專利名稱：一種光波導及其制備方法和一種波長轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通訊領(lǐng)域，尤其涉及一種光波導及其制備方法和一種波長轉(zhuǎn) 換器。
背景技術(shù)：
在密集波分復用(DWDM, Dense Wavelength-Division Multiplexing ) 波長路由網(wǎng)絡(luò)中，全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)可以實現(xiàn)波長的再利用，降低網(wǎng)絡(luò)的 阻塞率，分散網(wǎng)絡(luò)的管理，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可靠性以及可擴充性。全 光波長轉(zhuǎn)換成為下一代高速大容量光通信網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)波長路由、信號再生 以及信號處理的關(guān)鍵基礎(chǔ)性功能，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。目前常用的 全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括交叉增益調(diào)制(XGM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、 非線性光學環(huán)形腔(NOLM)、激光器增益飽和效應(yīng)、四波混頻(FWM)、 二階非線性效應(yīng)等。在這些方案中，基于周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰(PPLN)光 波導二階非線性效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換技術(shù)以其獨到的優(yōu)勢，如飛秒(fs)量級
的非線性作用響應(yīng)速度、嚴格意義上的對信號光速率和調(diào)制形式完全透明， 獨特的多波長同時轉(zhuǎn)換能力、轉(zhuǎn)換過程噪聲指數(shù)極低等，近年來受到越來 越多國內(nèi)外研究者的重視。
目前為止，制備LiNb03 (鈮酸鋰)光波導的技術(shù)主要有Ti擴散法、 退火質(zhì)子交換法(APE)和液相外延薄膜法(LPE)，但是這三種制備工藝 對于實現(xiàn)抗光折變效應(yīng)、降低偏振相關(guān)性以及高轉(zhuǎn)換效率的PPLN光波導 來說都還存在著一些缺陷。對于Ti擴散法制備LiNb03光波導而言，盡管 能夠獲得低損耗的光波導，但由于弱的光場限制和可見光范圍內(nèi)的光致折 變效應(yīng)影響，其波長轉(zhuǎn)換效率較低。APE法制備的光波導與Ti擴散法相比 具有波導制作溫度低，形成波導速度快，抗光折變能力比Ti擴散波導至少 強四個量級等優(yōu)點，但是它也有一些缺點首先利用APE方法制備的LiNb03光波導，弱小的光折變效應(yīng)仍會引起準相位匹配條件的偏離，即使 采用Mg或Zn摻雜的LiNb03光波導，還是需要高的工作溫度來抑制光致 折變效應(yīng)的產(chǎn)生；其次，由于質(zhì)子在波導內(nèi)的移動，必須使用低溫工作的 摻雜的LiNb03晶體的襯底，當工作溫度升高時，讓質(zhì)子擴散到襯底中； 最后，退火質(zhì)子交換后的光波導其電光效應(yīng)和二階非線性效應(yīng)與大體積 LiNb03晶體相比降低很多，而且對于Z -切的LiNb03晶體而言，APE法 制備的光波導只是提高了異常光的折射率，而尋常光的折射率反而略有降 低，因此，APE法制備的Z-切光波導只能傳輸TM模式的光，即APE法 制備的光波導本身為偏振相關(guān)性的波導。LPE法制備的光波導，能夠同時 提高異常光和尋常光的折射率，即能夠同時存在TE模和TM模，但是它 也存在一些問題首先生長一塊制作波導層的厚度超過5um的薄膜非常困 難，而且由于生長速度和薄膜生長過程中的缺陷會導致生長出來的薄膜質(zhì) 量不好，其次厚度小于5um的薄膜制成的光波導與光纖耦和的效率低。
因此，用現(xiàn)有制備工藝制備的LiNb03光波導的轉(zhuǎn)換效率低、抗光折 變性較差、偏振敏感性以及泵浦帶寬太窄，導致LiNb03的全光波長轉(zhuǎn)換 器無法滿足光通信系統(tǒng)實際應(yīng)用。世界各地的研究者用各種辦法來解決這 些問題，如改善波導結(jié)構(gòu)、改善波導制作方法、加入摻雜增加等，但都未 得到令人十分滿意的實驗結(jié)果。
