專利名稱：差頻混頻級(jí)聯(lián)摻鎂近化學(xué)比鈮酸鋰全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差頻混頻級(jí)聯(lián)摻鎂近化學(xué)比鈮酸鋰全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器， 一種 基于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的倍頻差頻波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。這是一種全光器件，它主要適用于波分 復(fù)用光通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中寬帶可調(diào)諧的單信道光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換或多信道同 時(shí)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。本發(fā)明具體包括近化學(xué)比摻鎂鈮酸鋰波導(dǎo)的制備以及準(zhǔn)相位匹配 周期性微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程。本發(fā)明屬于晶體材料學(xué)領(lǐng)域以及光通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)目前被廣泛應(yīng)用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，它通過(guò)在 一根光纖中同時(shí)傳輸若干路不同波長(zhǎng)、間隔適當(dāng)且相互獨(dú)立的光信號(hào)，從而使 同一根光纖信息傳輸?shù)牡刃П忍芈试黾尤舾杀丁９獠ㄩL(zhǎng)轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為是DWDM 光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件之一，而全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換(AOWC)是未來(lái)DWDM光傳送網(wǎng) 關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。它能實(shí)現(xiàn)光信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)到另 一個(gè)波長(zhǎng)的全光復(fù)制，克服了傳統(tǒng)的光-電-光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電子瓶頸、透明性 差和結(jié)構(gòu)復(fù)制等顯著缺點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、光開關(guān)、光交叉連接、波長(zhǎng)路由和波 長(zhǎng)再用等方面有著廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。
與幾種常見(jiàn)的AOWC技術(shù)如交叉增益調(diào)制(XGM)、交叉相位調(diào)制(XPM)和電 吸收(EA)調(diào)制相比，基于準(zhǔn)相位匹配(QPM)光波導(dǎo)的級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)型 AOWC技術(shù)，具有許多獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它利用晶體非線性效應(yīng)產(chǎn)生新頻率光 場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，可完全復(fù)制原信號(hào)光的強(qiáng)度和相位信息，并且非線性作用 響應(yīng)時(shí)間極短(fs量級(jí))，所以是唯一嚴(yán)格意義上的對(duì)信號(hào)光速率和調(diào)制形式完全透明的AOWC技術(shù)。此外這種技術(shù)還具有獨(dú)特的多波長(zhǎng)同時(shí)轉(zhuǎn)換能力，轉(zhuǎn)換過(guò) 程噪聲指數(shù)極低，轉(zhuǎn)換后波形無(wú)畸變，并且潛在的可轉(zhuǎn)換帶寬對(duì)光纖工作波段 透明。
