一种铌酸锂光波导偏振器的制作方法

本实用新型涉及光波导偏振器技术领域，特别是涉及一种基于反质子交换技术的铌酸锂光波导偏振器。

背景技术：

光波导偏振器因其构造简单和易于集成化等优点，已成为偏振器设计的首选。该类偏振器的一个重要应用是光纤陀螺，通过将偏振器、调制器、分束器等功能器件集成到一块LiNbO3衬底上，组成光纤陀螺的核心部分。目前，已经报道的波导偏振器有：金属包层波导偏振器、利用双折射材料作芯层或者包层的波导偏振器和利用不对称多层膜构建的波导偏振器。其中金属包层波导偏振器的传输损耗较大，双折射材料制成的波导偏振器和不对称多层膜构建的波导偏振器都需要较长的传输距离才能获得较高的消光比，因此它们在集成光学中并不真正实用。

冯克成等人利用质子交换技术研制了632.8nm光波段X切Y传Ti扩散铌酸锂质子交换光波导偏振器，在间断的钛扩散LiNbO3波导中间嵌入一段质子交换波导，由于质子交换波导具有单一的选模特性，使得入射光经过质子交换波导段后变为单一的线偏振光。通过质子交换可以降低LiNbO3波导中寻常光折射率，提高非寻常光折射率，进而制作出具有偏振选择性的质子交换LiNbO3波导偏振器。虽然现有质子交换LiNbO3波导偏振器经过退火处理，能显著提高波导的光学性能，恢复电光和非线性系数，并且通过不同规范的退火处理，有效改善了波导的耦合效率，降低波导的插入损耗，进一步提高波导的折射率稳定性，但由于钛扩散和质子交换两种波导的生长机制不同，造成两者之间的折射率分布存在较大差异，钛扩散的折射率分布为高斯分布，质子交换波导的折射率分布为阶跃型分布。不同的制作工艺使得两种波导尺寸也不可能完全匹配，致使两段波导截面的模场失配，增加了光波导的传输损耗。尽管采用控制退火的方法，可以改善两者模场的匹配情况，但终究不可能使之完全匹配。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种铌酸锂光波导偏振器，以解决退火质子交换的模场匹配问题，减小光波导表面散射，降低光波导的传输损耗。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种铌酸锂光波导偏振器，所述铌酸锂光波导偏振器包括：铌酸锂衬底、在所述铌酸锂衬底的上表面下沉形成钛扩散波导区和反质子交换区；

所述钛扩散波导区和所述反质子交换区对应设置且连通；所述钛扩散波导区用于放置钛扩散波导；所述钛扩散波导为间断的条形钛膜；所述反质子交换区用于放置反质子交换波导。

可选的，所述钛扩散波导区为长方体凹槽，所述钛扩散波导区距离所述铌酸锂衬底的第一侧边和第三侧边相等；所述反质子交换区为长方体凹槽，所述反质子交换区距离所述铌酸锂衬底的第一侧边和第三侧边相等；所述铌酸锂光波导偏振器为长方体结构。

可选的，所述钛扩散波导区的长度与所述反质子交换区的长度之和等于所述铌酸锂光波导偏振器的长度；所述钛扩散波导区的宽度小于所述反质子交换区的宽度；所述钛扩散波导区的厚度等于所述反质子交换区的厚度。

可选的，所述铌酸锂光波导偏振器的长度为2.5mm，宽度为1mm，厚度为0.5mm；所述条形钛膜的长度为20μm，宽度为10μm，厚度为0.09μm；所述反质子交换区的长度为20μm，宽度为11μm，厚度为0.09μm。

可选的，所述铌酸锂衬底为X切，Y传的铌酸锂波导结构。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型在所述铌酸锂衬底的上表面设置钛扩散波导区和反质子交换区；并将所述钛扩散波导区和所述反质子交换区对应连通设置，进而解决退火质子交换的模场匹配问题，减小光波导表面散射，降低光波导的传输损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的结构图；

