专利名称：非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种激光发生器技术领域的制备方法，具体是一种用于可调多波
长激光器的非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法。
背景技术：
现有的在室温下实现可调多波长光纤激光器需要克服的一个重要问题是如何有 效抑制掺杂光纤的均匀增益展宽效应。当多波长光纤激光器的输出波长间隔小于增益光纤 的均匀展宽线宽时，不可避免地存在严重的模式竞争和模式跳变。虽然现在已经有一些方 法可以实现多波长输出，如利用四波混频(F丽)效应获得常温下稳定的多波长输出、基于 非线性偏振旋转(NPR)的多波长掺铒光纤激光器、基于掺铒光纤的受激布里渊效应(SBS) 实现多波长激光输出，但这些方法都有其相应缺陷。如利用四波混频效应实现的多波长激 光器容易受到外界环境的干扰，且成本较高；利用非线性偏振旋转实现多波长激光输出需 要腔内有较高的功率水平，且激光器的长度也比较长；利用掺铒光纤受激布里渊效应实现 的多波长激光器输出的波长间隔不可调节。 目前，基于二阶非线性差频或级联效应的全光波长转换器件具备噪声低、调节波 长范围宽和可以同时转换多波长的特点。其基于半导体或铁电畴反转波导差频或级联波 长转换器与其它波长转换器方案比具有明显的优势，因此这种全光波长转换器件可以应用 于多波长激光器的设计中。就光学超晶格波导结构设计而言，基于光学超晶格波导结构的 波长转换器可以分为两类一类是基于周期光学超晶格波导结构的波长转换器，另一类是 基于非周期光学超晶格波导结构的波长转换器。非周期光学超晶格(Aperiodic Optical Su卯erlattice， AOS)是一种新的光学超晶格结构，和周期性的光学超晶格相比，AOS可 以为光参量等非线性过程提供更多的倒格矢来补偿位相失配。在AOS理论中，光学样品 被分为同样大小的区域，每个区域的电畴方向通过模拟退火算法(Simulated Annealing Method, SA Method)设计。在AOS光学超晶格中，虽然畴反转的周期不存在了 ，但是每个畴 的长度是一个固定值或是此固定值的整数倍。把非周期光学超晶格引入非线性光学晶体 中，可以同时实现多个非线性光学参量过程，或在单个参量过程发生时，可以实现宽带波长 转换功能。 经过对现有技术文献的检索发现，2004年Al-Mansoori ， M. H.等人发表在 OpticsComm皿ications (242， 2004) 上的"Multi-wavelength Brillouin-Erbium fibre laser in alinear cavity"(《基于线性腔的布里渊掺铒光纤激光器》) 一文介绍了利用掺 铒光纤的受激布里渊效应实现0. 088nm的多波长激光输出。虽然运用该方法在室温下可以 获得18路激光输出，但该方案存在的不足在于一是该方案结构复杂；二是其18路输出激 光的波长间隔不可调节。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，实现多波长激光器可以在室温下稳定工作，对外部环境不敏感；装置简单，结构 新颖，且成本较低；有效避免了传统多波长光纤激光器存在的掺杂光纤的均匀增益展宽效 应；同时输出的多路激光的波长及波长间隔可以由泵浦光波长方便灵活地调节。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤 在掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNb03)晶片的-Z表面，即背面使用钛扩散技术，将_Z面 预溅射的钛条内扩散进入铌酸锂晶片的衬底形成波导层，然后进行室温电场极化以改变铌 酸锂晶片电畴区域的极化方向，即得到钛扩散波导结构。 所述的铌酸锂晶片是指镁掺杂摩尔比为5%的铌酸锂晶片(MgO:LiNb03);
所述的钛扩散技术是指在113(TC的高温下通氩气十几个小时后通氧气后扩散1 小时以上，将-Z面预溅射的宽度为2 8 m的钛条内扩散入铌酸锂晶片的衬底，形成横电波 (TE)和横磁波(TM)模式的导波均可以被激发的波导层。
所述的室温电场极化，包括以下步骤 a)选择非周期光学超晶格的电畴宽度d， d小于周期性全光波长转换器的电畴宽 度L，且要在现有室温电场极化的技术条件下实现。采用模拟退火算法的目标函数F，对正 负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大，具体公式为 其中F是目标函数，T是转换效率样本，N是样板本数量，是样板本均值，o是