眾所周知，鈮酸鋰晶體以其優(yōu)異的光電性能，成為制備周期極化準(zhǔn)相位匹配
光學(xué)器件的常用材料之一。但一般條件下生長(zhǎng)出來(lái)的同成分鈮酸鋰晶體([Li]: [Nb] =48.5:51.5)存在著光折變引起的光損傷效應(yīng)以及室溫下極化電場(chǎng)過(guò)大 (通常在21kV/mm左右)等缺點(diǎn)，這已成為制約其作為光頻轉(zhuǎn)換器件高效轉(zhuǎn)換 和大功率輸出的主要障礙，極大限制了器件的實(shí)用化。但是通過(guò)提高鈮酸鋰晶 體中的[Li] / [Nb]的值，能極大地降低其鐵電疇的極化反轉(zhuǎn)電場(chǎng)，較低的極 化電場(chǎng)無(wú)疑有利于提高晶體極化厚度和周期疇結(jié)構(gòu)；同時(shí)，提高鈮酸鋰晶體中 的[Li] / [Nb]的值，也可以大大降低抗光損傷鈮酸鋰晶體的摻鎂閾值，只需 少量的鎂摻入就能極大地提高晶體的抗光損傷能力。這里可以將降低疇極化電 場(chǎng)和提高晶體的抗光損傷能力有機(jī)結(jié)合起來(lái)，采用氣相輸運(yùn)平衡(vapor transport equilibration)技術(shù)，對(duì)摻鎂LiNb03晶體進(jìn)行近化學(xué)計(jì)量處理，不僅使其光折變 閾值提高了4個(gè)量級(jí)，同時(shí)使極化電場(chǎng)降低到4.5kV/mm以下。
目前在LiNb03上制作光波導(dǎo)主要采用鈦擴(kuò)散和退火質(zhì)子交換法兩種。與 Ti:LiNb03光波導(dǎo)相比，H:LiNb03具有如下特點(diǎn)
(1) 波導(dǎo)制作工藝溫度低，不會(huì)擾亂光波導(dǎo)中的晶格結(jié)構(gòu)且技術(shù)簡(jiǎn)單，形成光 波導(dǎo)的速度快；
(2) H: LiNb03光波導(dǎo)在一定程度上提高了抗光損傷能力，比Ti擴(kuò)散波導(dǎo)至少 高4個(gè)數(shù)量級(jí)；
(3) 折射率分布為階躍性分布，且可由后續(xù)工藝(如退火工藝)在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；
(4)在可見(jiàn)光波段，H: LiNb03光波導(dǎo)具有較高的光折變損傷闔值。 但是H: LiNb03光波導(dǎo)也存在以下缺點(diǎn)
(1) 對(duì)Y切LiNb03光波導(dǎo)，除少數(shù)酸度較弱的質(zhì)子源(如硬脂酸)，大部分的酸 會(huì)使其表面損傷；
(2) H: LiNb03光波導(dǎo)的傳輸損耗較大；
(3) 波導(dǎo)折射率分布不穩(wěn)定，隨放置時(shí)間而變化；
(4) 電光系數(shù)及非線性系數(shù)下降嚴(yán)重。 但采用合適的緩沖質(zhì)子源(如在苯甲酸中加入適量的苯甲酸鋰)或?qū)粨Q后的波 導(dǎo)再進(jìn)行退火處理(APE波導(dǎo))可以有效改善H:LiNb03光波導(dǎo)的光學(xué)特性。
1991年Jackel和Johnson首次采用反質(zhì)子交換法制備出一種平面波導(dǎo)(稱為 PRE)。由于該波導(dǎo)掩埋在基底表面的下面，因此又稱掩埋質(zhì)子交換波導(dǎo)。制備 PRE時(shí)，首先采用純苯甲酸作為質(zhì)子源制備了質(zhì)子交換退火(APE)波導(dǎo)，其異 常光折射率增加，尋常光折射率減??；然后將該波導(dǎo)浸沒(méi)于濃度比為l : 1:0.1的 KN03 : NaN03: LiNbO3混合溶體(0.5 3.5h)中，混合溶體中的Li離子將重新取代 波導(dǎo)表面的質(zhì)子而進(jìn)人波導(dǎo)表面，從而降低波導(dǎo)表面的異常光折射率。這是一 個(gè)1」+-*的弱滲透過(guò)程，故波導(dǎo)就掩埋于表面之下。與一般的PE和APE波導(dǎo)相比， 由于PRE波導(dǎo)掩埋于表面之下，從而有效地減小了波導(dǎo)表面散射，進(jìn)而降低了波 導(dǎo)傳輸損耗；另一方面，由于其模場(chǎng)分布較非掩埋波導(dǎo)對(duì)稱性好，因而具有較 高的光纖-光波導(dǎo)耦合效率。此外，PRE波導(dǎo)能使相互作用模式間的疊加積分增 大，使非線性轉(zhuǎn)換效率增高，這對(duì)于制造質(zhì)子交換PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate )波導(dǎo)器件具有極大的吸引力。