单晶铌酸锂薄膜上质子交换波导与光子器件的研究

发布时间：2017-12-13 15:05

  本文关键词：单晶铌酸锂薄膜上质子交换波导与光子器件的研究

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【摘要】：铌酸锂由于其优良的电光、声光、非线性光学、压电性质以及在可见光和近红外波段良好的透过率,一直是集成光学里一种非常重要的光学材料。近年来,利用离子注入和键合技术制备出的绝缘体上的单晶铌酸锂薄膜(LNOI, lithium niobate on insulator)为现代集成光学提供了良好的平台。由于其高折射率差和微米量级的薄膜厚度,光子器件的集成度和器件性能得到了大幅度的提高。光波导是集成光学中基本的结构单元,光波导可以把光限制在微米量级的微小区域中使光以导模形式在其中传播。很多复杂的光子器件,诸如Mach-Zehnder电光调制器、非线性波长转换器、波分复用器等都是基于光波导制备的。质子交换技术是一种在体材料铌酸锂上制备光波导器件的很重要的方法。质子交换光波导损耗很低,制备工艺成熟简单。铌酸锂是一种具有双折射性质的晶体材料,经过质子交换后,晶体的异常光折射率n。会升高,而晶体的寻常光折射率no会降低。因此对于ne,被质子交换的区域会形成高折射率区域从而形成波导结构。由于质子交换通常会改变铌酸锂的晶格结构,电光系数、二阶非线性系数会大幅度降低。一般通过退火或软质子交换法来恢复或保留原来的光学系数并降低波导的传播损耗。根据不同的制备条件,例如质子源的种类、交换和退火的温度时间,质子交换后的晶格通常可分为7种晶相：β1、β2、β3、β4、k1、k2和α相。其中α相具有和纯铌酸锂最接近的晶格结构,光学系数得到了较好的保留。目前国际上已经报道了通过刻蚀和沉积加载条型波导的方法在铌酸锂薄膜上形成的集成光子器件,但损耗较大。通过质子交换技术降低单晶铌酸锂薄膜上集成光子器件的损耗、提高其性能是本论文的主要研究目的。本论文我们通过退火质子交换和短时间质子交换方法均制备出了低损耗的条形光波导,并且电光系数得到了很好的保留,这对于基于LNOI的集成光学的发展具有重要意义。光子晶体是一种介电常数呈周期变化的人工材料。光在这种周期结构中传播时在不同介质的交界面上会发生相干散射,某些特定频率和传播方向的光会被禁止传播形成光子带隙。利用光子晶体的光子带隙特性,人们可以在很小的尺寸下控制光的传播。虽然三维光子晶体在空间三个方向上都可以制约光的传播,但是加工制备比较困难,所以目前比较常用的方法是在具有平面波导结构的样品上制备二维平板光子晶体从而在平面内通过光子带隙控制光的传输而在垂直平面的方向上利用全反射来约束光。本论文我们在LNOI上制备出了高消光比和宽带隙的平板光子晶体结构。本论文所用材料为绝缘体上的单晶铌酸锂薄膜LNOI。LNOI为三层结构,最下面是铌酸锂衬底,上面是一层厚度为2 μm左右的SiO2层,主要作用是和上面的铌酸锂薄膜形成高折射率差从而对光形成较强的限制作用。最上面是一层微米或亚微米量级的单晶铌酸锂薄膜,该薄膜是通过离子注入方法从另一个铌酸锂衬底上剥离下来并键合到SiO2上,所以利用该方法制备的铌酸锂薄膜比诸如溅射等方法制备的薄膜具有更完美的单晶晶格结构。本文主要研究内容包括两部分：1.LNOI中质子交换过程的研究以及光波导等集成光子器件的研究。2.基于LNOI的平板光子晶体结构以及光子晶体谐振腔的研究。主要结果如下：1. LNOI上高折射率差质子交换光波导的研究质子交换是在铌酸锂上形成光波导的一种成熟的制备方法,我们尝试了质子交换在LNOI中形成波导的可行性。实验证明两种工艺是互相兼容的。利用阶梯状的折射率分布模型,我们研究了波导模式分布随波导尺寸的变化,模拟结果表明这种加载条型光波导无论质子交换区域的宽度如何变化总会有0阶模式存在,波导的模式大小最小可以达到0.6 μm2。为了得到高折射率差光波导,我们选择焦磷酸作为质子源,并在200℃的温度下质子交换80分钟,使得铌酸锂薄膜全部充分被质子交换。利用棱镜耦合仪测量出的折射率变化为0.149(633 nm波长下)。x射线表明质子交换后有新的晶相产生。利用这个条件我们制备了不同宽度的条形光波导。