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钛扩散LiNbO_3晶体光波导长周期光栅

光通信技术 2010年第1期34卷 12-14页

作者：谌贝王琴康田天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 河南黄河河务局信息中心郑州450004

设计了一种钛扩散铌酸锂(LiNbO3)晶体光波导结构,并在该基础上制作了长周期光栅。使用两步钛扩散方法在Z切LiNbO3基片上制造了波导,它包括一个单模芯层和一个平面包层,之后用光刻胶光栅置于波导表面。实验证明用这种结构设计长周期波导... 详细信息

设计了一种钛扩散铌酸锂(LiNbO3)晶体光波导结构,并在该基础上制作了长周期光栅。使用两步钛扩散方法在Z切LiNbO3基片上制造了波导,它包括一个单模芯层和一个平面包层,之后用光刻胶光栅置于波导表面。实验证明用这种结构设计长周期波导光栅是可行的。对光波导制造工艺和波导结构的深入研究,为制作高速电光调制型光栅提供技术基础。

关键词：铌酸锂长周期光栅光波导钛扩散

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钛扩散方法腐蚀掺镁铌酸锂晶体

钛扩散方法腐蚀掺镁铌酸锂晶体

作者：张培天津大学

学位级别：硕士

钛扩散进入铌酸锂晶片的过程被视为一种电化学反应。扩散过程中包含钛离子进入铌酸锂晶体的离子转移过程。钛离子取代铌在晶体中的位置,而铌离子则扩散进入基片的表面。这个电化学扩散过程被用于改变铌酸锂晶片的表面结构。本论文在国... 详细信息

钛扩散进入铌酸锂晶片的过程被视为一种电化学反应。扩散过程中包含钛离子进入铌酸锂晶体的离子转移过程。钛离子取代铌在晶体中的位置,而铌离子则扩散进入基片的表面。这个电化学扩散过程被用于改变铌酸锂晶片的表面结构。本论文在国内外率先开展了该方面的研究工作,并取得了一些初步实验结果,为进一步的研究奠定了基础。本论文的主要工作包括以下四个方面: 1.以掺杂氧化镁的同成份铌酸锂晶体为基底,在其表面一半溅射上钛膜,在其上覆盖另一片掺杂氧化镁的同成分铌酸锂晶体并紧密接触。在大约1050℃的高温下煅烧10个小时,扩散过程中,氧气通过60℃的水浴,并以1L/min的流速通入扩散炉。 2.进行了三组对比实验,定性的给出了钛膜厚度、扩散时间、扩散温度对掺杂氧化镁的同成份铌酸锂晶体的腐蚀深度的影响。即,增加钛膜厚度、延长扩散时间、提高扩散温度可以有效地增加铌酸锂晶体的腐蚀深度,并且,当初始钛膜厚度大于600nm左右的时候,腐蚀深度随着钛膜厚度的增加有所下降。 3.表面被腐蚀的情况将通过原子力显微镜来进行定性的描述,可以看出,被腐蚀的上片具有明显的被腐蚀的特征,并且被腐蚀表面几乎与原始晶片表面一样平滑;下片隆起部分非常明显,但是扩散后的表面变得异常粗糙。而且其隆起部分的边缘处也是非常陡峭,高度提升非常明显。腐蚀所产生的沟槽深度和粗糙度将使用台阶仪和原子力显微镜来进行定量的分析,腐蚀深度达到266.5nm,表面RMS粗糙度为1.3nm。 4.采用拉曼散射技术和X射线衍射技术对腐蚀后的铌酸锂晶片进行了晶相表征,其结果表明:用钛扩散方法腐蚀掺杂氧化镁的同成份铌酸锂晶体并未导致其他晶相的形成。

关键词：掺镁铌酸锂晶体钛扩散腐蚀 X射线衍射拉曼散射

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1.3μm钛扩散铌酸锂无间距方向耦合器

中国激光 1990年第5期17卷 282-285页

作者：郑能陆荣鑫蔡伯荣曹泽煌成都电讯工程学院重庆光机所

研制成功工作波长为1.3μm的钛扩散铌酸锂无间距方向耦合器,其ON/OFF比大于17dB,开关电压小于23V,器件电极电容6pf,理论带宽大于1GHz。

关键词：铌酸锂方向耦合器无间距钛扩散

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钛扩散近化学计量比铌酸锂光波导的制作和光学表征

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钛扩散近化学计量比铌酸锂光波导的制作和光学表征

作者：张文俊天津大学

学位级别：硕士

钛扩散铌酸锂(Ti:LiNbO)光波导是所有基于铌酸锂制作的波导器件的核心元件。而近化学计量比Ti:Mg:LiNbO波导比同成分Ti:LiNbO波导有更多的优点,如它具有较低的非寻常折射率,更强的电光效应。近化学计量比Ti:Mg:LiNbO波导未来将会在无源... 详细信息

