论文总字数：22858字

目 录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2铌酸锂晶体及其波导制备技术概论 2

1.3本论文主要工作 5

2退火质子交换制备MgO:PPLN脊形光波导 7

2.1工艺流程概述 7

2.2质子交换 7

2.3退火工艺 8

2.3脊波导切割 9

3铌酸锂波导设计理论 11

3.1 退火质子交换基本原理 11

3.2单模截止条件 12

4仿真结果与分析 14

4.1折射率模型分析 14

4.2脊波导结构分析 14

4.3脊形波导模场特性结果分析 15

4.3.1脊波导区域折射率为均匀情况下的模场分布 15

4.3.2脊波导区域折射率为渐变情况下的模场分布 16

5总结 19

参考文献 20

致谢 22

退火质子交换MgO:PPLN脊波导的设计与特性分析

李慧凝

, China

Abstract:In this paper, Mg-doped lithium niobate crystal is used as the base material. Planar waveguide structure can be fabricated as a ridge waveguide structure using waveguide preparation. Optical waveguide transmission in both directions by the constraints, enhanced power density and optical waveguide nonlinear effects. Currently it is hard to prepare Mg-doped lithium niobate preparation ridge waveguide by dry etching and a combination of direct bonding. So we generally use proton annealing method and diamond scribing machine precision cutting method to fabricate Mg-doped lithium niobate preparation ridge waveguide. Nonlinear Susceptibility theory, Maxwell Equation for Nonlinear Interaction theory and Coupled Wave Equations theory provide a theoretical for designing and fabricating Mg-doped lithium niobate preparation ridge waveguide. We use the generalized Gaussian function to describe annealed proton exchange (APE) ridge waveguide refractive index profile, simulate annealing around the ridge waveguide refractive index profile. We use simulation software to analyze the ridge waveguide mode field characteristics and ridge waveguide mode field distribution. We use finite element analysis of a ridge waveguide mode field characteristics.It focuses on the mode field distribution under the situation of both ridge waveguide uniform refractive index region and ridge waveguide gradient refractive index region. We can reach a conclusion that different waveguide dimensions and annealing time plays a crucial role in mode field-discipline.

Keywords: lithium niobate；ridge waveguide; annealed proton exchange ; mode field distribution

1绪论

1.1课题研究背景及意义

3-5μm中红外激光的大气穿透能力十分强大，因此中红外激光在光学通讯、自然环保、有机化学、以及国防等领域的应用非常广泛，并且具有非常重要的价值，尤其是在高灵敏度痕量气体检测领域占据至关重要的地位。因为许多重要气体分子（如CH₄、CO、NO_x、SO_x）在中红外波段存在强烈的基带吸收，其吸收强度比在近红外波段高2-3个数量级。现阶段，各式各样的中红外激光光源基于各不相同的激光产生原理应运而生，比如量子级联激光器、铅盐激光器等。但就现有技术水平而言，这些激光器仍存在诸如需低温制冷、价格昂贵等问题，在高灵度气体检测应用中存在一定的局限。另一方面，基于非线性晶体进行频率变换，特别是DFG方法，具有结构简单、调谐方便、室温运转和无阈值限制等优点,是获取中红外激光一种有效的途径^[1]。其中，周期极化铌酸锂晶体(PPLN)非线性系数很高、通光范围宽且价格低廉,特别是在PPLN晶体中掺杂一定摩尔比的MgO时，这种混合晶体的抗光损伤阈值可以大幅度增加，使得该晶体在集成光学和激光变频领域受到格外的青睐。

目前基于MgO:PPLN中红外差频产生激光光源有两种技术，一种是基于块状MgO:PPLN晶体的非线性频率转换技术，另一种是基于波导的非线性频率转换技术。对基于块状MgO:PPLN晶体的中红外差频光源而言，其具有价格便宜、性能稳定、输出光束质量好，但其突出的缺点是由于光斑尺寸与晶体长度之间存在制约，这使得DFG转换效率较低。若将MgO:PPLN晶体做成MgO:PPLN波导结构，可以将激光光束约束在截面积很小的区域内传输，可极大地提高中红外差频转换效率。对于差频产生中红外波导器件而言，主要有钛扩散波导、直接键合波导和退火质子交换波导。但是采用前两种方法制备的波导存在一些缺点：比如，钛扩散波导在抗光折变方面的性能差，光波转换效率低下，很难运用于高功率的情况之下。直接键合波导在一定的程度虽然可以改善转换效率，但是存在制备成本高、难度系数大等问题。然而通过退火质子交换制备波导的方法产生中红外便可以克服上述不足，既不会引入光折变损伤，也降低了制备成本。

针对运用退火质子交换工艺制备波导器件，目前国内外已有了较为成熟的工艺流程。二十世纪八十年代初期，Jackel和Rice等研究人员就开始运用质子交换的方法来制备了铌酸锂光波导。随后又有一系列的研究成果不断涌现^[2]。2011年，加拿大麦克马斯特大学徐长青教授研究组首次利用退火质子交（APE）技术制备了MgO:PPLN脊波导，在绿光倍频实验中获得了高达53%的光光转换效率。目前尚无利用APEMgO:PPLN脊波导获得高效中红外差频转换的研究报道。其主要技术难点在于，退火质子交换工艺制备的波导存在波导区域折射率渐变分布的特点，这使得该器件在用于中红外差频转换时存在基频光和闲频光模场分布重叠因子小，转换效率低等问题。如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段，充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点。

