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缓冲质子交换近化学计量比LiNbO3光波导的制备与表征

缓冲质子交换近化学计量比LiNbO3光波导的制备与表征

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作者：徐庆东天津大学

学位级别：硕士

铌酸锂(LiNbO,LN)晶体具备优良的电光,压电,非线性光学等性能,在可见光和近红外波段具有较低的传输损耗。与同成分铌酸锂(CLN)晶体相比,近化学计量比铌酸锂(NSLN)晶体表现出更强的电光和非线性效应以及较低的畴反转极化电压等优势。因此... 详细信息

铌酸锂(LiNbO,LN)晶体具备优良的电光,压电,非线性光学等性能,在可见光和近红外波段具有较低的传输损耗。与同成分铌酸锂(CLN)晶体相比,近化学计量比铌酸锂(NSLN)晶体表现出更强的电光和非线性效应以及较低的畴反转极化电压等优势。因此,本文首次利用质子交换法详细地研究了NSLN在不同条件下的扩散系数,建立了两种扩散机制;其次对质子交换后晶体腐蚀特性进行定性分析;最后采用缓冲质子交换和退火技术制备了NSLN条形光波导,并对条波导进行表征。本文工作为制作高质量的PPLN波导开辟了一条新的路径。本论文主要进行了以下几个方面的研究和探讨:一、采用Z切CLN晶体作为初始材料。使用VTE技术制备出NSLN晶体,将CLN晶体和NSLN晶体放入不同浓度(0%～3%)的交换液中在不同温度(210℃、225℃、245℃)下质子交换,接着部分样品在不同温度(300℃、360℃、376℃)下退火,制作了一系列平面光波导,使用棱镜耦合仪测量并用IWKB法拟合出相应的波导折射率分布,计算出交换和退火扩散系数。二、对NSLN晶体和CLN晶体扩散系数进行分析。结果表明CLN晶体中的退火扩散系数始终比NSLN晶体中的值大,而两种材料中交换扩散系数的大小关系要根据交换液浓度和交换温度而定。通过对比NSLN晶体和CLN晶体中交换和退火扩散系数的大小关系,总结出两种扩散机制:交换扩散机制和退火扩散机制,质子交换过程是这两种扩散机制共同作用下的结果。对质子交换后晶体放入混合酸中在不同时间(0～600min)下进行腐蚀,得到腐蚀特性结果,从而确定合适的交换液浓度、交换温度和时间、退火温度和时间来制作NSLN条形光波导。三、使用Z切CLN和NSLN晶体作为初始材料。采用磁控溅射在材料+Z面光刻制作出二氧化硅掩膜,然后在225℃下使用2.5%的缓冲液质子交换60h,再在320℃下退火20h得到8μm宽的条波导。对制备的条波导进行表征:首先利用Rsoft软件对1550nm波长下条波导近场模式进行仿真;其次搭建近场模式采集系统,对CLN和NSLN波导的近场模式进行了采集,得到沿宽度方向模场分布满足高斯分布,沿深度方向模场分布满足厄米高斯分布,与仿真结果相吻合;最后在1.2cm的波导长度下,计算出CLN和NSLN波导插入损耗分别为2.4d B和2.9d B,耦合损耗分别为0.39d B和0.41d B,得出CLN和NSLN条波导传输损耗分别为0.85d B/cm和1.23d B/cm,并且采用截断法对两种材料的传输损耗进行测试计算,得出CLN和NSLN条波导传输损耗分别为0.75d B/cm和1.25d B/cm。

关键词：近化学计量比缓冲质子交换铌酸锂光波导扩散系数

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薄膜光波导声光调制器的制作及性能研究

薄膜光波导声光调制器的制作及性能研究

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作者：贾晨阳天津科技大学

学位级别：硕士

以铌酸锂薄膜为平台的薄膜声光调制器具有功耗低、稳定性好、高消光比、体积小、调制效率高、易于集成等优点。本课题针对铌酸锂薄膜光波导声光调制器展开了一系列的实验研究和理论分析,研究结果有较高的实用价值,对声光调制器的发展具... 详细信息