最初研究PPLN作波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換主要采用直接差頻型(Second-HarmonicG-eneration,DFG)，即將750 /800 nm波段的高功率泵浦光和1550 nm的信號(hào)光同時(shí)注 人PPLN光波導(dǎo)內(nèi)，利用其中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)獲得與信號(hào)光同波段并復(fù)制了其 信息的不同頻率的新光場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。但在實(shí)際應(yīng)用中，差頻全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn) 換存在著一些問(wèn)題770nm波段的光在波導(dǎo)中一般以多模形式分布，不利于傳輸， 且將770nm波段的泵浦光和1550nm波段的信號(hào)光同時(shí)耦合進(jìn)光波導(dǎo)在技術(shù)上較 為復(fù)雜；此外，770nm波段的高功率窄線寬的可調(diào)激光器也較難獲得。為解決這 些問(wèn)題，可以采用級(jí)聯(lián)的二階非線性效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。級(jí)聯(lián)的二階非線性 效應(yīng)有兩種， 一種是和頻+差頻效應(yīng)(Sum-Frequency-Generation and Difference-Frequency-Generation, SFG+DFG);另一種是倍頻+差頻效應(yīng) (Second-Harmonic-Generation and Difference-Frequency-Generation， SHG+DFG)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的技術(shù)中存在的不足，提供一種高抗光損傷的波 長(zhǎng)可調(diào)諧寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，利用準(zhǔn)相位匹配的二階非線性級(jí)聯(lián) 倍頻差頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)一種能在室溫下工作，并且不依賴偏振的，幅度、頻率和 位相信息全透明的，多泵浦波長(zhǎng)通道、多信號(hào)波長(zhǎng)通道的寬帶波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種高抗光損傷的寬帶可調(diào)諧全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，選擇一種基于 摻鎂的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰(Mg:SLiNb03)晶片，在晶片上制作反質(zhì)子交換光波 導(dǎo)PRE;然后對(duì)晶片進(jìn)行室溫電場(chǎng)極化，以實(shí)現(xiàn)晶片極化疇反轉(zhuǎn)，在晶片上獲得 周期范圍為17 19jim的扇形微結(jié)構(gòu)，從而得到性能穩(wěn)定和低損耗的寬調(diào)諧范圍的 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。
一種高抗光損傷的寬帶可調(diào)諧全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，包括以下步驟(1) 選擇一種介電體，該介電體是一種在生長(zhǎng)過(guò)程中長(zhǎng)成沿z方向自發(fā)極化的 鐵電單疇晶體，并且是摻雜鎂的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰(Mg:SUNb03)，沿
該介電體Z方向切割，上下表面的法線方向沿晶體的自發(fā)極化方向；
(2) 在該晶片+Z表面制作一系列寬度為6tai的退火質(zhì)子交換光波導(dǎo)(APE)， 在200。C左右的溫度下把LiNb03晶片放入交換源(純苯甲酸CeH500H)中4到
IO個(gè)小時(shí)；然后把晶片取出，洗凈后推入石英管道進(jìn)行退火處理；