作為 一例子，現(xiàn)有技術(shù)使用5-mol% ZnO摻雜的LN作為波導層，5mol% MgO摻雜的LN作為襯底，采用直接鍵合工藝完成波導層與襯底的結(jié)合， 并做成波導層厚6.2um、寬10um、長50mm、極化周期為18um的波導結(jié) 構(gòu)。在此波導結(jié)構(gòu)中， 一方面利用Zn: LiNbOj艮好地抑制光致折變效應(yīng)， 一方面利用波導層與襯底的折射率差，實現(xiàn)對光波導內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘柕囊?制作用；另一方面此方法制得的波導結(jié)構(gòu)能同時傳輸TE和TM模，在此 基礎(chǔ)上可以解決偏振相關(guān)的問題。
在實施本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下問題 現(xiàn)有技術(shù)方案制備的LiNb03光波導泵浦響應(yīng)帶寬窄，僅為0.15nm,不能 夠?qū)崿F(xiàn)對泵浦光的可調(diào)諧；波導層與襯底的折射率相差較小，僅為0.0042，不能很好地抑制光信號在光波導中的傳輸；摻鋅鈮酸鋰晶體在高強激光照 射下，光通過的地方會變?yōu)榘底厣纬筛采w可見光區(qū)域的寬吸收帶，導 致晶體在倍頻效應(yīng)時對倍頻光吸收增強，極大降低了轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種光波導及其制備方法和一種波長轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn) 改善現(xiàn)有PPLN光波導性能上存在的不足，提供一種新穎的的PPLN光波導及其 制備工藝。
本發(fā)明實施例提供一種光波導，所述光波導的橫截面為"凸"字形；啁 啾周期極化的近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層在所述光波導的上層，通 過中間含Si成分的薄膜與下層襯底鍵合。
本發(fā)明實施例提供一種光波導的制備方法，包括
制備近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體作為波導層；
對所 述波導層進行啁啾周期極化處理；
在所述啁嗽周期極化后的波導層和襯底層鍍二氧化硅薄膜；
直接鍵合所述鍍膜后的波導層和村底層制成光波導。
本發(fā)明實施例提供一種波長轉(zhuǎn)換器，包括泵浦光源、信號光源、耦合 器以及光波導；
其中，所述光波導的橫截面為"凸"字形；啁啾周期極化的近化學計量 比摻雜鈮酸鋰晶體波導層在所述光波導的上層，通過中間的薄膜與下層襯底 鍵合。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例至少具有以下優(yōu)點 本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了村底與波導層的折射率差，抑制了光信 號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁啾周期極化的光柵結(jié)構(gòu)拓寬 了泵浦帶寬；通過采用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，降低高強激光 照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明實施例提供的光波導的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實施例提供的光波導制備方法的流程示意圖3為本發(fā)明實施例提供的光波導制備方法的再一流程示意圖4為本發(fā)明實施例提供的光波導制備方法的再一流程示意圖5為本發(fā)明實施例提供的光波導制備方法的再一流程示意圖6為本發(fā)明實施例提供的光波導制備方法的再一流程示意圖7為本發(fā)明實施例提供的波長轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行介紹。
本發(fā)明實施例提供一種光波導，如圖1所示，該光波導包括一啁啾周期 極化的近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層110， 一含Si成分的薄膜120以 及一襯底130;光波導的橫截面為"凸"字形；近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體 波導層IIO在光波導的上層，通過中間的薄膜120與下層襯底130鍵合。
近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層110的晶體極性周期化改變，且極 化周期線性增大，形成啁畔大周期光柵結(jié)構(gòu)111;該波導層110的截面呈長方形 或正方形。薄膜120的材料至少包括Si、 Si02。