以铌酸锂薄膜为平台的薄膜声光调制器具有功耗低、稳定性好、高消光比、体积小、调制效率高、易于集成等优点。本课题针对铌酸锂薄膜光波导声光调制器展开了一系列的实验研究和理论分析,研究结果有较高的实用价值,对声光调制器的发展具有很好的指导意义。由于MZ结构的光波导具有较低的附加损耗、较高的耦合效率,所以本论文选用MZ光波导作为主要研究对象,主要工作内容包括:1、设计一种叉指电极与行波电极相结合的电极结构和MZ光波导结构,并进行了仿真:1)波导宽度分别为5.3μm、5.15μm、5.0μm,张角分别为θ=0.0573°和θ=0.0564°,声光相互作用区长度分别为1.8cm和2.3cm;2)叉指换能器的叉指宽度设计为6.75μm,叉指长度为1.8cm,周期为27μm,电极厚度为100nm,电极对数为8;3)行波电极电极间距为11.5μm,宽度为7μm,二氧化硅厚度为1.2μm。本文使声光调制器的工作频率可以根据射频信号的频率进行改变,增加了器件的灵活性。2、进行了薄膜光波导声光调制器的制作:1)对制作光波导的核心技术缓冲质子交换进行研究,确定交换条件为:交换液浓度3%,交换温度245℃,交换时间5h,退火温度370℃,退火时间3h30min;2)本实验选用X切铌酸锂薄膜作为初始材料,完成了薄膜光波导声光调制器的整体制作。本文通过对初始材料的选择以及交换条件的研究,有效地减小了声光调制器产生的插入损耗。3、对薄膜光波导声光调制器的性能进行测试:1)对薄膜光波导声光调制器进行插入损耗的测试,最低损耗为3.5d B,达到声光调制器损耗要求;2)近场模式,分析了模场对插入损耗的影响,并且通过对光波导两臂光强的判断,得出薄膜光波导声光调制器具有较高的调制效率;3)设计并搭建了薄膜光波导声光调制器的测试系统,测试衍射效率,并对结果进行了分析。本文完成了薄膜光波导声光调制器设计,并成功在X切铌酸锂薄膜上制作出声光调制器,经过测试对比分析,结果表明使用薄膜材料制作的调制器相比于体材料而言,在损耗、调制效率等方面都有着较大的优势。本文论文工作为后续薄膜声光调制器的研究奠定了基础。

关键词：声光调制器光波导叉指换能器缓冲质子交换插入损耗近场模式衍射效率

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低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器的研究

低损耗铌酸锂薄膜光波导声光调制器的研究

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作者：尹承静天津科技大学

学位级别：硕士

铌酸锂晶体具有优良的声光、压电以及非线性光学特性,其中Y切铌酸锂具有较高的机电耦合系数,可以有效地激发声表面波,因此是制作声光制器的首选切向之一。另一方面,利用薄膜结构可以更好地限制声表面波的传输。因此,在铌酸锂薄膜材料上... 详细信息

铌酸锂晶体具有优良的声光、压电以及非线性光学特性,其中Y切铌酸锂具有较高的机电耦合系数,可以有效地激发声表面波,因此是制作声光制器的首选切向之一。另一方面,利用薄膜结构可以更好地限制声表面波的传输。因此,在铌酸锂薄膜材料上制作波导声光调制器,不仅可以充分利用材料的性能,还能利用结构的优势进一步提高器件的调制效率,降低插入损耗。本课题针铌酸锂薄膜光波导声光调制器进行了一系列理论和实验研究,所获成果具有重要的理论意义和实用价值。本论文所开展的工作包括:一、铌酸锂薄膜波导声光调制器的设计,1)材料的选择-综合考虑光波导和叉指换能器对材料的要求,选择0度Y切铌酸锂单晶薄膜作为初始材料;2)光波导的设计-选择MZ型波导为基本制作单元,MZ波导工作区两臂的中心间距15μm,长度1.8mm,线宽4.8-5.5μm,对输入输出端Y分支结构进行了优化;3)叉指换能器的设计-叉指宽度设为7.5μm,叉指长度设为1mm,中心间距为15μm,电极厚度为300nm,叉指对数为8。二、铌酸锂薄膜波导声光调制器的制作,1)使用缓冲质子交换技术制备平面光波导。缓冲液浓度分别为1.5%,2%,3%,在同一温度(245℃)下交换不同时间(32h,54h,70h)制备出平面光波导,用棱镜耦合法测量了所制备的平面光波导的折射率分布,计算出其波导深度(1.6μm,1.8μm,1.3μm);2)对不同浓度下交换获得的样品进行了抗腐蚀性能研究,结果表明浓度为3%的缓冲液有利于光波导的制作。最终选择MZ光波导的制作条件为3%浓度的缓冲液中245℃下交换90h,360℃下退火4h10min。三、铌酸锂薄膜波导声光调制器的光学性能表征,1)测量光插入损耗,利用端面耦合测试系统,测量了一系列光波导的插入损耗,其中最小值为1.7d B,符合低损耗的标准(Insertion Loss缓冲质子交换技术成功在Y切铌酸锂薄膜上制备出了MZ型光波导,损耗可低至1.7d B,为下一步波导声光调制器的制作奠定了基础。

关键词：声光调制器光波导缓冲质子交换插入损耗近场模式调制效率

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