(3) 退火后將晶體從管道內(nèi)緩慢拉出，然后放入反質(zhì)子交換源 (認(rèn)03:NaN03:LiNb(U內(nèi)1小時(shí)，混合溶體中的Li離子將重新取代波導(dǎo)表面
的質(zhì)子而進(jìn)人波導(dǎo)表面，制備出波導(dǎo)層厚為8^m的反質(zhì)子交換光波導(dǎo)；所 述的波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層可以增大異常光的折射率而減小尋常光的折射率， 可以只允許一種光在波導(dǎo)中傳輸，讓另一種光從波導(dǎo)屮輻射掉，起到單偏 振器的作用；
(4) 然后用光刻技術(shù)，即首先在雙面拋光晶體+Z表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層光刻膠， 經(jīng)曝光、顯影后得到扇形光柵條紋；然后再在光刻膠上濺射一層導(dǎo)電鋁層， 在樣品上形成了一準(zhǔn)周期扇形金屬柵格電極結(jié)構(gòu)；
(5) 室溫電場(chǎng)下對(duì)晶片進(jìn)行極化，在有電極的鐵電疇區(qū)域，利用高壓電場(chǎng)克服 晶體內(nèi)部的矯頑場(chǎng)從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向；無(wú)電極的疇區(qū)域， 其電疇極化方向保持不變，形成鐵電疇周期極化反轉(zhuǎn)光柵。
本發(fā)明采用的是SHG+DFG效應(yīng)，其原理是采用1550nm波段的高功率激光 (頻率為Wp)作為初始泵浦光，將它和同波段的信號(hào)光(頻率為W》同時(shí)注人到滿足 準(zhǔn)相位匹配(Quasi-Phase-Matched,QPM)條件的PPLN波導(dǎo)中，傳播過(guò)程中初始泵浦光產(chǎn)生高效率的倍頻效應(yīng)，產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的頻率為W^2Wp(波長(zhǎng)為770nm波段〕 的倍頻光場(chǎng)，該光場(chǎng)同時(shí)又與信號(hào)光場(chǎng)發(fā)生差頻效應(yīng)，從而產(chǎn)生頻率為Wp 2WP-Ws的新光場(chǎng)(即轉(zhuǎn)換光)。此過(guò)程同時(shí)包含倍頻和差頻兩個(gè)過(guò)程，所以稱為級(jí)聯(lián)二 階非線性效應(yīng)。由于不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)在波導(dǎo)內(nèi)傳播的相速度不同，因此要產(chǎn)生 有效的二階非線性效應(yīng)，就必須使倍頻和差頻過(guò)程滿足相位匹配條件。這里采 用的PPLN光波導(dǎo)是利用QPM方法，沿光場(chǎng)傳播方向?qū)w的二階非線性電極化 率xit進(jìn)行周期性調(diào)制來(lái)補(bǔ)償相位失配，使產(chǎn)生的新光場(chǎng)強(qiáng)度有效疊加。倍頻和 差頻過(guò)程中的波矢失配量分別為
其中，Pp、 Ps、 PH、 fe分別為泵浦光、信號(hào)光、倍頻光和差頻光的縱向傳播常數(shù)， 由于倍頻過(guò)程中對(duì)于波矢失配量的要求較為嚴(yán)格，所以令MCm-2ic/A，使倍頻過(guò) 程滿足精確相位匹配。其中，A為波導(dǎo)的準(zhǔn)相位匹配周期。當(dāng)倍頻過(guò)程達(dá)到精確 相位匹配時(shí)，差頻過(guò)程僅僅在一個(gè)很小的范圍內(nèi)接近相位匹配， 一般情況
無(wú)論是差頻過(guò)程，還是級(jí)聯(lián)過(guò)程，其信號(hào)光的可調(diào)諧范圍都有限， 一般不 會(huì)>90nm，還不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求；并且由于退火質(zhì)子交換光波導(dǎo)制作過(guò) 程中交換溫度、交換時(shí)間以及退火溫度、退火時(shí)間具有不確定性，因此無(wú)法在 實(shí)驗(yàn)前確定疇反轉(zhuǎn)光柵的精確取值。對(duì)此Kintaka等人曾提出扇形光柵方案，使 極化反轉(zhuǎn)周期在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，光波導(dǎo)以一定間距相鄰，以選擇處于不 同位置上的光波導(dǎo)，確定適合于基頻光的相應(yīng)的極化反轉(zhuǎn)光柵周期，達(dá)到調(diào)諧 的目的。
