priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2025-68-4-310-319pribor-362Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫOPTICAL AND OPTOELECTRONIC DEVICES AND COMPLEXESЗависимость оптических потерь от толщины буферного слоя между волноводом из тонкопленочного ниобата лития и металлическим электродомDependence of Optical Losses on the Thickness of the Buffer Layer Between a Thin-film Lithium Niobate Waveguide and a Metal ElectrodeБулатоваА. В.BulatovaA. V.

Анна Владимировна Булатова — аспирант кафедра общей физики; инженер‑исследователь

Пермь

Anna V. Bulatova — Post-Graduate Student Department of General Physics; research engineer

Perm

fofanova1996@mail.ruМоскалевД. Н.MoskalevD. N.

Дмитрий Николаевич Москалев — кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; ассистент кафедра общей физики; научный сотрудник; ведущий инженер‑исследователь

Пермь

Dmitriy N. Moscalev — M. Sc. Department of Nanotechnologies and Microsystem Technique; assistant, Department of General Physics; researcher; lead research engineer

Perm

moscalevdn@pnppk.ruСалгаеваУ. О.SalgaevaU. O.

Ульяна Олеговна Салгаева — канд. физ.-мат. наук; эксперт

Москва

Ulyana O. Salgaeva — PhD expert

Moscow

ulyanasalgaeva@yandex.ruМаксименкоВ. А.MaksimenkoV. A.

Виталий Александрович Максименко — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедра общей физики; доцент

Пермь

Vitaly A. Maksimenko — PhD, Associate Professor  Department of General Physics

Perm

mva30@mail.ruКриштопВ. В.KrishtopV. V.

Виктор Владимирович Криштоп — д-р физ.-мат. наук, профессор  кафедра нанотехнологий и микросистемной техники;  кафедра общей физики; профессор; главный научный сотрудник

Пермь

Victor V. Krishtop — Dr. Sci., Professor Department of General Physics, professor; Department of Nanotechnologies and Microsystem Technique, professor; chief scientist

Perm

Krishtop@pnppk.ruПермский национальный исследовательский политехнический университет; Пермская научно-производственная приборостроительная компанияРоссияPerm National Research Polytechnic University; Perm Scientific-Industrial Instrument Making CompanyRussian FederationПермский национальный исследовательский политехнический университет; Пермская научно-производственная приборостроительная компания; Пермский государственный национальный исследовательский университетРоссияPerm National Research Polytechnic University; Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company; Perm State UniversityRussian FederationСколковский институт науки и технологийРоссияSkolkovo Institute of Science and TechnologyRussian FederationПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation202507052025684310319Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20252025Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/362

Исследованы оптические потери в области пересечения изготовленного из золота электрода и оптического волновода из тонкопленочного ниобата лития. Снизить поглощение оптического излучения в волноводе, вызванное слоем золота, возможно путем подбора толщины буферного слоя. С использованием метода конечных элементов и численных методов Мюллера и Ньютона–Рафсона определена зависимость оптических потерь в волноводе от толщины буферного слоя. Показано, что при изменении толщины буферного слоя от нуля до одного микрометра величина оптических потерь в области пересечения волновода и электрода уменьшается с 6·102 до 10–3 дБ/см для фундаментальной TM-моды и с 102 до 10–3 дБ/см — для фундаментальной TE-моды. Корректность расчета подтверждается согласованностью данных, полученных тремя разными методами. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании функциональных элементов фотонных интегральных схем (фазовые, амплитудные модуляторы и др.) с минимальными оптическими потерями, обусловленными поглощением изготовленных из золота электродов.