图2为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的俯视图；

图3为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的右视图；

图4为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的主视图；

图5是本实用新型实施例波导偏振原理示意图；

图6为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器制备方法流程图；

图7为本实用新型实施例1064nm波长在钛扩散波导截面深度方向上模场分布图；

图8为本实用新型实施例1064nm波长在反质子交换波导截面深度方向上模场分布图。

其中，1、铌酸锂衬底，2、钛扩散波导区，3、反质子交换区，4、第一侧边，5、第三侧边。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种铌酸锂光波导偏振器，以解决退火质子交换的模场匹配问题，减小光波导表面散射，降低光波导的传输损耗。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的结构图；图2为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的俯视图；图3为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的右视图；图4为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器的主视图；图5是本实用新型实施例波导偏振原理示意图；如图1-图5所示，本实用新型提供一种铌酸锂光波导偏振器，所述铌酸锂光波导偏振器包括：铌酸锂衬底1、在所述铌酸锂衬底1的上表面下沉形成钛扩散波导区2和反质子交换区3；

所述钛扩散波导区2和所述反质子交换区3对应设置且连通；所述钛扩散波导区2用于放置钛扩散波导；所述钛扩散波导为间断的条形钛膜；所述反质子交换区3用于放置反质子交换波导。

本实用新型所述钛扩散波导区2为长方体凹槽，所述钛扩散波导区2距离所述铌酸锂衬底1的第一侧边4和第三侧边5相等；所述反质子交换区3为长方体凹槽，所述反质子交换区3距离所述铌酸锂衬底1的第一侧边4和第三侧边5相等；所述铌酸锂光波导偏振器为长方体结构。

本实用新型所述钛扩散波导区2的长度与所述反质子交换区3的长度之和等于所述铌酸锂光波导偏振器的长度；所述钛扩散波导区2的宽度小于所述反质子交换区3的宽度；所述钛扩散波导区2的厚度等于所述反质子交换区3的厚度。

本实用新型所述铌酸锂光波导偏振器的长度为2.5mm，宽度为1mm，厚度为0.5mm；所述条形钛膜的长度为20μm，宽度为10μm，厚度为0.09μm；所述反质子交换区3的长度为20μm，宽度为11μm，厚度为0.09μm。