钛扩散铌酸锂(Ti:LiNbO)光波导是所有基于铌酸锂制作的波导器件的核心元件。而近化学计量比Ti:Mg:LiNbO波导比同成分Ti:LiNbO波导有更多的优点,如它具有较低的非寻常折射率,更强的电光效应。近化学计量比Ti:Mg:LiNbO波导未来将会在无源和有源器件的开发中体现出新的应用。为了实现这一目标,我们应首先着力于研究制备近化学计量比Ti:LiNbO波导的方法。原则上,有3种可能的方法可以用来制备近化学计量比Ti:LiNbO波导。第一种方法是在近化学计量比LiNbO晶体上镀Ti条,但是Ti在LiNbO晶体中的扩散系数很低。第二种方法是Ti扩散与气相输运平衡(VTE)处理同时进行。第三种方法是先进行Ti扩散再进行VTE处理。前两种方法所需要的Ti扩散时间都相对较长,因此本文中使用了第三种方法制备近化学计量比Ti:LiNbO波导。本文完成的工作包括以下内容,利用标准的Ti扩散和VTE后处理方法制备出近化学计量比Ti:LiNbO单模(1.5μm波段)光波导。设计并建立了端面耦合系统,对所制备的近化学计量比Ti:LiNbO波导的TM和TE近场模式进行了采集并分析了模式特性,计算出该波导的TM和TE模式的传输损耗分别为1.0dB/cm和0.8dB/cm。利用二次离子质谱分析了波导区域Ti沿宽度和深度方向的分布可以分别拟合为两个误差函数的和与高斯函数。测量了该样品表面的紫外吸收边和双折射,对波导层Li2O的组分进行了分析,得到了有参考价值的结果。

关键词：钛扩散近化学计量比铌酸锂晶体气相输运平衡

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钛扩散铌酸锂波导及光栅的研究

钛扩散铌酸锂波导及光栅的研究

作者：闫广拓天津理工大学

学位级别：硕士

近些年,信息产业得到了迅速发展,光通信系统能够实现信息的高速化、大容量传输,使得构成全光通信网络的集成光学器件成为研究的重点,而波导器件作为集成光学器件的重要组成部分,受到人们广泛的关注。在制备波导器件的材料中,铌酸锂(LiN... 详细信息

近些年,信息产业得到了迅速发展,光通信系统能够实现信息的高速化、大容量传输,使得构成全光通信网络的集成光学器件成为研究的重点,而波导器件作为集成光学器件的重要组成部分,受到人们广泛的关注。在制备波导器件的材料中,铌酸锂(LiNbO)晶体因具有电光、声光、非线性和光折变等优良的光学性质,已被广泛应用。基于LiNbO晶体的波导制备工艺相对成熟,最常见的方法为钛扩散法和质子交换法,在此基础上,波导光栅的研究也得到了快速发展,制备波导光栅的常见工艺有:光折变,电子束刻蚀和激光直写等。本文以x切LiNbO单轴晶体作为基底材料,设计了钛扩散LiNbO单模波导,并对其进行了实验制备和光学表征,研究了晶片与光刻胶温度差对波导损耗的影响,此外,提出了两种制备波导光栅的实验方法。具体工作内容如下:1.利用光学射线法和有效折射率法分析了钛扩散条形波导的模式色散方程,并对色散方程进行了数值仿真,确定了钛扩散条形波导的单模条件。根据设计的单模条件,对钛扩散LiNbO波导进行了实验制备和光学表征,测量了波导的有效折射率和模场分布,并对实验数据进行了总结分析,结果表明,制备出的波导具有低损耗和单模特性。2.研究了晶片与光刻胶温度差对波导损耗的影响,分别在较高和较低LiNbO晶片与光刻胶的温度差条件下,制备了钛扩散LiNbO波导,并对其进行了测量,对比实验结果表明,较低温度差下有较小的波导传输损耗,与仿真结果一致。因此,在制备钛扩散LiNbO波导的过程中,应尽可能减小晶片与光刻胶之间的温度差,避免引入额外的波导损耗。3.提出了两种制备波导光栅的实验方法:一次钛扩散法和二次钛扩散法。以钛扩散制备LiNbO波导方法为基础,结合激光直写、电子束直写等方法设计了波导光栅的实验制备方案,为后续波导光栅的实验制备奠定了基础。

