LNOI微环谐振器设计与调谐仿真 原创

关键词：Lumerical；LNOI；微环谐振器；模式求解；电光调谐

一、文章简要介绍

微环谐振器是光子集成芯片的万能零件：滤波、传感、非线性增强样样在行。但要在铌酸锂薄膜（LNOI）上做出高性能微环，一直被侧壁角、粗糙度和刻蚀深度卡脖子。RMIT大学量子光子学实验室在Scientific Reports上发了一篇研究（2019，DOI: 10.1038/s41598-019-47231-3），用Lumerical软件设计并制造了Z-cut LNOI大自由光谱范围（FSR）微环谐振器：30微米半径环FSR超过5纳米，70微米环实现3皮米每伏电光调谐，为片上滤波和量子光子器件铺平了道路。

图1 微环谐振器设计与Q因子仿真：(a)Q因子随耦合间隙变化曲线，(b)单模LNOI脊波导截面设计，(c-e)SEM显微图

图1是微环谐振器的设计与仿真总览：a是Lumerical Mode仿真的Q因子随耦合间隙变化曲线，b是单模LNOI脊波导的截面设计，c到e是制造过程中的扫描电镜照片。

二、仿真步骤

步骤一：波导模式设计。用Lumerical Mode模式求解器确定1550纳米波长下单模波导的几何参数。设计目标是在保证单模的前提下把TM偏振的弯曲半径压到最小。最终确定：顶宽650纳米、底宽840纳米、高350纳米的Z-cut脊波导，侧壁角75度，SiO2包层3微米，蚀刻深度350纳米。折射率对比约0.5，这是LNOI平台相比传统扩散波导（0.01到0.04）的核心优势。

图2 Lumerical Mode仿真：30微米半径微环的Q因子随耦合区域间隙变化（300纳米间隙对应Q约10000）

图2是关键的Q因子仿真：用Lumerical Mode计算30微米半径微环的Q因子随耦合间隙的变化。300纳米间隙使环与总线波导强过耦合，得到宽带宽谐振（FWHM约155皮米），这正是滤波应用需要的——相比追求极高Q的窄谐振，宽带宽更容易实用。

步骤二：群折射率与FSR计算。用全矢量模式求解器配合铌酸锂Sellmeier方程计算群折射率：TM模式2.33、TE模式2.38。自由光谱范围由FSR等于波长平方除以群折射率乘以环周长得到。仿真预测不同半径（30到90微米）的FSR在1.5到5.7纳米之间，与设计目标一致。

步骤三：模式特性对比。模式求解器还给出两种偏振的有效折射率：TE模式1.85（折射率对比度0.247）、TM模式1.72（对比度0.272）。TM模式对比度更高，意味着更小的可弯曲半径——这是30微米小半径微环能做成TM单模的关键。结合Q因子仿真反推：30微米半径下TM模式弯曲损耗约1.5分贝每厘米，而TE模式高达12分贝每厘米。

图3 微环谐振器实验表征：(a)逆锥波导透射谱，(b)TE与TM模式Q因子随半径变化，(c)(d)30微米与90微米环谱响应

图3是制造后的实验表征：a是逆锥波导的透射谱（用于法布里-珀罗损耗测量），b是TE和TM模式Q因子随半径的变化，c和d是30微米TM环和90微米TE环的谱响应。

三、关键结果与发现

第一个发现：TM模式完胜TE模式。30微米半径下，TM模式Q因子约9000，而TE模式只有约1200——差距来自弯曲损耗（TM的1.5分贝每厘米对TE的12分贝每厘米）。但随着半径增大，TE模式的Q因子显著提升，90微米环达到最高Q。这验证了高折射率对比度对弯曲损耗的决定性作用。

图4 测量Q因子与微环半径关系：TE模式Q随半径增大显著提升，TM模式基本不变

图4展示了两种模式Q因子随半径的相反趋势：TM模式基本不变（约9000），TE模式随半径增大显著上升——设计小半径微环选TM，追求高Q选TE加大半径。

第二个发现：仿真与实验高度吻合。实测FSR与理论曲线（红色实线）几乎重合，群折射率偏差小于2%。30微米环实测最大FSR 5.7纳米，与Lumerical设计预测一致。传播损耗上界低于0.5分贝每厘米，整片6毫米芯片的端到端插入损耗8分贝（用200微米逆锥改善耦合后，相比无锥的15分贝大幅改善）。

图5 FSR与模场分布：(a)(d)FSR随半径变化实验与理论对比，(b)(e)TE/TM基模场分布仿真，(c)(f)实测输出功率分布

图5是FSR与模场的综合对比：a和d是TE/TM模式FSR随半径的实验与理论对比，b和e是两种基模的电场分布仿真（TM模式更紧凑），c和f是扫描光纤测得的输出功率分布。

第三个发现：电光调谐达3皮米每伏。在波导上方3微米处沉积铬铝电极，用有限元求解器仿真静电场分布。对70微米环施加0到负55伏直流电压，谐振波长平均移动3正负0.04皮米每伏——这是当时Z-cut LNOI平台报道的最大调谐率。50微米及以下半径的环在低电压下就保持恒定的3皮米每伏，无电压偏置偏移。

图6 电光调谐：(a)静电场有限元仿真结果，(b)70微米环在-55V到0V下的谐振谱移动，(c)50微米环谐振偏移

图6是电光调谐的仿真与实验：a是电极结构的静电场有限元仿真（上电极铬铝、下电极接地的铬金铬多层），b是70微米环在不同电压下的谐振谱移动，c是50微米环在负10伏下的谐振偏移。

第四个发现：工艺能力同步突破。制造工艺实现了300纳米的波导-环耦合间隙（传统LNOI刻蚀只能做到约50度侧壁角，本工作达到75度），这对光栅耦合器、紧凑定向耦合器和多级滤波器的集成至关重要。与主流平台对比（表1）：SOI调谐26皮米每伏但需载流子注入，AlN仅0.18皮米每伏，本工作以无损耗电光效应实现3皮米每伏，兼顾调谐与低损耗。

图7 单模LNOI脊波导截面设计：顶宽650纳米、底宽840纳米、高350纳米，SiO2包层

图7是单模脊波导的截面设计细节：顶宽650纳米、底宽840纳米、高350纳米，这一几何同时满足单模条件、75度侧壁角和350纳米蚀刻深度，是Lumerical模式求解器优化的直接输出。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①Lumerical光子器件仿真（FDTD、MODE模式求解、Interconnect链路仿真）；②微环谐振器设计（FSR与Q因子优化、耦合间隙扫描、过耦合/临界耦合分析）；③波导设计与模式分析（脊波导/条波导、单模条件、弯曲损耗、模场分布）；④电光器件仿真（静电场有限元、电光调谐、电极设计）；⑤光子芯片工艺对标（侧壁角、蚀刻深度、粗糙度对损耗的影响）。如果你也在做铌酸锂或光子集成器件，这篇论文的Lumerical设计流程非常值得拆一遍。

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