本方明利用摻雜鎂的近化學(xué)劑量比鈮酸鋰(Mg:SLiNbO》作材料，在室溫下不存在光折變損傷問(wèn)題，無(wú)需進(jìn)行高溫補(bǔ)償，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了成本;
由于提高晶體的鋰鈮比和摻雜鎂，都可以極大地降低晶體的矯頑場(chǎng)(通常是常 用鈮酸鋰晶體的十分之一)，從而降低了極化脈沖電壓，可以提高晶體的制作
厚度，有利于光能量耦合進(jìn)器件；采用反質(zhì)子交換技術(shù)制作出PRE光波導(dǎo)，能有 效降低波導(dǎo)損耗，提高非線性轉(zhuǎn)換效率；利用扇形光柵結(jié)構(gòu)，在同一晶片上可 以獲得多個(gè)周期連續(xù)變化的波導(dǎo)，極大地提高了器件的靈活性，使材料得到充 分利用；在不降低轉(zhuǎn)換效率和不改變波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換輸出譜的前提下，實(shí)現(xiàn)了超寬帶 的N X M的多波長(zhǎng)通道轉(zhuǎn)換。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:
本發(fā)明選擇一種基于摻鎂的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰(Mg:SLiNbO》晶片；然 后在晶片上制作質(zhì)子交換光波導(dǎo)；完成質(zhì)子交換過(guò)程后，對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行退火處理; 退火后再在波導(dǎo)表面進(jìn)行一次反質(zhì)子交換，形成掩埋質(zhì)子交換波導(dǎo)；然后在晶 片上首先制作具有周期范圍為17 19^n的扇形鐵電疇周期反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即對(duì)晶片進(jìn) 行室溫電場(chǎng)極化，以實(shí)現(xiàn)晶片極化疇的周期性反轉(zhuǎn)，從而得到性能穩(wěn)定和低損 耗的寬調(diào)諧范圍的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是一塊具有鐵電疇周期反轉(zhuǎn) 結(jié)構(gòu)的單疇介電晶片，晶片上下表面平行。 實(shí)施例2:
本發(fā)明包括以下步驟
(1)選擇一種介電體，該介電體是一種在生長(zhǎng)過(guò)程中長(zhǎng)成沿z方向自發(fā)極化的
鐵電單疇晶體，并且是摻雜摩爾比為2%或3%的摻雜鎂的近化學(xué)計(jì)量比
([Li] : [Nb] =48.5 :51.5)鈮酸鋰(Mg:SLiNb03)，沿該介電體Z方向 切割，其厚度為0.5mm，上下表面平行且均被拋光，上下表面的法線方向沿晶體的自發(fā)極化方向；所述的切割，其厚度為0.2到1腿。
(2) 在該晶片+Z表面制作退火質(zhì)子交換光波導(dǎo)(APE)光波導(dǎo)。首先在LiNb03 晶片上淀積一層厚度適當(dāng)?shù)腟i02作為掩模；利用光刻技術(shù)蝕刻出其波導(dǎo)部 分，其他的部分依然有掩模；清洗晶片；熔溶交換源(純苯甲酸QH500H); 把LiNb03晶片裝入夾具，預(yù)熱；當(dāng)交換源到達(dá)設(shè)定溫度(121 25(TC)， 把夾具連同晶片一起放入交換源進(jìn)行交換；按設(shè)定的時(shí)間(4 10h)交換后 把夾具取出；清洗夾具并取出晶片；退火是把洗凈的交換后的LiNb03幾晶 片放入石英夾具上，推入石英管道進(jìn)行高溫加熱(35(TC)、并使之處在有氧 的氛圍中持續(xù)一定的時(shí)間(3 6h)，然后把夾具緩慢地拉出來(lái)。質(zhì)子交換的溫
度變化控制在約為士o. 5°c，退火的溫度變化控制約在士rc;
(3) 在APE基礎(chǔ)上制備反質(zhì)子交換光波導(dǎo)(PRE)。將該波導(dǎo)浸沒(méi)于濃度比為 l:l:0.1的KN03:NaN03:LiNb03混合溶體(300。C,0.5 3.5h)中，混合溶體中的 1^離子將重新取代波導(dǎo)表面的質(zhì)子而進(jìn)人波導(dǎo)表面，這是一個(gè)!^+-1^的弱滲 透過(guò)程，故波導(dǎo)就掩埋于表面之下。該波導(dǎo)的特性是能有效地減小了波導(dǎo) 表面散射，降低波導(dǎo)傳輸損耗；模場(chǎng)分布較非掩埋波導(dǎo)對(duì)稱性好，具有較 高的光纖一光波導(dǎo)耦合效率；能使相互作用模式間的疊加積分增大，使非 線性轉(zhuǎn)換效率增高；