关键词：铌酸锂钛扩散波导光栅

缺锂铌酸锂钛扩散平面光波导的制备及光学表征

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缺锂铌酸锂钛扩散平面光波导的制备及光学表征

作者：吴嫦天津大学

学位级别：硕士

随着光通信的迅速发展,用于构建全光网络的集成光学器件成为研究的热点。而波导器件,尤其是平面光波导,是许多集成光学器件重要的组成部分。目前,钛扩散铌酸锂平面光波导是最常见的平面波导,有关它的报道已有很多,但都是基于以同成分或... 详细信息

随着光通信的迅速发展,用于构建全光网络的集成光学器件成为研究的热点。而波导器件,尤其是平面光波导,是许多集成光学器件重要的组成部分。目前,钛扩散铌酸锂平面光波导是最常见的平面波导,有关它的报道已有很多,但都是基于以同成分或近化学计量比的铌酸锂为基底的光波导展开的研究,对于以缺锂铌酸锂为基底的光波导的报道却很少。本论文率先开展了表征钛扩散缺锂铌酸锂平面波导的研究,并得到了一些初步的实验结果,为进一步研究奠定了基础。本论文的主要工作包括以下几个方面: 1.制作缺锂相坩埚:将LiCO和NbO按摩尔比4:6的比例配比并混合均匀。将配好的粉末放入模具中压制成坩埚形状后,在1000°C下煅烧10小时,1100°C下煅烧1小时。至此缺锂两相( LiNbO + LiNbO)坩埚制作完成。 2.制备缺锂铌酸锂基片:用制备好的坩埚对1mm厚的Z切同成分LiNbO基片进行缺锂气相运输平衡处理,制备了一系列的缺锂相铌酸锂基片,其中VTE的处理温度固定在1100°C ,VTE时间在100-180小时。测量了表面双折射,估算出所制备样品表面层的Li组分。 3.钛扩散:先在得到的缺锂铌酸锂基片上分别镀上厚度为(110-135)±5 nm的钛膜,随后将其放入扩散炉中进行高温扩散,制备出缺锂钛扩散铌酸锂平面光波导。扩散温度为1050°C ,扩散时间为8-15小时。为了抑制额外的锂外扩,整个扩散过程都以1 L /min的速率通入湿氧。 4.样品的表征:采用棱镜耦合技术测量出平面波导几个导模对应的有效折射率,并使用现有软件反推出折射率分布。对反推出的折射率分布进行了高斯拟合,证实钛扩散缺锂铌酸锂平面光波导的折射率分布与同成分光波导折射率分布一致,均服从高斯分布。分析了其表面折射率变化与初始钛膜厚度和扩散深度之比的关系,分析结果表明钛扩散系数随着Li组分减少而增大。其中,当样品中的Li组分由48.6mol%到48.0mol%再到***%时,对应的钛扩散系数由2.367×10cm/sec增加到3.424×10cm/sec再到5.281×10(-12)cm/sec。最后运用高斯分布模型对波导导模的有效折射率值进行了计算,并且根据波导表面折射率的变化,对波导应该出现的模式数量进行了计算。结果发现有效折射率的计算值与测量值之间的误差在0.00006之内,模式数目的测量值与计算值也基本一致,充分验证了之前测量的准确性。

关键词：铌酸锂平面光波导 VTE 钛扩散折射率分布扩散系数

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钬掺杂钛扩散铌酸锂波导及相关材料的研究

钬掺杂钛扩散铌酸锂波导及相关材料的研究

作者：张朝阳天津大学

学位级别：硕士

铌酸锂晶体具有优秀的光学和电学性能,是非常优秀的光波导器件材料。本文的主要工作是研究钬离子在铌酸锂晶体中的扩散特性以及光谱特性。制备和表征了钬掺杂钛扩散铌酸锂平面波导和条形波导,钛扩散钽酸锂平面波导和钬锆掺杂钛扩散铌酸... 详细信息

