周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂条形波导及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光波导领域，特别是涉及一种通过钛扩散、VTE(气相疏运平衡)和周期极化制备近化学计量比T1:PPLN铌酸锂条形光波导的方法。
【背景技术】
[0002]波导，是用来定向引导电磁波的结构。常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播(要求在波导横截面内满足横向谐振原理)。
[0003]通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。当无线电波频率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。金属波导管的优点是导体损耗和介质损耗小、功率容量大、没有辐射损耗、结构简单、易于制造。金属波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，金属波导管里不能传输TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在。其传播模式为表面波。在毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作容易，可具有集成电路需要的平面结构。
[0004]铌酸锂晶体是一种热稳定性、化学稳定性良好的多功能光电材料，具有优秀的压电、声光、电光、铁电、热释电、非线性等性能。目前，以铌酸锂晶体为基底的光电元件已经在光通信调制器、激光调制器、光隔离器、激光倍频器等方面获得广泛的应用。
[0005]与同成份铌酸锂晶体相比较，近化学计量比铌酸锂晶体拥有众多的优异性能:1、晶体的抗光致损伤能力更强，大约提高了一个数量级；2、晶体内部缺陷少，因此晶体响应速度会更快，其响应时间可以缩短至几十至几百毫秒。现在用于近化学计量比铌酸锂晶体生长制备的方法主要有以下几种:掺入助熔剂法、双坩祸法以及气相输运平衡法。
[0006]目前，采用提拉法生长的铌酸锂晶体大都是偏离其化学计量组分的同成分晶体，表现为Li原子的缺失，通过在同成分熔体中加入氧化钾或者改变铌酸锂熔体中的锂铌比(Li/Nb)，或者通过气相运输平衡(VTE)技术对晶体进行处理等，都可以改变铌酸锂晶体中的锂铌比，从而生长制备出近化学计量比的LN晶体。
[0007]通过掺入氧化钾助熔剂可以生长出光学质量好的近化学计量比铌酸锂晶体。但是，因为氧化钾基本不会进入晶体内，熔体的组份会随晶体不断成长而变化，致使晶体上下组份不均匀。双坩祸法生长的近化学计量比铌酸锂晶体组份比较均匀，并且可以生长出大尺寸的晶体。但是，采用这种方法需在晶体的生长过程中持续填入等量的化学计量比原料，要求使用自动填料系统，技术设备比较复杂，一般实验室很难实现。与前两种方法直接生长获得近化学计量比LN晶体不同，富锂VTE是以同成份铌酸锂晶体为原材料，通过改变其组份获得近化学计量比LN晶体。采用VTE技术制作的晶片中氧化锂的组份可以达到摩尔分数50.0%，而且组份相对均匀。与前两种方法相比较，富锂VTE技术成本最低，具有重要的研宄价值。随着全光开关、周期极化铌酸锂波长变换器的器件的研宄应用，采用VTE技术制作近化学计量比铌酸锂晶片受到人们的瞩目。
[0008]铌酸锂光波导从制备方法上可以分为:钛扩散铌酸锂光波导、离子交换铌酸锂光波导以及质子交换铌酸锂光波导等。离子交换、质子交换光波导因高温时光学性能不稳定，应用领域受到限制。使用钛扩散技术在铌酸锂基底上制作光波导已经是非常成熟的技术。人们对钛扩散技术作了详细的理论研宄，发现钛原子是以替代的形式扩散进入晶体内。在高温条件下，钛原子会扩散到铌酸锂晶体内部，弹光效应和电光效应使得钛扩散区域的折射率增大，从而形成折射率渐变的光波导。
[0009]集成光学以及光通信技术的快速发展对波长转换器要求越来越高。以往以铌酸锂等其他体材料作为核心元件制作的一类器件已经不能满足当前对光学器件小型化、集成化的要求。与同成分铌酸锂晶体相比，钛扩散近化学计量比光波导具有重要的研宄以及应用价值。
【发明内容】
[0010]为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂条形光波导制备方法，通过钛扩散、VTE (气相疏运平衡)和周期极化制备近化学计量比T1:PPLN铌酸锂条形光波导。
