射率和表面形貌的关系进行了分析,提出采用稀硫酸腐蚀粗化薄膜表面以降低反射率的方法,使NiCr薄膜红外反射率进一步降低至45%以下。2.探讨了热释电薄膜及NiCr薄膜的图形化工艺流程。研究了离子束刻蚀热释电薄膜的可行性,结果表明可通过控制刻蚀时间控制刻蚀深度,刻蚀表面平整,刻蚀侧壁与刻蚀表面接近垂直。基于离子束刻蚀作为热释电薄膜图形化的方法,通过前后两次修正最终确立了lift-off工艺实现NiCr薄膜图形化、光刻胶套刻作为刻蚀掩模的多元红外器件敏感元结构制备方案,并通过电性能测试说明所制得的敏感元可正常工作。3.研究了敏感元结构的图形化设计。建立了基于吸收层、热释电层、底电极和隔热层图形化设计的仿真模型。对仿真模型的上述四个膜层面积分别进行了参数化扫描仿真,得到了敏感元的温度变化速率与热源频率的关系,分析了膜层图形化对器件的输出响应及隔热性能的影响。最终确认了由100nm厚及面积为1mm×1mm的NiCr薄膜吸收层、刻槽2mm的热释电层、刻槽0.25mm的底电极构成的3×3元红外器件结构的图形化设计。4.完成了3×3元红外器件的封装测试。设计了器件的处理电路,针对器件的不同测试制作了不同的封装管壳。测试了敏感元的输出响应一致性,敏感元的电压响应均匀性可达到99.1%;测试了敏感元间的热串扰,非吸收元的响应电压幅值小于吸收元的15%;测试了敏感元的频率响应特性,在5Hz至300Hz的红外辐射频率下,比探测率D随调制频率的升高而有增大的趋势,在300Hz时D达到测试的最大值,接近9×10c m·(Hz)/W。

关键词：铌酸锂单晶薄膜离子束刻蚀 NiCr红外吸收层敏感元结构图形化

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介电晶体光波导的制备及其应用

科学通报 2021年第16期66卷 1968-1982页

作者：贾曰辰王士香谭杨王磊陈峰山东大学物理学院晶体材料国家重点实验室济南250100

介电光学晶体种类繁多,具有丰富的功能属性,在科学研究、生产生活的各个领域有着广泛的应用.光波导是基本的光学微结构之一.基于介电光学晶体的光波导结构是组成集成光子学器件的重要元件.利用飞秒激光直写或者载能离子束辐照技术,可以... 详细信息

介电光学晶体种类繁多,具有丰富的功能属性,在科学研究、生产生活的各个领域有着广泛的应用.光波导是基本的光学微结构之一.基于介电光学晶体的光波导结构是组成集成光子学器件的重要元件.利用飞秒激光直写或者载能离子束辐照技术,可以有效调控晶体材料局部区域的折射率分布,形成低损耗的光波导结构.本文将介绍介电晶体光波导(包括单晶薄膜)的制备方法及相关的波导性能,综述介电晶体光波导在激光产生、非线性光学频率转换、信号调制以及量子信息中的应用,并对这一领域的未来研究进行展望.

关键词：介电晶体光波导飞秒激光微加工离子注入铌酸锂单晶薄膜

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铌酸锂导模谐振结构的光学性质研究

铌酸锂导模谐振结构的光学性质研究

作者：曹春雨华东师范大学

学位级别：硕士

铌酸锂作为一种优秀的材料,近年来在光电领域成为热门的研究对象,具有十分优异的物理性质,如电光、声光、非线性、铁电等,并且熔点高机械性质稳定,透明光谱超宽,在集成光子学和非线性领域有着重要的应用。由于加工技术的进步,人们制备... 详细信息

铌酸锂作为一种优秀的材料,近年来在光电领域成为热门的研究对象,具有十分优异的物理性质,如电光、声光、非线性、铁电等,并且熔点高机械性质稳定,透明光谱超宽,在集成光子学和非线性领域有着重要的应用。由于加工技术的进步,人们制备了高折射率对比度的单晶铌酸锂薄膜,以此来限制和操控光场,基于铌酸锂薄膜材料,可以研发出各种性能优异的光电器件,例如光学谐振腔、电光调制器、波长转换器和周期性极化铌酸锂等。光栅结构作为一种改变相位常用的手段,能够对样品超浅刻蚀,保持对样品较小的破坏,即使微调制也能够使得样品的光谱等特性与未刻蚀结构的平板薄膜形成强烈的对比,实现改变结构的近场和远场分布。通过铌酸锂薄膜和谐振波导光栅的结合,利用全介质光栅的导模共振特性,可以实现可见光的横向泄漏导模,实现高品质因子的共振模式,以此加强光和物质的相互作用,可以实现波长选择局域场增强。同时在光栅结构的基础,设计了光栅耦合器,实现可见光波段光场向波导高效的耦合。主要内容如下:1.基于铌酸锂薄膜设计了一种亚波长光栅结构,近场实现了电场和磁场的增强,局域在光栅结构内,远场在共振处增强了反射并减弱了透射。系统性地研究了这种超浅刻蚀的亚波长光栅导模谐振光谱的特性,具体研究了光栅周期、填充因子、刻蚀深度等结构参数对共振峰的波长位置以及线宽的影响,又重点研究了不同偏振态以及入射角度对于光谱的响应。利用非对称光栅结构实现了超高品质因子的准BIC模式,这种超高Q值的局域场增强,同时结合铌酸锂较大的二阶非线性系数实现了高效的二次谐波转化。2.基于亚波长光栅结构设计了一种空间光耦合器,以此实现对可见光高效的耦合。对于光栅耦合器而言,耦合效率是评价其性能的重要的指标。针对可见光的目标波长,分别研究了包括入射光的角度偏振以及光栅的结构参数等对于耦合效率的影响,然后结合粒子群算法寻找较高的耦合效率。