(4) 制作扇形掩模板，該掩模板上最大周期為19Pm，最小周期為17l^m;然后用 光刻技術(shù)，即首先在雙面拋光晶體+Z表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚ll^m的光刻膠， 經(jīng)曝光、顯影后得到扇形光柵條紋；然后再在光刻膠上濺射一層厚為O.Wm 的導(dǎo)電鋁層，在樣品上形成了一準(zhǔn)周期扇形鋁柵格電極結(jié)構(gòu)(其他部分金屬 在光刻膠上，因而與鈮酸鋰+Z表面絕緣)；(5)室溫電場(chǎng)下對(duì)晶片進(jìn)行極化。在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場(chǎng)克服晶體 內(nèi)部的矯頑場(chǎng)從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向；無(wú)電極的疇區(qū)域，其電
疇極化方向保持不變。極化過(guò)程中，所加高壓脈沖電場(chǎng)峰值電壓要大于對(duì)
應(yīng)于晶體厚度的矯頑場(chǎng)(Mg:SLiNb03的矯頑場(chǎng)通常為4kv);并且要防止 高壓擊穿。所用外加電場(chǎng)為脈沖高壓電場(chǎng)。脈沖周期的長(zhǎng)短與次數(shù)與電極 表面積有關(guān)。
所述的利用高壓電場(chǎng)克服晶體內(nèi)部的矯頑場(chǎng)，是指用高壓矩形電脈沖正向 施加于兩電極間，所加高壓脈沖電場(chǎng)的峰值電壓要大于對(duì)應(yīng)于晶體厚度的矯頑 場(chǎng)Vf4 kV/mm
實(shí)施例3:本發(fā)明包括以下步驟
(1) 選取厚度為0.5mm，長(zhǎng)為20mm，寬為5mm的摻雜摩爾比為2。/。的摻鎂 鈮酸鋰晶片，沿Z表面切割，拋光土Z表面；所述的切割，其厚度為0.2到lmm。
(2) 在+Z面利用反質(zhì)子交換技術(shù)制作一系列寬度為6Wn的波導(dǎo)；所述的反 質(zhì)子交換技術(shù)，是在20(TC的溫度下把刻有6toi波導(dǎo)掩模開口的LiNb03晶片放入 交換源(純苯甲酸CeH500H)中交換；4到10個(gè)小時(shí)后將晶片取出，送入石英管道， 提高管道內(nèi)溫度至350。C，通入氧氣，使晶體退火；退火后將晶體從管道內(nèi)緩慢 拉出，然后放入反質(zhì)子交換(KN03:NaN03:LiNb03)內(nèi)1小時(shí)，混合溶體中的Li離 子將重新取代波導(dǎo)表面的質(zhì)子而進(jìn)人波導(dǎo)表面，制備出波導(dǎo)層深度為8^m的光波 導(dǎo)。所述的波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層可以增大異常光的折射率而減小尋常光的折射率， 可以只允許一種光在波導(dǎo)中傳輸，讓另一種光從波導(dǎo)中輻射掉，起到單偏振器 的作用。
(3) 在波導(dǎo)層+Z表面用光刻技術(shù)制作金屬柵格電極，扇面最大周期處為19Pm，最小周期處為17Pm，所述的金屬柵格電極呈扇形結(jié)構(gòu)，扇形頂端周期為 19iJm，扇形底部周期為17Mm，從上到下可以獲得多個(gè)連續(xù)的波導(dǎo)，對(duì)應(yīng)不同的 準(zhǔn)相位匹配周期，雖然光柵周期彼此不同，但是沿著整個(gè)扇形光柵結(jié)構(gòu)周期連 續(xù)變化，每個(gè)波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)光柵周期的占空比近似為l:l。 (4)將鍍鋁晶片連上電極放入絕緣膠進(jìn)行極化。所用外電場(chǎng)為脈沖高壓電場(chǎng)， 由于摻鎂近化學(xué)劑量比鈮酸鋰晶體的矯頑場(chǎng)為4.5kv/mm，所以施加在厚度為 0.5mm的摻鎂鈮酸粒晶片上的脈沖峰值電壓要人于2.25kv，脈沖周期的長(zhǎng)短與次 數(shù)與電極的實(shí)際表面積有關(guān)，可通過(guò)公式得到。 一中心波長(zhǎng)為丄=1.55戶為例， 理論上可得出，在4(TC下?lián)芥V3。/。的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體的疇反轉(zhuǎn)光柵周期 A = 18.3戸。