[0011]本发明提出了一种周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂条形光波导制备方法，该方法包括以下步骤:
[0012]步骤1、使用光学级Z切0.5_厚的同成份铌酸锂晶片为初始材料，再使用精密切割机将初始材料切割成15_(长)X 1mm(宽)的样品；
[0013]步骤2、先将样品清洗干净，放在加热板上烘烤lOmin，温度为85°C ;然后，使用匀胶机在样品上涂覆一层SPR6112B型光刻胶，设定匀胶机的转速为3000r/min、旋涂时间为Imin ;之后，把旋涂完光刻胶的样品，在85°C下烘烤1min ;接下来，选用具有掩膜板条纹曝光部分的宽度为6 μπι的条形波导图样的掩膜板，将样品和该掩膜板放入光刻机的操作台上，调整好位置，曝光40s ;使用质量百分比为0.5%的氢氧化钠溶液进行16s显影处理，在曝光部分光刻胶溶解后，迅速使用纯净的去离子水清洗干净，接着使用高纯高压氮气枪将样品吹干；最后，将进行完显影处理的晶片，放在加热板上烘烤lOmin，温度为85°C ;
[0014]步骤3、样品放入直流溅射机中进行钛金属薄膜的溅射镀膜，溅射时充入氩气，使压强维持在近似4Pa ;
[0015]步骤4、利用超声波清洗机使用丙酮对镀完钛金属薄膜的样品进行剥离，洗掉镀在光刻胶上的钛；用酒精和高纯净去离子水对剥离后的晶片清洗，清洗完成后，用高纯高压氮气枪将样品吹干，测得此时样品的钛金属膜的厚度为90nm ;
[0016]步骤5、将样品放入高温炉中，进行钛金属薄膜的预扩散，时间和温度分别为5h、1100°C，保证钛离子进入铌酸锂晶体内部；
[0017]步骤6、将样品放入由摩尔分数比为68mol %: 32mol %的Li2CO#P Nb 205混合粉末烧结成的富锂坩祸中，样品下面加一层铂金垫片；将坩祸用富锂粉密封后，放入箱式高温节能炉中进行富锂VTE处理；箱式高温炉的运行过程控制在四个阶段:阶段(1)、在50min内，由25°C升至4000C ;阶段(2)、400°C加热到1100。。，用时140min ;阶段(2)、在1100°C下维持30h ;阶段(4)、由1100 °C降至室温。
[0018]步骤7、先后用粒径为20 μπι、7 μπκ?.5 μ m的抛光粉进行样品抛光，然后用抛光液对样品的端面进行抛光；
[0019]步骤8、再次采用步骤2的光刻处理方法，在步骤7所得的样品的光波导端面上制作出周期图样，光刻过程中选用的电极掩膜板的周期为45 μπι;光刻完成后，测得光刻胶的厚度为4.5 μπι ;然后，在做完光刻的样品表面镀一层铝金属膜，增强导电性；将样品放入液体电极夹具中，并用硅胶垫片密封好；之后，在液体电极夹具中注入饱和的LiCl溶液，在注入溶液的过程中应避免气泡的出现；接入高压方波脉冲发生系统，设定极化时间为0.85s，高压直流电源的输出电压为4.0kV。
[0020]步骤9、极化后，将样品表面的金属电极擦除，去除样品表面的LiCl液体，清洗干净，即T1:PPLN光波导。
[0021]本发明还提出了一种周期极化钛扩散近化学计量比铌酸锂条形光波导，该产品基于铌酸锂晶体加工成的样品而构成，在所述铌酸锂晶体样品的+Z面上，具有由钛扩散形成的条形波导结构以及由周期电极的极化处理之后形成的周期畴反转结构。
[0022]与现有技术相比，本发明制备的光波导，具有优良性能:损耗小，晶体缺陷少，光学均匀性好，且在波长变换中能具有独特的优点:速度快，噪声低，效率高，无啁啾，而且以相同的效率同时向下、向上转换多个波长，能实现全透明变换。
【附图说明】
[0023]图1、钛扩散铌酸锂光波导制造工艺流程示意图；
[0024]其中:100、铌酸锂晶体;101、光刻胶;102、掩膜板;103、钛膜;104、光波导;110、匀胶；111、曝光；112、显影；113、镀钛；114、剥离；115、扩散；116、端面抛光；
[0025]图2、周期极化流程；
[0026]其中:201、钛扩散光波导，202、液体电极，203、金属电极，204、T1:PPLN光波导，211、周期极化
[0027]图3、富锂气相输运平衡示意图；
[0028]其中:301、富锂坩祸；302、富锂粉末；303、钛扩散光波导样品
[0029]图4、极化电路示意图
[0030]其中:401、高压直流电源；402、分压电阻；403、正极；404、钛扩散光波导样品；405、负极；