单晶铌酸锂薄膜的光学常数以及Y分支波导的研究

发布时间：2017-12-25 13:25

本文关键词：单晶铌酸锂薄膜的光学常数以及Y分支波导的研究　出处：《山东大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：银酸锂(lithium niobate,LiNbO_3,LN)晶体是一种具有较高的电光系数、声光系数、热光系数、非线性光学系数等优点的人工合成的多功能负单轴晶体材料,被比喻成光学中的"硅"材料。单晶银酸锂薄膜(lithium niobate on insulator,LNOI)成为集成光学的研究热点,LNOI具有单晶程度好、折射率差大、限光能力强的特点,在LNOI上的光波导及光电器件可以拥有更小的尺寸和弯曲半径,可大幅度提高器件的集成度,降低器件体积、功耗和阈值。单晶铌酸锂薄膜在紫外-可见光波段的吸收系数、折射率等是重要的物理参数,也是设计和研究电光调制器、非线性相位匹配等器件的基础,但目前LNOI上这些参数的实验数据不多。采用透射光谱法测量了薄膜的光学常数(折射率、吸收系数)以及厚度。透射光谱法具有波长范围广、测试简单、精确度高、无损检测等特点。透射光谱法的基本原理是根据紫外可见分光光度计测量出的透射谱,拟合出薄膜透射谱中的包络线(干涉极大值与干涉极小值组成的线)。用包络线来推测求出薄膜的折射率、吸收系数以及厚度,最后再用干涉极值公式对计算结果进行优化。实验测量时,为了避免衬底的影响,选择石英作为衬底,石英的透光范围宽,在近紫外到红外波段对光的吸收很微弱。采用Z切向铌酸锂薄膜,因为Z切的样品在测量透射谱时不受双折射的影响。光纤通信在当今社会中具有举足轻重的地位,它是用光纤传递信息,它的存在改变了人们获得、传递与共享信息的方式。电光调制器是光纤通信中重要的器件。长距离通讯中常用的是Mach-Zehnder(M-Z)调制器,因为它具有低驱动电压、高带宽的特点。银酸锂有着良好的电光效应,是制备波导调制器的首选材料。M-Z电光调制器的通光光路由两个对称的Y分支波导对接而成,其电极采用行波电极结构。我们与一家美国公司、德国Helmut Schmidty大学三方合作,共同研究单晶铌酸锂薄膜上钛扩散M-Z调制器,目标是制备调制带宽达到200 GHz。我们主要负责单晶铌酸锂薄膜的厚度设计与M-Z调制器里的Y分支波导的设计与分析。本文研究内容主要包括两部分:1.单晶铌酸锂薄膜的折射率、吸收边的研究。2.LNOI上Mach-Zehnder调制器中钛扩散Y分支波导的研究。主要研究结果如下:1.透射光谱法测量铌酸锂薄膜的折射率、吸收系数以石英为衬底,制备了 3英寸的单晶LiNbO_3薄膜,用双光路紫外可见分光光度计测出单晶LiNbO_3薄膜的透射谱,采用包络法得到了寻常光折射率,并拟合出色散公式,测得LN薄膜的厚度约为520.7 nm,薄膜的紫外吸收边在314 nm附近。用棱镜耦合仪测量出铌酸锂薄膜的厚度为521.5 nm,与透射光谱法测出的膜厚520.7 nm非常一致。测出波长为632.8 nm、1539 nm时,薄膜的寻常光折射率分别为2.279、2.2002,与透射光谱法测得的结果一致。2.Mach-Zehnder调制器中结构的设计与研究设计了调制器的结构。软件研究了 LiNbO_3薄膜不同厚度下的钛扩散波导的有效折射率,并与微波有效折射率对比,发现在银酸锂薄膜厚度为7.8 μm时,光波与微波能实现速度匹配。3.LNOI上钛扩散条形光波导的研究模拟了不同波导宽度的光场,发现在铌酸锂薄膜TE、TM模式的单模条件分别是钛条宽度小于等于0.6 μm、1 μm,而铌酸锂体材料TE和TM模式的单模条件都是钛条宽度小于等于6.5 μm。可见薄膜中的钛扩散波导模式个数增加了。4.LNOI上钛扩散Y分支波导的研究设计了铌酸锂薄膜上的钛扩散Y分支波导,Y分支器总长度为1600 μm,短于铌酸锂体材料上的Y分支器。发现当波导弯曲半径大于1cm时,其损耗低于1E-3dB/cm。模拟了 Y分支波导的输出功率与钛条宽度的关系,发现在钛条宽度小于5 μm时,铌酸锂薄膜上的Y分支输出功率比铌酸锂体材料上的Y分支输出功率要高,最大输出功率能达到90%以上。模拟了光纤与铌酸锂薄膜上的Y分支波导输入端进行端面耦合的情况,对于厚为100 nm的钛条,最大输出功率高于75%。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O484.41

【参考文献】