本实用新型所述铌酸锂衬底1为X切，Y传的铌酸锂波导结构。

图6为本实用新型实施例铌酸锂光波导偏振器制备方法流程图；如图6所示，本实用新型提供一种铌酸锂光波导偏振器的制备方法，所述制备方法包括：

步骤S1：制备铌酸锂衬底1；

步骤S2：采用高频溅射和剥离技术在铌酸锂衬底1的上表面制作间断的条形Ti膜；

步骤S3：在流动的湿氩气和1050摄氏度高温下，扩散8小时后，在氧气中降温至600摄氏度，制成Ti:LiNbO3单模波导；

步骤S4：在Ti:LiNbO3单模波导的表面蒸镀一层0.2μm铝膜，在铝膜上对准钛扩散波导区间断处套刻出质子交换区；

步骤S5：腐蚀去掉质子交换区的掩膜，进行质子交换处理；

步骤S6：退火处理；

步骤S7：反质子交换处理；

步骤S8：对反质子交换处理后的波导两端面进行清洗、抛光，并同光纤进行耦合粘接，封装盒内，制成完整的反质子交换铌酸锂光波导TE模偏振器。

下面对各个步骤进行详细论述。

步骤S1：制备铌酸锂衬底1，具体包括：

步骤S11：选择铌酸锂晶体的材料，并对铌酸锂晶体进行定向、切割、清洗处理，获得初始铌酸锂衬底1；具体包括：

步骤S111：对铌酸锂晶体进行晶轴定向，x方向为切割方向，y方向为传输方向。

步骤S112：沿x方向对铌酸锂晶体进行切割，切割后的铌酸锂晶体的厚度为0.5mm，长度为2.5mm，z方向的宽度为1mm。

步骤S113：使用去离子水、丙酮、乙醇依次超声清洗切割后的铌酸锂晶体，每次持续15分钟，清洗结束后获得初始铌酸锂衬底1。

步骤S12：对初始铌酸锂衬底1进行研磨、抛光，并清洗抛光后的样品表面，获得铌酸锂衬底1，具体包括：

步骤S12：对初始铌酸锂衬底1的一个zy面的质子交换面、钛扩散面和xz两个端面进行研磨和抛光，使表面粗糙度达到0.012。

步骤S12：用氧化锶、去离子水、酒精清洗，去除表面的油脂、手印及灰尘，获得铌酸锂衬底1。

步骤S2：采用高频溅射和剥离技术在铌酸锂衬底1的上表面制作间断的条形Ti膜；具体包括：

在铌酸锂衬底1经过研磨和抛光后的yz面进行镀铝、光刻、钛溅射、剥离制作出间断的条形钛膜，所述条形钛膜的宽度10μm，厚度为0.09μm，间断处长20μm。

步骤S4：在Ti:LiNbO3单模波导的表面蒸镀一层0.2μm铝膜，在铝膜上对准钛扩散波导区间断处套刻出质子交换区，具体包括：

步骤S41：在Ti:LiNbO3单模波导的表面蒸镀一层0.2μm厚的铝膜作为掩膜；

步骤S42：在掩膜上光刻套出宽为11μm质子交换区。

步骤S5：腐蚀去掉质子交换区的掩膜，进行质子交换处理，具体包括：

步骤S51：先将苯甲酸粉末和刻出质子交换区的晶体分别放入坩埚中，封住管口后放到交换炉里，经过一定时间让刻出质子交换区的晶体充分预热后，加热升温到240摄氏度。

步骤S52：将加热后的晶体放入装有苯甲酸溶液的坩埚中进行12小时的质子交换。

步骤S53：将交换好的波导用无水乙醇清洗表面，去除残留的苯甲酸，放入坩埚中。

步骤S6：退火处理，具体包括：

将已经交换好且清洗好的波导放入退火炉恒温区，往退火炉中通入氧气，防止波导表面氧化物分解，同时尽快的将温度升温到350摄氏度并恒定温度，设定退火时间为12小时。

步骤S7：反质子交换处理；具体包括：

将退火质子交换形成的波导浸入浓度为37.5:44.5:18.0的LiNO3:KNO3:NaNO3混合溶液中，在350摄氏度下持续5h恒温加热，混合溶液中的锂离子将重新取代波导表面的质子进入波导表面，不仅降低波导表面的异常光折射率，还解决退火质子交换的模场匹配问题，另外，由于波导被掩埋于表面之下，进而有效地减小了波导表面散射，降低了波导传输损耗。

图7为本实用新型实施例1064nm波长在钛扩散波导截面深度方向上模场分布图；图8为本实用新型实施例1064nm波长在反质子交换波导截面深度方向上模场分布图；如图7-图8所示，本实用新型将反质子交换波导的折射率最大值掩埋于波导表面之下，波导区域折射率呈对称分布，在钛扩散波导区2和反质子交换区3交界处，波导的模场也呈圆形对称分布。在实际应用过程中，波导在与光纤进行对接耦合时，由于光纤的模场分布呈圆形对称结构，而经过反质子交换处理的波导模场分布也呈圆形对称结构，因此提高了耦合度，解决退火质子交换的模场匹配问题，减小光波导表面散射，降低光波导的传输损耗，提高了波导与光纤的耦合效率。

本实用新型基于反质子交换技术构建的铌酸锂光波导偏振器因为具有尺寸小、偏振消光比特性好、选模性能好、抗电磁干扰能力强、易于同其他光波导器件集成等优点，因此在光纤陀螺中，有效抑制偏振态波动，提高陀螺精度。

本实用新型基于反质子交换技术构建的铌酸锂光波导偏振器还显著提高波导的光学性能，恢复电光和非线性系数，并且通过不同规范的退火处理，有效改善了波导的耦合效率，降低波导的插入损耗，进一步提高波导的折射率稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。