波导基模的近场模式分布表明LNOI中质子交换波导的模式大小比传统钛扩散铌酸锂光波导小得多。波导传输损耗随波导宽度增加而减小,最小的为11 dB/cm。2. LNOI上低损耗退火质子交换光波导的研究为了得到低损耗波导我们尝试了制备α相光波导的条件。利用退火质子交换方法可以获得α相光波导,折射率分布为高斯分布。模拟结果表明模式大小最小可达到1.2μm2。高分辨x射线摇摆曲线测试结果表明,对于200℃15分钟苯甲酸质子交换的z切LNOI,如果退火不充分很难得到纯的α相光波导,如果强烈退火会严重破坏铌酸锂薄膜的晶格结构,导致波导损耗很高。降低质子交换时间可以很好的保留铌酸锂薄膜的晶格结构。实验中我们在200℃下质子交换5分钟并在350℃下退火3小时的条件下成功制备出低损耗的z切光波导。时域有限差分法(FDTD)模拟表明端面反射率会随着波导条和波导端面的夹角变化。在不同宽度的波导中初始掩膜宽度为4 μm的光波导的模式尺寸最小,损耗为0.6 dB/cm。我们利用相同的办法还制备了x切的LNOI质子交换光波导,制备条件为200℃5分钟质子交换并在350℃退火1.5小时,波导损耗最小为1.3 dB/cm。3. LNOI上短时间质子交换光波导的研究由于和体材料铌酸锂形成的波导类型不同,我们可以利用很短时间质子交换在LNOI中形成光波导使模式尽量在未被交换的区域传播从而减小损耗。模拟结果表明模式大小随交换深度和宽度变化有一个最小值,质子交换区域中光波能量随交换深度和宽度的增加而增加,随薄膜厚度的增加而减小。实验中利用苯甲酸作为质子源,在200℃下质子交换3分钟制备出了损耗为0.2 dB/cm的光波导。增加交换时间会增加波导损耗。4. LNOI上Y分支器的研究利用很短时间质子交换在LNOI中制备了Y分支器。弯曲半径8000μm、波导宽度为3 μm的Y分支器在1.55 μm波长附近的透过率为85%～90%,并且在不同的输入耦合条件下表现出稳定的分光比。5. LNOI上质子交换相位调制器的研究质子交换通常会大幅度降低铌酸锂的电光系数从而影响其在电光调制方面的应用。实验上我们通过引入很薄一层质子交换层来传导光波使得大部分光的能量在质子交换区域以外的地方传播来避免其影响。通过模拟计算我们找到了制备质子交换相位调制器的理想条件。实验中首先利用光刻制备出宽度为3μm的质子交换波导,在保留金属铬掩膜的情况下进行第二次光刻,做出间距为10 μm的电极。比较加电压前后Fabry-Perot (FP)共振曲线的移动计算出该相位调制器的半波电压长度乘积为6.5 V·cm,有效电光系数为29.5 pm/V。6. LNOI上平板光子晶体的研究利用平面波展开法研究了LNOI上光子晶体的能带特性,并通过FDTD模拟了光子晶体的透射谱,二者的光子带隙位置和范围基本一致。实验中利用聚焦离子束刻蚀技术在LNOI上制备出脊型波导,并在波导上刻蚀出二维光子晶体图形,空气孔的周期和半径分别为520 nm和130 nm。利用可调谐激光器和端面耦合法测量了光子晶体的透射谱,与FDTD模拟的结果基本符合,消光比超过了20 dB。7. LNOI单模光子线以及一维光子晶体谐振腔的研究LNOI上的脊型波导由于和周围背景有很高的折射率差,对于光有很强的限制作用,可以用来制作小型化、集成度很高的集成光学器件和光路。单模波导在光波传输过程中不存在模式间色散,我们利用有限差分法研究了z切和x切LNOI脊型波导的导模特性,找到了单模条件,模拟结果表明,在一些特殊尺寸下存在不同模式间的耦合。在这条光子线上刻蚀出一排周期性排列空气孔并除去中间的一个孔形成一维光子晶体谐振腔。通过FDTD模拟找到了该谐振腔作为光学滤波器的最佳条件。实验中利用聚焦离子束刻蚀出单模波导(光子线)和光子晶体结构,利用可调谐激光器和端面耦合法测量了光子晶体的透射谱,该谐振腔在1400 nm处出现了共振峰,透过率、Q因子和消光比分别为0.34、156和12.5 dB。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN25;O734

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本文编号：1285562