The optical losses in the intersection region of a gold electrode and a thin-film lithium niobate optical waveguide are investigated. It is possible to reduce the absorption of optical radiation in the waveguide by selecting the buffer layer thickness. Using the finite element method and the Mueller and Newton–Raphson numerical methods, the dependence of the optical losses in the waveguide on the buffer layer thickness is determined. It is shown that when the buffer layer thickness changes from zero to one micrometer, the optical losses in the intersection region of the waveguide and the electrode decrease from 6·102 to 10–3 dB/cm for the fundamental TM mode and from 102 to 10–3 dB/cm for the fundamental TE mode. The correctness of the calculation is confirmed by the consistency of the data obtained by three different methods. The results can be used in designing functional elements of photonic integrated circuits (phase, amplitude modulators, etc.) with minimal optical losses due to absorption of gold electrodes.

тонкопленочный ниобат литияоптические потерибуферный слойобласть пересечения оптического волновода и электродаметод Мюллераметод Ньютона–Рафсонаметод конечных элементовthin film lithium niobateoptical lossesbuffer layerintersection region of optical waveguide and electrodeMueller methodNewton-Raphson methodfinite element methodисследования выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2023-0006).The research was carried out with the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. FSNM-2023-0006).ReferencesКозлов А., Салгаева У., Журавлев В., Волынцев А. Исследование кинетики реактивного ионного травления тонкопленочного ниобата лития во фторсодержащей плазме // Вестник Пермского университета. Физика. 2024. № 1. С. 56–71. DOI: 10.17072/1994-3598-2024-1-56-71.Kozlov A.A., Salgaeva U.O., Zhuravlev V.A., Volyntsev A.B. Bulletin of Perm University. Physics, 2024, no. 1, pp. 56–71, DOI: 10.17072/1994-3598-2024-1-56-71. (in Russ.)Deng C., Lu M., Sun Y. et al. Broadband and compact polarization beam splitter in LNOI hetero-anisotropic metamaterials // Optics Express. 2021. Vol. 29, N 8. P. 11627–11634. DOI: 10.1364/OE.421262.Deng C., Lu M., Sun Y. et al. Optics Express, 2021, no. 8(29), pp. 11627–11634, DOI: 10.1364/OE.421262.Gong Z., Yin R., Ji W. et al. Optimal design of DC-based polarization beam splitter in lithium niobate on insulator // Optics Communications. 2017. Vol. 396. P. 23–27. DOI: 10.1016/j.optcom.2017.03.028.Gong Z., Yin R., Ji W. et al. Optics Communications, 2017, vol. 396, рр. 23–27, DOI: 10.1016/j.optcom.2017.03.028.Gao R., Yao N., Guan J. et al. Lithium niobate microring with ultra-high Q factor above 108 // Chinese Optics Letters. 2022. Vol. 20, N 1. P. 011902. DOI: 10.3788/COL202220.011902.Gao R., Yao N., Guan J. et al. Chinese Optics Letters, 2022, no. 1(20), pp. 011902, DOI: 10.3788/COL202220.011902.Siew S. Y., Saha S. S., Tsang M. et al. Rib Microring Resonators in Lithium Niobate on Insulator // IEEE Photonics Technology Letters. 2016. Vol. 28, N 5. P. 573–576. DOI: 10.1109/OMN.2015.7288825.Siew S.Y., Saha S.S., Tsang M. et al. IEEE Photonics Technology Letters, 2016, no. 5(28), pp. 573–576, DOI: 10.1109/OMN.2015.7288825.Gong Z., Ji W., Yin R. et al. Tunable Microwave Photonic Filter Based on LNOI Polarization Beam Splitter and Waveguide Grating // IEEE Photonics Technology Letters. 