均方差值。 b)根据计算得到的正负电畴的排列顺序，在铌酸锂晶片的+Z面，即正面，光刻金 属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度d，将高压脉冲施加于上、下电极之间，使得 在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反 转；而对应无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向，因此正畴的晶轴方向与 负畴的晶畴方向相反。 所述的高压脉冲的幅值大于矫顽场的场强，对应掺镁的铌酸锂晶片的矫顽场为 4. 5kv/mm ; 所述的高压脉冲的周期及次数满足以下公式
/p。,=^^-f，Q = 2PSA，Q=「 其中I一为极化电流，Q是晶体表面的输运电荷，tp()1是极化时间。 所述的钛扩散波导结构是指包含非周期超晶格的钛扩散波导结构。 通过对泵浦光入射偏振态的控制，产生准位相匹配的二阶非线性倍频与差频级联
效应以实现在室温下、波长可调的多波长输出。利用所得到的非周期光学超晶格，构成可调
多波长激光器。 本发明采用两个泵浦光源作为输入光，在两泵浦光耦合进波导之前控制两泵浦光 的偏振特性为晶体中的非常光(E光)。控制两个泵浦光波长在泵浦带宽内改变，即可实现 波长可调的多波长激光输出。 本发明基于非周期超晶格结构的钛扩散掺镁铌酸锂波导，该结构基于集成光学工 艺制作，易于集成，可以大批量生产，从而极大降低成本。同时输出多路激光的波长及波长间隔灵活可调，且完全由输入的泵浦光波长和波长间隔决定。
图1为本发明制备所得波导结构示意图。
图2为实施例多波长产生装置示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 选择一块Z切割的镁掺杂摩尔比为5%的铌酸锂晶片，首先在该晶片-Z面上制作 钛扩散波导结构，然后在该晶片+Z面上制作非周期光学超晶格通过对晶片进行室温电场 极化，以实现晶体极化畴翻转。
具体实施步骤如下 (1)选取大小为20xl0xlmm，厚度为1mm的5% mol掺杂比的Z切割掺镁铌酸锂晶 片，+/-Z面均抛光，其中+Z面与水平面平行并面向Z轴正方向，-z面与水平面平行并面向 Z轴负方向。 (2)在-Z面用钛扩散技术制作宽度为6 m的条波导。
(3)选择非周期光学超晶格的电畴宽度d = 5iim。 (4)采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴中区域的极化方向。具体如 下 选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标 函数最大，得到正负电畴的特定排列顺序。 其中F是目标函数，T是转换效率样本，N是样板本数量，是样板本均值，o是
均方差值。 (5)根据计算得到的正负电畴排列顺序对晶片进行室温电场极化以改变电畴的极 化方向，构成非周期光学超晶格。具体如下 根据(4)中计算得到的正负电畴的排列顺序，用光刻技术在铌酸锂晶片的+Z面制 作金属栅格作为电极，每个栅格的宽度为电畴宽度d二5iim。高压脉冲施加于上下电极间， 在有电极的区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使电畴的自发极化方向发生反 转。在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向。 至此，就在5%镁掺杂比、表面有钛扩散条波导结构的铌酸锂晶体中实现了非周期 光学超晶格。 采用图2所示的结构装置，并控制泵浦光的偏振特性为非常光，即得到波长可调 的多波长激光器多波长产生装置。
以一 4波长输出为例，以两个波长分别为1560nm和1560. 8nm的TE模偏振进 入波导，经二次级联非线性效应后产生了波长分别为1558. 4nm， 1559. 2nm， 1561 6nm和 1562. 4nm的4路激光输出，其相邻两路的波长间隔为0. 8nm。改变进入波导的TE模偏振的 波长为1560nm和1560. 4nm时候，经过二次级联非线性效应后产生的4路激光输出的波长 分别为1559. 2nm， 1559. 6nm， 1560. 8nm和1561. 2nm，其相邻波长间隔为0. 4nm.可见，调节输 入的泵浦光波长可以改变输出的多路激光的波长和波长间隔。 