专利名称：一种周期极化反转铌酸锂光波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导，具体涉及一种周期极化反转铌酸锂光波导。
背景技术：
周期极化反转铌酸锂光波导(PPLN)中具有倍频(SHG)、和频(STO)、差频(DTO)、级联倍频与差频(cSHG/Dre)、级联和频与差频(Csre/Dre)等二阶和级联二阶非线性效应，在全光波长转换、全光开关、全光逻辑门、全光码型转换等方面都有巨大的应用潜力，近几年来受到越来越多的关注。目前为止，周期极化反转铌酸锂光波导的主要结构有凸条形波导、掩埋形波导、脊形波导、条载形波导，扩散条形波导等，这些波导结构简单，采用这些结构制备的周期极化反转铌酸锂光波导对光场限制较弱，波导中的传输损耗比较大，对转换效率的提高有很大的影响。同时采用这些结构所制备出的光波导在进行全光波长转换时信号光与抽运光的模场不能很好地匹配，从而影响波长转换效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于全光信号处理的具有新颖结构的周期极化反转铌酸锂光波导，该周期极化反转铌酸锂光波导在波导层的上包层和下包层采用光子晶体结构，将周期极化反转铌酸锂光波导与光子晶体结合，使得光波导损耗低、转换效率高。本发明提供了一种周期极化反转铌酸锂光波导，包括衬底和位于衬底上的波导层，其特征在于，它还包括上光子晶体和下光子晶体，下光子晶体生长于衬底与波导层之间，上光子晶体生长于波导层上，所述上光子晶体和下光子晶体能够使所述周期极化反转铌酸锂光波导的基频光波长和倍频光波长均处在光子禁带内。进一步的，所述的上光子晶体为一维、二维或三维光子晶体，所述的下光子晶体为一维、二维或三维光子晶体。本发明具有如下有益效果1、本发明采用光子晶体结构对光波模场进行限制，使得在进行全光波长转换时信号光与抽运光的模场能够很好地匹配，提高了模场匹配因子，从而提高波长转换效率。若是在波导层上下制备二维或三维光子晶体，对光场限制作用更强，效果更好，更有利于转换效率的提高。该波导上分有利于PPLN中倍频效应的产生与传输，使其转换效率提高，同时也能提高其它二阶和级联二阶非线性效应的转换效率。2、本发明将光子晶体应用到PPLN波导结构设计当中，可使得倍频过程中基频抽运光和倍频光刚好处在光子禁带内，光子禁带可以阻止频率落在其内的光波从PPLN波导进入其他介质，导致波导对特定波长的传输损耗减小。基频抽运光在该PPLN中传输时，由于倍频效应产生倍频光，这两束光在该波导中具有极小的传输损耗。3、本发明所述的光波导中波导层上下可以采用对称结构，那么波导中光场呈对称分布，与单模光纤更容易耦合，耦合效率更高，波导层上下的光子晶体具有很高的反射率，所以对波导中光场限制作用更强，光功率密度更高，非常有利于非线性效应的产生。
图1是本发明采用一维光子晶体的周期极化反转铌酸锂光波导的结构图；图2是本发明采用二维光子晶体的周期极化反转铌酸锂光波导的结构图；图3是本发明实施例中所设计的Si02/Ti&薄膜的透射谱图。
具体实施例方式本发明所述的适用于全光信号处理的周期极化反转铌酸锂光波导包括波导层1、 衬底2、上光子晶体3和下光子晶体4，衬底2上生长下光子晶体4，将其与波导层1直接键合，波导层1上生长上光子晶体3。其中上光子晶体3和下光子晶体4可以是相同的结构， 也可以是不同的结构，他们可以是一维光子晶体(如图1所示)、二维光子晶体(如图2所示，通过在波导层上下两端打孔或其他方式制备)或者三维光子晶体。本发明需要对上光子晶体3和下光子晶体4的结构(即高低折射率、周期层数、每层介质膜的厚度)进行设计，使得周期极化反转铌酸锂光波导的倍频过程中基频光和倍频光波长刚好处在光子禁带内。下面以上光子晶体3和下光子晶体4均为一维光子晶体，一维光子晶体为多层 Si02/Ti02薄膜(SiA的折射率为1. 46, TiO2的折射率为2. 3)为例，对本发明做进一步说明。一维光子晶体是由两种或多种介质在一个方向上周期排列构成，在近可见光区和红外区能达到几十甚至几百纳米量级的带隙宽度，其带隙宽度由介质的折射率决定，折射率差越大，则禁带越明显。