铌酸锂晶体具有优秀的光学和电学性能,是非常优秀的光波导器件材料。本文的主要工作是研究钬离子在铌酸锂晶体中的扩散特性以及光谱特性。制备和表征了钬掺杂钛扩散铌酸锂平面波导和条形波导,钛扩散钽酸锂平面波导和钬锆掺杂钛扩散铌酸锂条形光波导。本文具体的研究工作有以下几个方面:1.研究了钬离子在铌酸锂晶体中的扩散特性。通过对钬掺杂铌酸锂晶体的实验研究,结果表明,钬掺杂不会引起晶体组份和折射率的变化;根据钬掺杂铌酸锂晶体的二次离子质谱的结果,在深度方向上,钬离子浓度服从高斯分布;在不同的扩散条件下,得到钬离子在铌酸锂晶体中的扩散系数和溶解系数,结果表明其随着温度的升高而增大;由Arrhenius定理得到,钬离子在铌酸锂晶体中的扩散常数,激活能分别为,3.78×10μm/h,1.87eV,溶解度常数,溶解热分别为,3.03×10atoms/cm,1.75eV。2.研究了钬离子在铌酸锂晶体中的光谱特性。结果表明,使用250nm波长对钬掺杂铌酸锂晶体进行泵浦时,得到了548nm和759nm的下转换荧光;使用336nm和350nm波长对钬掺杂铌酸锂晶体进行泵浦时,分别得到了617nm和618nm的下转换荧光;使用540nm和890nm波长对钬掺杂铌酸锂晶体进行泵浦时,得到了1.67μm的中红外荧光。总体来看实验所制备的掺钬铌酸锂晶体具备了紫外光到可见光的转化能力,也具备了中红外发光的能力。3.制备和表征了钬掺杂钛扩散铌酸锂平面波导,钛扩散钽酸锂平面波导。结果表明,根据晶体的双折射特性,计算得到钬掺杂钛扩散铌酸锂平面波导的氧化锂组份为48.0mol%,钛扩散钽酸锂平面波导的氧化锂组份为47.46mol%;利用棱镜耦合技术和IWKB方法得到了钬掺杂钛扩散铌酸锂平面波导和钛扩散钽酸锂平面波导在深度方向上的折射率服从高斯分布;二次离子质谱的结果表明,钛扩散钽酸锂平面波导中钛离子浓度在深度方向服从高斯分布,折射率变化值和钛离子浓度的关系具有偏振不敏感性且满足指数关系;不同的基底材料中,折射率变化值和钛离子浓度之间的关系也不同。4.设计和模拟了单模钛扩散铌酸锂条形波导,并制备和表征了Z切钬掺杂钛扩散铌酸锂条形波导。结果表明,单模钛扩散条形波导在宽度为8μm和10μm时可以很好的支持单模传输;样品波导区和非波导区的氧化锂组份分别为48.28mol%和48.23mol%,保持一致;样品的二次离子质谱结果表明,在深度方向,波导区域的钬离子和钛离子浓度服从高斯分布,在宽度方向,钛离子浓度服从两个误差函数和的分布;波导在1547nm光源下可以支持单模传输,支持TE和TM两种模式,TE模式和TM模式下的传输损耗分别为0.42dB/cm和0.75dB/cm。5.制备了Z切钬锆掺杂钛扩散铌酸锂条形波导并对波导性能进行表征。结果表明,波导区和非波导区的氧化锂组份分别为48.21mol%和48.24mol%,保持一致,锆掺杂并不影响波导区的氧化锂组份;二次离子质谱实验结果显示,在深度方向,钬离子,锆离子和钛离子浓度服从高斯分布,在宽度方向,波导区的钛离子浓度服从两个误差函数和的分布,锆离子的扩散深度完全覆盖钛离子的扩散深度,波导具备了抗光折变能力;波导支持1547nm光源下的单模传输,支持TE和TM两种传输模式,波导的TE和TM模式下的传输损耗分别为0.62dB/cm和0.92dB/cm。本论文的创新点包括:(1)使用高温热扩散法制备钬掺杂铌酸锂晶体,并对钬离子在铌酸锂晶体中的扩散特性进行详细研究,确定了钬掺杂铌酸锂晶体中钬离子的浓度分布服从高斯分布,计算得到钬离子在铌酸锂晶体中扩散时的扩散常数、激活能、溶解度常数、溶解热。(2)对高温热扩散法制备的钬掺杂铌酸锂晶体的光谱特性进行了研究,实现了可见光发光和中红外发光。(3)首次制备和表征了钬掺杂钛扩散铌酸锂平面波导,条形波导和钛扩散钽酸锂平面波导。(4)首次制备和表征了钬锆掺杂钛扩散铌酸锂条形光波导,为新型有源铌酸锂光波导器件的研究开辟了新的领域。

关键词：钬锆掺杂钛扩散平面波导条形波导铌酸锂

周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂光波导（Ti:PPLN）的制作

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周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂光波导（Ti:PPLN）的制作

