离子注入铌酸锂脊形光波导的倍频效应研究

发布时间：2020-06-01 17:38

【摘要】：随着集成光学领域理论和实验技术的进步,基于铌酸锂晶体及波导的集成光子器件在科研和工程上的应用受到人们越来越多的关注。铌酸锂(Lithiumniobate,LiNbO3,LN)是一种铁电氧化物晶体,它在可见光到中红外波段具有优异的电光、声光及非线性光学性能,是一种常用的集成光学光波导材料。铌酸锂可以通过电场极化在晶体中形成周期极化翻转结构,避免相位匹配中不同偏振光的走离效应,提高非线性过程的转换效率。周期极化反转结构与铌酸锂二维条形光波导结合可以制备出高转换效率的非线性器件,在许多领域,如量子信息处理、激光波长转换等都具有应用价值。本文主要研究碳离子注入周期性极化铌酸锂(Periodically Poled LiNbO3,PPLN)脊形波导的非线性产生及其性能。离子注入(Ion Implantation)可以在银酸锂晶体上制备出平面光波导。注入离子可以调制铌酸锂晶体注入区域的折射率,从而形成多种光波导结构。在已经发表的有关离子注入铌酸锂波导二阶非线性的研究结果中,氧(O)离子注入铌酸锂条形波导在980nm波长附近实现了二次谐波产生,但是具有很高的传输损耗,波导的归一化系数为34.5%/(W.cm2)。由离子注入造成的样品晶格损伤可通过后续的退火处理来降低,从而达到进一步提高样品非线性转换效率的目的。脊形波导结构因为良好的限光能力和较小的模式体积而具备高的转换效率。铌酸锂中制备脊形波导结构主要通过湿法刻蚀、干法刻蚀等方法实现。湿法腐蚀利用了铌酸锂在氢氟酸溶液中的各向异性腐蚀特性,通过掩膜遮挡实现高质量的微结构制备。干法刻蚀主要有离子束铣(Ion Beam Milling)、反应离子蚀刻(Reactive Ion Beam Etching)以及聚焦离子束刻蚀(Focused Ion Beam Etching)等方法。最近十几年的研究表明金刚石刀精密切割技术(Precise Blade Dicing)也可以在铌酸锂晶体表面制备出低损耗的脊形波导结构。这也是本文所采用的方法。本论文研究高能碳离子注入和金刚石刀切割法在周期性极化铌酸锂晶体上形成脊形光波导,通过光纤波导耦合研究铌酸锂波导的二次谐波产生效率和传输损耗,为铌酸锂集成光器件的发展提供新的研究思路。主要研究结果如下:1、15MeV碳离子注入的周期性极化铌酸锂波导选用碳(C)离子作为注入离子,注入能量15MeV。利用金刚石切割法在掺镁的铌酸锂晶体上制备出周期性极化铌酸锂波导。搭建光纤波导耦合平台,系统研究了不同退火条件后波导的二次谐波波长、转换效率以及波导的损耗。研究结果表明脊形波导在1600nm(基频光)附近产生二次谐波,测量得到的脊形波导的最高转换效率为77.9%/W/cm2,这个效率已经可以与商用质子交换铌酸锂器件相媲美。2、4/7.5MeV碳离子注入的周期性极化铌酸锂波导选取4MeV和7.5MeV的C离子同时注入铌酸锂样品内,再通过金刚石切割技术制备周期极化铌酸锂脊形波导。通过反射法测量了波导二阶非线性系数(d33)在深度方向上的分布。测试结果表明波导区域内准相位匹配的二次谐波产生最高转换效率为30.4%/W/cm2,对应波导宽度为6.9μm。
【图文】：

示意图,钛扩散,条形波导,质子交换

１：：＿Ｗ逡逑１＾８．０逦１６＾．１逦１６２８＾逦１６２８．３逡逑ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）逡逑图２．３通过波长调谐测量的脊形波导的ＦＰ干涉条纹逡逑损耗计算公式为：逡逑ａ邋＝邋＾（ｌｎｉｆ－ｌｎｉ？＇）逦（２．５．４）逡逑（ｎ邋＿ｉＹ逡逑Ｒ＝邋ｉ—逦（２．５．５）逡逑Ｒ．＝N（１－ｙ／ｌ－Ｋ２）逦（２．５．６）逡逑Ｋ逡逑Ｚ＝／ｍａｘ￣／ｍｉｎ逦（２．５．７）逡逑＾ｍａｘ＋＾ｍｉｎ逡逑其中，ｃｔ为光波导传输时的波导表示，单位是ｄＢ／ｃｍ。Ｚ：为光波导的总长度，逡逑单位是ｃｍ。Ｊ？为波导端面的反射率。／胃和分别对应Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ振荡曲线上逡逑的出射光强的最大值和最小值。逡逑２３逡逑

示意图,脊形波导,碳离子注入,示意图

（ａ）逦（ｂ）逡逑图２．４钛扩散、质子交换及离子注入形成条形波导示意图逡逑脊形波导虽然也是二维波导，但是它在其中的一个横向尺度上的波导界面为逡逑波导／空气（脊形波导侧壁，ｓｉｄｅｗａｌｌ），这界面的折射率差为２．２／１，所以能够在这逡逑个方向上对波导模式产生较好的限制作用，，波导模式的截面积较小。虽然界面的逡逑大折射率差会导致额外的散射损耗，但是较小的模式截面积对于非线性波导来说逡逑至为重要。只要寻找到有效降低波导／空气界面的粗糙度的方法，脊形波导就能逡逑够实用化。逡逑由于制备铌酸锂集成光路的方法与半导体集成电路的方法类似，研究人员自逡逑然而言的借鉴硅等半导体材料的刻蚀方法制备铌酸锂脊形波导。己经见诸文献的逡逑２４逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN25

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