如图l所示，为本实施例基于模拟退火算法的MgO:APPLN(非周期极化掺镁铌酸 锂)波导结构示意图，如图2所示，为基于该MgO:APPLN(EE-E)晶片的多波长激光产生装置 的原型器件的工作示意图。输入的两泵浦光均通过偏振控制器调节为非常光(E光)，两泵 浦光经耦合器耦合后进入温度可调控温炉中的MgO: APPLN晶体波导结构。由于该波长转换 器是由一块铁电体晶体构成，厚度为0. 2 lmm的波导器件，因此实际应用中还需要按光通 讯器件的传统封装技术进行封装。 本实施例在室温下实现多波长输出的装置简单；通过调节输入的泵浦光波长可以 实现对输出多路激光波长及波长间隔的方便调节；多波长激光器可以在室温下稳定工作， 对外部环境不敏感；采用非周期极化掺镁铌酸锂的二阶非线性级联效应实现多波长输出， 其装置简单，结构新颖，成本较低；三是有效避免了传统多波长光纤激光器存在的掺杂光纤 的均匀增益展宽效应；四是输出激光的波长及波长间隔可以通过改变输入的泵浦光的波长 进行灵活调节。
权利要求
一种非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，其特征在于，在铌酸锂晶片的-Z表面，即背面，使用钛扩散技术，将-Z面预溅射的钛条内扩散进入铌酸锂晶片的衬底形成波导层，然后进行室温电场极化以改变铌酸锂晶片电畴区域的极化方向，即得到钛扩散波导结构。
2. 根据权利要求1所述的非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，其特征是，所述的铌酸锂晶片是指镁掺杂摩尔比为5%的铌酸锂晶片。
3. 根据权利要求1所述的非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，其特征是，所述 的钛扩散技术是指在113(TC的温度下通氩气十几个小时后通氧气后扩散1小时以上， 将-Z面预溅射的宽度为2 8 i！ m的钛条内扩散入铌酸锂晶片的衬底，形成波导层。
4. 根据权利要求1所述的非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，其特征是，所述 的室温电场极化，包括以下步骤a)选择非周期光学超晶格的电畴宽度d， d小于周期性全光波长转换器的电畴宽度L， 且要在现有室温电场极化的技术条件下实现，采用模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴 的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大，具体公式为其中F是目标函数，T是转换效率样本，N是样板数量，ii是样板均值，C是均方差值；b)根据计算得到的正负电畴的排列顺序，在铌酸锂晶片的+Z面，即正面，光刻金属格 栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度d，将高压脉冲施加于上、下电极之间，使得在有电 极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反转；而 对应无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向，因此正畴的晶轴方向与负畴 的晶畴方向相反。
5. 根据权利要求4所述的非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，其特征是，所述 的高压脉冲的幅值大于矫顽场的场强。
6. 根据权利要求4或5所述的非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，其特征是，所 述的高压脉冲的周期及次数满足以下公式其中ID()1为极化电流，Q是晶体表面的输运电荷，tD()1是极化时间。
全文摘要
一种激光发生器技术领域的非周期光学超晶格钛扩散波导的制备方法，在铌酸锂晶片的-Z表面使用钛扩散技术，将-Z面预溅射的钛条内扩散进入铌酸锂晶片的衬底形成波导层，然后进行室温电场极化以改变铌酸锂晶片电畴区域的极化方向，即得到钛扩散波导结构。本发明实现多波长激光器可以在室温下稳定工作，对外部环境不敏感；装置简单，结构新颖，成本较低；有效避免了传统多波长光纤激光器存在的掺杂光纤的均匀增益展宽效应；输出激光的波长及波长间隔可以通过改变输入的泵浦光的波长进行灵活调节。
文档编号H01S3/10GK101794956SQ20101012281
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者瞿刚, 陈玉萍, 陈险峰 申请人:上海交通大学