国内在九十年代初开始了对退火质子交换波导进行了系统性的研究，并且已经在国内外诸多权威期刊进行了发表和公开，对于MgO:PPLN波导，根据光在传播方向上受到的限制，波导可以分为平面光波导（在一个方向上限制光场）和条形光波导（在两个方向上限制光场）。研究表明，若将平板波导制备成脊形结构，由于脊形波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。且脊形波导具有较好的抗光折变性能，大大增加了波长在转换过程中的稳定性，进而提高了激光波长在进行非线性频率变换过程中的转换效率。目前，国内仅有北京世维通公司采用了退火质子交换法制备出铌酸锂波导调制器，并且现在已经广泛的应用于市场中光纤传感和相干光通讯等诸多领域，但目前利用相关的工艺技术制备波导器件，使其满足全光信号处理的需求，在国内仍然是一项难点，而生产出含有自有知识产权的波导器件对整个光通信以及光模块领域起到了至关重要的作用。

1.2铌酸锂晶体及其波导制备技术概论

铌酸锂是一种目前市场上功能比较成熟的晶体，它是一种人工的晶体，这是现代晶体合成技术的典型成功案例。在工业生产中制备铌酸锂晶体是一种提拉的过程，这一点众所周知。然而，在一定条件下生长的铌酸锂晶体呈现出具有较大浓度的内在缺陷，此时便可以通过掺杂不同浓度比的杂质来改变缺陷。铌酸锂晶体是一种透明的晶体，这种晶体一般情况下是无色的，部分无色中呈现黄绿色。铌酸锂晶体运用的领域相当广泛，它的声光性、电光性、非线性以及双折射性等物理性质都呈现良好^[3]。其中，铌酸锂晶体的物理机械性能非常稳定，抗腐蚀性能优良，可以耐高温并且加工成本具有明显优势，易生长成大尺寸晶体，它的优越特性是极少数晶体可以媲美的，因此它作为一种重要功能性材料在开辟新的应用领域中起到至关重要的作用^[4]。目前已经在光参量振荡，光波导基片，光通讯调制器，光隔离器等方面获得广泛实际性应用。通常我们把铌酸锂晶体称作非线性光学的硅材料，主要是因为由于它很强的综合优势，比如：首先，在激发可见光情况下，铌酸锂作为一种无机材料具有非常大的非线性系数，它的非线性系数可以达到27pm/V；其次，由于350纳米至5000纳米是铌酸锂的透光范围，当基频波和谐波在可见光范围内产生时，光波的损耗都较为小；然后，众多材料在市场上应用中，产品实用性的制约因素，生产的成本和产量都是作为考察材料实用性的十分重要指标，铌酸锂作为商业应用材料具有较为成熟的制备工艺以及相对低廉的价格，因而在实际应用过程中成为较为流行的光学材料^[5]。周期极化的铌酸锂晶体简称为PPLN,它的非线性系数很大，光波能够通过的范围很大，一般0.4微米至5微米之间的光波都可以通过，在正常温度下该晶体的物理性质和化学性质都不易发生改变。PPLN具有众多优良特性，然而将它置于强激光的环境下工作时，则需要加热该晶体，来弥补光折变的缺陷。将PPLN的晶体放置在可以调控温度的温控炉中，此时将温度设置大于100摄氏度，这便可以达到消除晶体光折变损伤的目的。总体上说来，PPLN晶体非线性系数很好，它的非线性系数远高于KDP和KTP，在比损伤阙值功率小的情况下，实现非线性的转化十分有效。

一般情况下，我们通过控制所掺入的杂质离子的种类和浓度，来达到改变和优化铌酸锂晶体的光折变性能的目的。20世纪80年代初期，南开大学的研究人员发现向铌酸锂晶体中掺入镁元素，它的浓度大于4.6mol%的情况下，与纯晶体的抗光损伤性能相比，掺镁晶体的抗光损伤性能要增加2个数量级。我们在研究掺杂的镁元素的量，对铌酸锂晶体的本身的抗光折变性能的影响时，发现其中存在双阙值的效应。当掺杂的镁元素的量比阙值大时，会大大增加铌酸锂晶体的抗光折变性能^[6]。当继续增加掺入镁元素的量与晶体的铌和锂元素的比时，该混合晶体的抗光折变性能又继续被很大的提高，这种情况下的掺入镁元素的量定义作第二阙值。我们将一般所提到的阙值定义作第一阙值。我们依据光折变的微观机制分析，第一阙值与光折变受主的大部分消失相对应；第二阙值与光折变施主的大部分消失相对应。可以预测，铌酸锂晶体掺杂量达到双阙值后，混合晶体的抗光折变性能会比纯晶体增加至少五个数量级。可以得出铌酸锂晶体中铌元素和锂元素的比例关系对该晶体的双阙值效应影响很大。对于当铌酸锂晶体接近化学计量比时，仅仅掺入微量的镁元素便可以到达第一阙值以及第二阙值。例如，在近化学计量比的铌酸锂晶体中，掺入摩尔浓度为2mol%的镁元素，便可以增加铌酸锂的光损伤的阙值八千倍。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：22858字

相关图片展示：