上、下一维光子晶体的结构可以采用传输矩阵法设计，即利用麦克斯韦方程组求解两个紧邻层面上的电场和磁场，从而可以得到传输矩阵，然后将单层结论推广到整个周期介质空间，由此即可计算出整个多层介质的透射系数和反射系数，透射系数随入射波长的变化图即为透射谱图，改变一维光子晶体的高低折射率、周期层数、每层介质膜的厚度， 便可得到不同的透射谱，当透射谱中透过率为0的区域(即光子禁带)能够与周期极化反转铌酸锂光波导的基频光波长和倍频光波长相对应时，记下此时的高低折射率、周期层数、 每层介质膜的厚度，根据这些参数便可得到一维光子晶体的结构。对于脊形波导宽度为8 μ m,高度为5 μ m的周期极化反转铌酸锂光波导的制备，首先选取掺镁的铌酸锂晶体作为波导层，钽酸锂晶体作为衬底层；室温下使用外加电场极化法对波导层进行周期极化，实现周期畴反转结构的制备，再在衬底上采用溶胶-凝胶法制备多层Si02/Ti&薄膜(TiA膜和SiA膜交替周期排列)，将其与波导层直接键合，在对波导层进行研磨抛光，使波导层的厚度减薄至5 μ m，之后对波导层同样采用溶胶-凝胶法制备多层Si02/Ti&薄膜，再沉积一层NiCr合金的金属薄膜作为掩模层，通过光刻法将波导结构图形转移至波导层上，用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀的方法刻蚀出脊形波导结构，最后用化学溶剂将光刻胶和金属掩模层去除掉，即得到铌酸锂光波导。本发明所述的光波导，当Si02/Ti02薄膜层数大于12层时，透射谱随薄膜层数的变化不大，改变SW2和TW2薄膜每层膜的厚度，当SW2薄膜每层膜厚为263nm，TiO2薄膜每层薄膜厚度为164nm，使其光子禁带刚好处在1550nm和775nm波段，光子禁带可以阻止频率落在其内的光波从PPLN波导进入其他介质，如图3所示，透射谱图中中心波长Xci为1550nm， 该一维光子晶体对1550nm和775nm波段的光具有接近于1的反射率，当1550nm的光在所设计的周期极化反转铌酸钾光波导传输时，由于倍频效应产生775nm的倍频光，一维光子晶体对这两束光具有很高的反射，同时对其模场进行限制，这两束光在该波导中具有极小的传输损耗，两束光的模场能够进行很好地匹配，所以该光波导损耗低、转换效率高。
本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的发计结构和思路，做一些简单的变化或更改的发计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种周期极化反转铌酸锂光波导，包括衬底( 和位于衬底上的波导层(1)，其特征在于，它还包括上光子晶体(3)和下光子晶体G)，下光子晶体(4)生长于衬底(2)与波导层(1)之间，上光子晶体(3)生长于波导层(1)上，所述上光子晶体C3)和下光子晶体(4) 能够使所述周期极化反转铌酸锂光波导的基频光波长和倍频光波长均处在光子禁带内。
2.根据权利要求1所述的周期极化反转铌酸锂光波导，其特征在于，所述的上光子晶体(3)为一维、二维或三维光子晶体，所述的下光子晶体(4)为一维、二维或三维光子晶体。
全文摘要
本发明提供了一种周期极化反转铌酸锂光波导，包括衬底、位于衬底上的波导层、上光子晶体和下光子晶体，下光子晶体生长于衬底与波导层之间，上光子晶体生长于波导层上，所述上光子晶体和下光子晶体能够使周期极化反转铌酸锂光波导的基频光波长和倍频光波长均处在光子禁带内。所述的上光子晶体和下光子晶体为一维、二维或三维光子晶体。该周期极化反转铌酸锂光波导在波导层的上包层和下包层均制备了光子晶体，将周期极化反转铌酸锂光波导与光子晶体结合，使得光波导损耗低、转换效率高。
文档编号G02B6/122GK102169207SQ20111013904
公开日2011年8月31日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者冯力群, 周钰杰, 孙军强 申请人:华中科技大学