權(quán)利要求
1.一種高抗光損傷的寬帶可調(diào)諧全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征在于，選擇一種基于摻鎂的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰(Mg:SLiNbO3)晶片，在晶片上制作反質(zhì)子交換光波導(dǎo)PRE；然后對(duì)晶片進(jìn)行室溫電場(chǎng)極化，以實(shí)現(xiàn)晶片極化疇反轉(zhuǎn)，在晶片上獲得周期范圍為17～19μm的扇形微結(jié)構(gòu)，從而得到性能穩(wěn)定和低損耗的寬調(diào)諧范圍的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長(zhǎng)可調(diào)諧寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特 征是，包括以下步驟(1) 選擇一種介電體，該介電體是一種在生長(zhǎng)過(guò)程屮長(zhǎng)成沿Z方向自發(fā)極化的 鐵電單疇晶體，并且是摻雜鎂的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰(Mg:SLiNbO》，沿 該介電體Z方向切割，上下表面的法線方向沿晶體的自發(fā)極化方向；(2) 在該晶片+Z表面制作一系列寬度為6toi的退火質(zhì)子交換光波導(dǎo)(APE)， 在20(rC左右的溫度下把LiNbO,晶片放入交換源(純苯甲酸CeH500H)中4到 IO個(gè)小時(shí)；然后把晶片取出，洗凈后推入石英管道進(jìn)行退火處理；(3) 退火后將晶體從管道內(nèi)緩慢拉出，然后放入反質(zhì)子交換源 (認(rèn)03:Na冊(cè)3:LiNb03)內(nèi)1小時(shí)，混合溶體中的Li離子將重新取代波導(dǎo)表面的質(zhì)子而進(jìn)人波導(dǎo)表面，制備出波導(dǎo)層厚為8Wn的反質(zhì)子交換光波導(dǎo)；(4) 然后用光刻技術(shù)，即首先在雙面拋光晶體+Z表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層光刻膠， 經(jīng)曝光、顯影后得到扇形光柵條紋；然后再在光刻膠上濺射一層導(dǎo)電鋁層， 在樣品上形成了一準(zhǔn)周期扇形金屬柵格電極結(jié)構(gòu)；(5) 室溫電場(chǎng)下對(duì)晶片進(jìn)行極化，在有電極的鐵電疇區(qū)域，利用高壓電場(chǎng)克服晶體內(nèi)部的矯頑場(chǎng)從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向；無(wú)電極的疇區(qū)域， 其電疇極化方向保持不變，形成鐵電疇周期極化反轉(zhuǎn)光柵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高抗光損傷波長(zhǎng)可調(diào)寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制 作方法，其特征是，所述的近化學(xué)劑量比摻雜鎂的鈮酸鋰，其鋰鈮比為48.5 : 51.5，摻雜鎂的摩爾比為2%或3%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長(zhǎng)可調(diào)寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特 征是，所述的切割，其厚度為O. 2到lmm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高抗光損傷波長(zhǎng)可調(diào)寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作 方法，其特征是，(1) 選取摻鎂近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶片，沿Z表面切割，拋光士Z表面；(2) 在+Z面利用反質(zhì)子交換技術(shù)制作波導(dǎo)；所述的反質(zhì)子交換技術(shù)，是在200 。