关键词：铌酸锂单晶薄膜导模谐振连续谱中的束缚态二次谐波光栅耦合器

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基于铌酸锂薄膜的偏振分束及模阶转换器研究

基于铌酸锂薄膜的偏振分束及模阶转换器研究

作者：姜瑞昭江南大学

学位级别：硕士

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)作为一种同时具备优异的声光、电光和非线性光学特性的材料受到了人们的广泛关注。LNOI有望在光子学领域中替代硅材料,为解决通信系统中传输损耗大、传输带宽不足的问题提供方案。未来,基于LNOI平台的光子集成芯片... 详细信息

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)作为一种同时具备优异的声光、电光和非线性光学特性的材料受到了人们的广泛关注。LNOI有望在光子学领域中替代硅材料,为解决通信系统中传输损耗大、传输带宽不足的问题提供方案。未来,基于LNOI平台的光子集成芯片将会在光通信、大数据、云计算、人工智能等领域彰显出巨大的应用价值。光通信系统通常采用模分复用或偏分复用两种复用技术来进一步提升数据带宽。模分复用系统利用模式转换器产生不同的模态作为信息的通道进行传输,而偏分复用系统利用偏振分束器使两种偏振态分别携带信息能将传输容量提高一倍。目前,偏振分束器和模式转换器通常都是独立的波导结构。若能将它们进行合理地结合,则可以有效提高片上整体集成度。所以,同时具备偏振分束与模式转换功能的集成器件对片上复用传输还是特别需要的,也将助力LNOI平台光子集成技术的快速发展。全文的主要研究内容及创新点归纳如下:一、本文基于LNOI平台设计了一种三波导偏振分束及模式转换器。该器件可以同时实现输入TE模和TM模之间的偏振态分离以及从输入TE模到输出TE模的模式转换且性能相对较好。仿真结果表明,输入TM模式时,该器件的消光比为26.15 d B,插入损耗为0.47 d B。输入TE模式时,TE模到TE模的模式转换效率达到99.6%,串扰为-22.82 d B,插入损耗为0.12 d B。此外,通过增加交叉输出波导的宽度,所述器件方案可进一步扩展至其他高阶TE模的输出,具备良好的器件功能可扩展性。二、目前制造出的铌酸锂薄膜波导,其侧壁往往呈倾斜状。为了研究加工工艺所造成的侧壁倾斜对器件性能的影响,本文基于侧壁倾斜的LNOI波导设计了一种DC结构的偏振分束器,并优化了器件性能。该器件在1550 nm的工作波长下,其消光比达到23.15 d B,工作带宽超过70 nm,制造容差约为15 nm。由仿真结果可知,通过对器件的关键参数进行分析和优化,能有效降低侧壁倾斜对器件性能造成的影响。三、在充分考虑铌酸锂薄膜的研究现状及加工工艺的基础上,优化设计了一种波导侧壁倾斜的LNOI偏振分束及模式转换器。仿真结果显示,输入TM模式时,该器件的消光比为29.91 d B,插入损耗为0.67 d B。输入TE模式时,TE模到TE模的模式转换效率达到97.56%,串扰为-16.22 d B,插入损耗为0.39 d B。如果通过同时保持器件的消光比大于20 d B,串扰小于-13 d B来设置严格的评价标准,器件的带宽约为54 nm。

关键词：铌酸锂单晶薄膜偏振分束及模式转换器片上光子集成

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柔性压电薄膜声发射传感器研究

柔性压电薄膜声发射传感器研究

作者：孙星林电子科技大学

学位级别：硕士

声发射传感器在无损检测方面有着重要的作用,被广泛应用于多种重要基础设施和科研设施的状态检测上。传统的声发射传感器有着灵敏度高、工作频域广的优点,但其厚度较大,且没有柔性,因此不适用于弯曲物体表面,也不适合在狭小空间内工作。... 详细信息