2020. Vol. 32, N 13. P. 787–790. DOI: 10.1109/LPT.2020.2995607.Gong Z., Ji W., Yin R. et al. IEEE Photonics Technology Letters, 2020, no. 13(32), pp. 787–790, DOI: 10.1109/ LPT.2020.2995607.Xu M., He M., Zhang H. et al. High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform // Nature Communications. 2020. Vol. 11, N 1. P. 3911. DOI: 10.1038/s41467-020-17806-0.Xu M., He M., Zhang H. et al. Nature Communications, 2020, no. 1(11), pp. 3911, DOI: 10.1038/s41467-020-17806-0.Pan B.-C., Liu H.-X., Xu H.-C. et al. Ultra-compact lithium niobate microcavity electro-optic modulator beyond 110 GHz // Chip. 2022. Vol. 1, N 4. P. 100029. DOI: 10.1016/j.chip.2022.100029.Pan B.-C., Liu H.-X., Xu H.-C. et al. Chip, 2022, no. 4(1), pp. 100029, DOI: 10.1016/j.chip.2022.100029.Zhou J.-X., Gao R.-H., Lin J. et al. Electro-optically switchable optical true delay lines of meter-scale lengths fabricated on lithium niobate on insulator using photolithography assisted chemo-mechanical etching // Chinese Physics Letters. 2020. Vol. 37, N 8. P. 084201. DOI: 10.1088/0256-307x/37/8/084201.Zhou J.-X., Gao R.-H., Lin J. et al. Chinese Physics Letters, 2020, no. 8(37), pp. 084201, DOI: 10.1088/0256-307x/37/8/084201.Boes A., Corcoran B., Chang L. et al. Status and Potential of Lithium Niobate on Insulator (LNOI) for Photonic Integrated Circuits // Laser Photonics Reviews. 2018. Vol. 12, N 4. P. 1700256. DOI: 10.1002/lpor.201700256.Boes A., Corcoran B., Chang L. et al. Laser Photonics Reviews, 2018, no. 4(12), pp. 1700256, DOI: 10.1002/lpor.201700256.Li T., Liu Z., Pan A. et al. QAM signal with electric field sensor based on thin film lithium niobate // Chinese Optics Letters. 2023. Vol. 21, N 12. P. 120041. DOI: 10.3788/COL202321.120041.Li T., Liu Z., Pan A. et al. Chinese Optics Letters, 2023, no. 12(21), pp. 120041, DOI: 10.3788/COL202321.120041.Naznin S., Sher Md. S. M. Design of a lithium niobate-on-insulator-based optical microring resonator for biosensing applications // Optical Engineering. 2016. Vol. 55, N 8. P. 087108. DOI: 10.1117/1.OE.55.8.087108.Naznin S., Sher Md. S.M. Optical Engineering, 2016, no. 8(55), pp. 087108, DOI: 10.1117/1.OE.55.8.087108.Demin V. A., Petukhov M. I., Ponomarev R. S. Dynamics of the proton exchange process in benzoic acid interacting with lithium niobate crystals // Langmuir. 2023. Vol. 39, N 31. P. 10855–10862. DOI: 10.21203/rs.3.rs-2418797/v1.Demin V.A., Petukhov M.I., Ponomarev R.S. Langmuir, 2023, no. 31 (39), pp. 10855–10862, DOI: 10.21203/rs.3.rs-2418797/v1.Demin V. A., Petukhovy M. I., Ponomarev R. S. et al. Effect of permittivity on the ionic boundary layer upon protonation of lithium niobate // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2023. Vol. 16, N 5. P. 611–619.Demin V.A., Petukhovy M.I., Ponomarev R.S. et al. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 2023, no. 5(16), pp. 611–619.Sun L., Yip G. L. Analysis of metal-clad optical waveguide polarizers by the vector beam propagation method // Applied Optics. 1994. Vol. 33, N 6. P. 1047–1050. DOI: 10.1364/ao.33.001047.Sun L., Yip G.L. Applied Optics, 1994, no. 6(33), pp. 1047–1050, DOI: 10.1364/ao.33.001047.Антоненко С. В. Технология тонких пленок. М.: МИФИ, 2008. 104 с.Antonenko S.V. Tekhnologiya tonkikh plenok (Thin Film Technology), Moscow, 2008, 104 р. (in Russ.)Janner D., Tulli D., Belmonteand M. et al. Waveguide electro-optic modulation in micro-engineered LiNbO3 // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2008. Vol. 10, N 10. P. 10433. DOI: 10.1088/1464-4258/10/10/104003.Janner D., Tulli D., Belmonteand M. et al. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2008, no. 10(10), pp. 10433, DOI: 10.1088/1464-4258/10/10/104003.Nishihara H., Haruna M., Suhara T. Optical Integrated Circuits. McGraw-Hill Book Company, 1987. 374 p.Nishihara H., Haruna M., Suhara T. Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill Book Company, 1987, 374 p.Yu X. R., Wang M. K., Li J. H. et al. Study on the single-mode condition for x-cut LNOI rib waveguides based on leakage losses // Optics Express. 2022. Vol. 30, N 5. P. 6556–6565. DOI: 10.1364/OE.451842.Yu X.R., Wang M.K., Li J.H. et al. Optics Express, 2022, no. 5(30), pp. 6556–6565, DOI: 10.1364/OE.451842.Chen N., Lou K., Yu Y. et al. High-efficiency electro-optic modulator on thin-film lithium niobate with high-permittivity cladding // Laser Photonics Review. 2023. Vol. 17, N 11. P. 2200927. DOI: 10.1002/lpor.202200927.Chen N., Lou K., Yu Y. et al. Laser Photonics Review, 2023, no. 11(17), pp. 2200927, DOI: 10.1002/lpor.202200927.Guarino A., Poberaj G., Rezzonico D. et al. Electro–optically tunable microring resonators in lithium niobate // Nature Photonics. 2007. Vol. 1, N 7. P. 407–410. DOI: 10.1038/nphoton.2007.93.Guarino A., Poberaj G., Rezzonico D. et al. Nature Photonics, 2007, no. 7(1), pp. 407–410, DOI: 10.1038/ nphoton.2007.93.Яковлева Т. В., Арефьева Н. Н. Расчет геометрических параметров канальных волноводов для электрооптических модуляторов // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 5. С. 21–25.Yakovleva T.V., Arefieva N.N. Journal of Instrument Engineering, 2013, no. 5(56), pp. 21–25. (in Russ.)Москалев Д. Н., Вобликов Е. Д., Криштоп В. В., Максименко В. А., Волынцев А. Б. Моделирование межмодовой связи в изогнутых волноводах на основе тонкопленочного ниобата лития с помощью теории связанных мод // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 8. С. 697–712Moskalev D.N., Voblikov E.D., Krishtop V.V., Maksimenko V.A., Volyntsev A.B. Journal of Instrument Engineering, 2024, no. 8(67), pp. 697–712, DOI: 10.17586/0021-3454-2024-67-8-697-712. (in Russ.)Афанасьев В. М., Пономарев Р. С. Электрооптические амплитудные модуляторы Маха–Цендера на основе ниобата лития, их модификации и форматы модуляции // Прикладная фотоника. 2017. Т. 4, № 4. С. 337–360.Afanasyev V.M., Ponomarev R.S. Applied Photonics, 2017, no. 4(4), pp. 337–360. (in Russ.)Moskalev D., Kozlov A., Salgaeva U. et al. Applicability of the effective index method for the simulation of X-Cut LiNbO3 waveguides // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. P. 6374. DOI: 10.3390/app13116374.Moskalev D., Kozlov A., Salgaeva U. et al. Applied Sciences, 2023, vol. 13, p. 6374, DOI: 10.3390/ app13116374.Optical constants of Au (Gold), Johnson and Christy 1972: n, k 0.188–1.937 µm [Электронный ресурс]: https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Au&page=JohnsonOptical constants of Au (Gold), Johnson and Christy 1972: n, k 0.188 – 1.937 µm, https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Au&page=Johnson.Burden R. L., Faires J. D. Numerical Analysis. Boston: PWS Publishing Company, 1993. 768 p.Burden R.L., Faires J.D. Numerical Analysis, PWS Publishing Company, Boston, 1993, 768 p.Timoshenko S. P., Goodier J. N. Theory of Elasticity. McGraw-Hill, 1970. 529 p.Timoshenko S.P., Goodier J.N. Theory of Elasticity, McGraw-Hill, 1970, 529 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.