C的溫度下把刻有6Mm波導(dǎo)掩模開口的Mg:SLiNb03晶片放入交換源(純苯甲酸 C6H500H)中交換；4到10個(gè)小時(shí)后將晶片取出，送入石英管道，提高管道內(nèi)溫度 至35(TC，通入氧氣，使晶體退火；退火后將晶體從管道內(nèi)緩慢拉出，然后放入 反質(zhì)子交換(KN03:NaN03:LiNb03)內(nèi)1小時(shí)，混合溶體中的Li離子將重新取代波 導(dǎo)表面的質(zhì)子而進(jìn)人波導(dǎo)表面，故制備出波導(dǎo)層厚為8toi的光波導(dǎo)；(3) 在+Z表面利用光刻技術(shù)制作扇形金屬鋁柵格圖形電極，扇形上各波導(dǎo)對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)疇光柵占空比近似為l:h(4) 將光刻好的Mg:SLiNb03晶片連上電極放入絕緣膠進(jìn)行極化；采用外加電場(chǎng)極化技術(shù)制備出鐵電疇周期反轉(zhuǎn)光柵。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高抗光損傷波長(zhǎng)可調(diào)寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作 方法，其特征是，所述的波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層可以增大異常光的折射率而減小尋常光的折射率，可以只允許一種光在波導(dǎo)中傳輸，讓另一種光從波導(dǎo)中輻射掉， 起到單偏振器的作用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高抗光損傷波長(zhǎng)可調(diào)寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的金屬柵格電極呈扇形結(jié)構(gòu)，扇形頂端周期為19Mm，扇 形底部周期為17Mm，從上到下可以獲得多個(gè)連續(xù)的波導(dǎo)，對(duì)應(yīng)不同的準(zhǔn)相位匹 配周期，雖然光柵周期彼此不同，但是沿著整個(gè)扇形光柵結(jié)構(gòu)周期連續(xù)變化， 每個(gè)波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)光柵周期的占空比近似為1:1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高抗光損傷波長(zhǎng)可調(diào)寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的利用高壓電場(chǎng)克服晶體內(nèi)部的矯頑場(chǎng)，是指用高壓矩 形電脈沖正向施加于兩電極間，所加高壓脈沖電場(chǎng)的峰值電壓要大于對(duì)應(yīng)于晶 體厚度的矯頑場(chǎng)V^4 kV/mm。
全文摘要
一種差頻混頻級(jí)聯(lián)摻鎂近化學(xué)比鈮酸鋰全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，利用摻雜鎂的近化學(xué)劑量比鈮酸鋰(Mg∶SLiNbO₃)作材料，在室溫下不存在光折變損傷問(wèn)題，無(wú)需進(jìn)行高溫補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了成本；由于提高晶體的鋰鈮比和摻雜鎂，極大地降低晶體的矯頑場(chǎng)，降低了極化脈沖電壓，提高晶體的制作厚度，有利于光能量耦合進(jìn)器件；采用反質(zhì)子交換技術(shù)制作出PRE光波導(dǎo)，能有效降低波導(dǎo)損耗，提高非線性轉(zhuǎn)換效率；利用扇形光柵結(jié)構(gòu)，在同一晶片上可以獲得多個(gè)周期連續(xù)變化的波導(dǎo)，提高了器件的靈活性，使材料得到充分利用；在不降低轉(zhuǎn)換效率和不改變波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換輸出譜的前提下，實(shí)現(xiàn)了超寬帶的N×M的多波長(zhǎng)通道轉(zhuǎn)換。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101308311SQ20081011555
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者剛 劉, 鶴 瞻, 陳云琳 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)