声发射传感器在无损检测方面有着重要的作用,被广泛应用于多种重要基础设施和科研设施的状态检测上。传统的声发射传感器有着灵敏度高、工作频域广的优点,但其厚度较大,且没有柔性,因此不适用于弯曲物体表面,也不适合在狭小空间内工作。PVDF薄膜具有不错的柔性和良好的压电性能,铌酸锂单晶具有良好的压电性能,小尺寸的铌酸锂单晶薄膜也能适应弯曲表面,使用这两种材料制备柔性压电薄膜声发射传感器有着良好的前景。本文的研究目的是,对基于上述两种材料的柔性薄膜式声发射传感器进行设计和仿真,摸索出两种声发射传感器的制备工艺,并对传感器成品的厚度、柔性、响应特性、温度稳定性等进行测试,探究影响传感器性能的因素,为制备出高性能的传感器提供依据,最终搭建声发射传感器阵列,测试其定位声发射源的能力。本文的主要工作包括:1)基于传感器薄、具有柔性的需求,设计出电极分置于铌酸锂薄膜两侧的铌酸锂压电式声发射传感器结构,以及以导电铜箔同时作为封装层、屏蔽层和导线的PVDF压电式声发射传感器结构,尽可能地提高传感器的柔性,降低传感器的厚度。2)基于传感器结构,使用COMSOL Multiphysics软件,对传感器的性能特征进行仿真。仿真计算表明,铌酸锂声发射传感器应采用36°Y切型的铌酸锂薄膜,且铌酸锂声发射传感器和PVDF声发射传感器在厚度伸缩振动和剪切振动两种工作模式下,各自有着不同的响应规律。对柔性电路板的仿真则表明,柔性电路板上的两条铜导线可以构成谐振腔。3)探索柔性压电薄膜声发射传感器的制备工艺,制备出了基于铌酸锂和PVDF两种材料的柔性声发射传感器,并对传感器的响应特性、信噪比、厚度和曲面适应性进行了测试与表征。结果表明,铌酸锂声发射传感器宜采用边长为2 mm的正方形铌酸锂晶片、对称式电极和内嵌式结构,该规格的传感器厚度156μm,能适应曲率半径为30 mm的曲面,同时对断铅信号有着60 dB的灵敏度,信噪比不低于30dB;而PVDF声发射传感器宜采用边长为10 mm的正方形PVDF薄膜,其灵敏度高达65 dB以上,信噪比不低于35dB,可以适应曲率半径为32 mm的曲面,且能在有着高灵敏度的同时尽可能保持对高频信号的探测能力。较低的厚度、良好的曲面适应性和大带宽、高灵敏度、高信噪比的优点,使得这两种传感器适合在狭小空间内对具有弯曲表面的物体进行声发射监测。4)对传感器的温度稳定性、指向性和工艺可重复性进行测试,测试结果表明,两种传感器都有着良好的温度稳定性,但PVDF传感器不适用于80摄氏度以上的高温环境;两种传感器的灵敏度对声发射信号的方向不敏感,具有良好的空间对称性;PVDF传感器的工艺可重复性要优于铌酸锂传感器的制备工艺。5)使用传感器搭建传感器阵列,测试制得的传感器所组成的阵列定位声发射源的能力,证明了两种传感器组成的阵列都有着良好的空间定位能力,但铌酸锂传感器阵列的定位精度高于PVDF传感器阵列。

关键词：铌酸锂单晶薄膜聚偏氟乙烯声发射传感器柔性

基于铌酸锂薄膜的三波导偏振分束及模式转换器

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科学技术创新 2022年第6期 180-183页

作者：姜瑞昭徐银倪屹江南大学江苏无锡214122

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)对集成光学的发展有着重要意义,而高效的偏振分束与模式转换器件的设计是集成光学需要解决的一个基本问题。本文在充分考虑铌酸锂薄膜的研究现状及加工工艺的基础上,提出了一种基于铌酸锂薄膜的三波导偏振分束及模... 详细信息

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)对集成光学的发展有着重要意义,而高效的偏振分束与模式转换器件的设计是集成光学需要解决的一个基本问题。本文在充分考虑铌酸锂薄膜的研究现状及加工工艺的基础上,提出了一种基于铌酸锂薄膜的三波导偏振分束及模式转换器,该器件可将输入的TM0和TE0模式进行高效分离并将TE0模式转换为TE1模式。通过严格的设计与仿真优化,在片上同时实现了高效偏振分离及模式转换的功能。此外,通过增加交叉输出波导的宽度,所述器件方案可进一步扩展至其他高阶TE模的输出,具备良好的器件功能可扩展性。

关键词：铌酸锂单晶薄膜偏振分束及模式转换器片上光子集成