作者：张帅天津大学

学位级别：硕士

周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂光波导(Ti:PPLN)在全光波长变换器、中红外激光光源以及THz辐射源等方面都具有广阔的应用前景。本论文开展了近化学计量比Ti:PPLN光波导的研究工作，涉及周期极化处理用高压方波脉冲电源的改进和液体... 详细信息

周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂光波导(Ti:PPLN)在全光波长变换器、中红外激光光源以及THz辐射源等方面都具有广阔的应用前景。本论文开展了近化学计量比Ti:PPLN光波导的研究工作，涉及周期极化处理用高压方波脉冲电源的改进和液体电极极化装置的研制以及富锂气相输运平衡(VTE)对铌酸锂晶体畴结构的影响，进一步完成了近化学计量比Ti:PPLN条型光波导的制作和表征工作。取得了如下一些研究结果： 1.完成了所购置的高压直流电源的改进工作，以适应于周期极化实验。改进工作主要涉及可控信号发生器、光耦隔离电路和功率放大驱动装置的增设，以实现高压方波脉冲的输出。还研制了液体电极极化装置，包括电极夹具和外接极化电路。外接极化电路部分配备有示波器、高压电表等监测设备，可以实时监控极化过程。 2.利用研制的极化系统研究了富锂VTE处理时间和极化反转电压的关系。本文以0.5mm厚Z切同成份铌酸锂晶体为样品进行研究。研究结果表明富锂VTE处理时间小于25h，畴反转电场随VTE时间增加线性减小。在VTE处理达到30h后，畴反转电场降低到最小值为4.0kV/mm。此外，还研究了富锂VTE处理对铌酸锂晶体畴结构的影响。实验发现对样品进行足够时间(大于30h)的富锂VTE处理可以消除高温热处理或钛扩散过程所诱导的铌酸锂晶体+Z面浅层畴反转，此发现为进一步优化制作近化学计量比Ti:PPLN光波导的工艺流程提供了参考。 3.进一步开展了近化学计量比Ti:PPLN条型光波导的制作和表征工作。以0.5mm厚Z切同成份铌酸锂晶片为基底，经光刻，钛金属膜镀制，剥离，钛扩散，富锂VTE工艺过程和周期极化处理，制作出了极化周期为160μm，初始钛条宽度7μm，长度为15mm的近化学计量比Ti:PPLN条型光波导。并对近化学计量比Ti:PPLN条型光波导的组份和导波性能进行了表征。结果表明：波导层组份近似为化学计量比，且极化过程除增加了光波导的损耗并未显著影响其它导波性能。极化过程所引起的光波导损耗的增加归因于不完美的畴结构。然后采用腐蚀方法对畴结构显示并利用光学显微镜进行观察。以上研究结果为进一步的研究工作奠定了基础。

关键词：气相输运平衡钛扩散周期极化铌酸锂光波导

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钛扩散LiNbO3光波导的制作及特性

压电与声光 1978年第3期 160-167页

作者：布下正宏内藤初彦宋桂莲

本文系统地研究了在强介质γ-切割LiNbO基片上热扩散金属钛来制作光波导和在波导型光调制器件、光开关的应用上重要的波导特性。首先,确定了钛扩散LiNbO平板光波导的制作程序,规定了最佳的扩散条件,制成了适合于氮氖及半导体激光器光波... 详细信息

本文系统地研究了在强介质γ-切割LiNbO基片上热扩散金属钛来制作光波导和在波导型光调制器件、光开关的应用上重要的波导特性。首先,确定了钛扩散LiNbO平板光波导的制作程序,规定了最佳的扩散条件,制成了适合于氮氖及半导体激光器光波长的单一TE模,式光波导。介绍了把用照相制版工艺上的剥离法制成的精细图案的钛膜进行热扩散以制作微带状光波导的简单方法。扩散型光波导对于氦氖及半导体激光器TE模的诸特性的测量结果,其波导模式数目和相位常数可通过钛膜的厚度严密地控制。对氦氖激光器的TE模式传输损耗为1.5分贝/厘米,reff=19.5×10米/伏,由弹性表面波引起的声光布拉格衍射的偏转效率(声能=0.13瓦时)为94%。证明了在热扩散后即使不再进行极化处理,强介质光波导也具有优良的光学特性。

关键词：光波导折射率分布制作程序电光系数 LiNbO3 相位常数相移常数半导体激光器半导体光激射器传输损耗电波损耗波导模式钛扩散