近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層IIO利用氣相輸運平衡法制備，晶 體中[Li]/[Nb]含量比近似為1: 1,通過少量摻雜提高晶體性能在高強激 光照射下的光致吸收作用減弱，電光系數(shù)和非線性系數(shù)比同成分晶體提高 30%左右，提高了高強激光的利用率，從而提高了轉(zhuǎn)換效率；抗光折變性 能比同成分鈮酸鋰晶體高四個數(shù)量級；疇極化反轉(zhuǎn)電壓下降，同成分鈮酸 鋰晶體的疇反轉(zhuǎn)電場為21kv/mm,而1.5%MgO近化學計量比鈮酸鋰的疇 反轉(zhuǎn)電場為3.5kv/mm,更容易實現(xiàn)較厚樣品的極化反轉(zhuǎn)。
通過在波導層和襯底層上各鍍上一層薄膜120，例如Si02薄膜或者Si 薄膜，直接鍵合得到薄膜120。該薄膜120提高了襯底與波導層的折射率差， 未鍍膜時波導層與襯底的折射率差僅為0.0042，從而將光更好的限制在波 導層中進行傳輸，提高了光的利用效率，從而提高了轉(zhuǎn)換效率。襯底130可以選擇多種材料，例如鈮酸鋰晶體、摻4美鈮酸鋰晶體、鉭 酸鋰等。
光波導的"凸"字形結(jié)構(gòu)利用鉆石輪劃片精加工得到。"凸"字形結(jié)構(gòu) 能夠同時傳輸TE、TM模式，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)偏振無關(guān)的波長轉(zhuǎn)換器。 加工中使用超精度金剛刀，因此加工后的波導表面平坦光滑，加工過程無 需化學刻蝕和打磨。
本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了襯底與波導層的折射率差，抑制了光信 號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁嗽周期招j匕的光柵結(jié)構(gòu)拓寬 了泵浦帶寬；通過采用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，降低高強激光 照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明實施例提供一種光波導的制備方法，如圖2所示，包括以下步驟 步驟s201，制備近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體作為波導層； 步驟s202,對波導層進行啁啾周期極化處理； 步驟s203 ，在啁畔火周期極化后的波導層和襯底層鍍膜； 步驟s204，直接鍵合鍍膜后的波導層和襯底層制成光波導。 本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了襯底與波導層的折射率差，抑制了光信 號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁啾周期極化的光柵結(jié)構(gòu)拓寬 了泵浦帶寬；通過采用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，P爭低高強激光 照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明實施例提供一種光波導的制備方法，如圖3所示，該光波導為PPLN 光波導。其中，波導層為近化學計量比的摻雜鈮酸鋰晶體，以Zn: SLN為例； 襯底為另一摻雜鈮酸鋰晶體，以Mg: CLN為例；波導層和襯底層的一面分別 鍍一層薄膜，以二氧化硅(Si02)薄膜為例。
首先利用氣相輸運平衡法分別制備近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體作為波 導層，利用Czochralski提拉法制備另一摻雜鈮酸鋰晶體襯底層，然后在室溫 下使用外加電場極化法對波導層進行啁嗽周期極化，以實現(xiàn)晶體極化疇的周期性反轉(zhuǎn)和啁啾匹配柵的制備；之后用等離子體化學氣相沉積法在波導層和 襯底層上鍍一層折射率介于波導層和襯底層之間的薄膜，最后將鍍膜的波導
層面與襯底層面直接鍵合，碾磨，用鉆石輪劃機精加工成波導結(jié)構(gòu)。 具體制備工藝流程包括
步驟s301，制備近化學計量比的Zn: SLN晶體。
分別稱取計量組成金屬元素的Li2C03、 Nb205及ZnO，并使Li2C03和 Nb205的配料比為50: 46， ZnO含量為2mol % ，在混料機上充分混合24小時， 在800 950。C恒溫2個小時，使Li2C03充分分解，在1100。C鍛燒2個小時成 鈮酸鋰粉料，將粉料壓實，放入白金坩鍋內(nèi)，用中頻爐加熱，用Czochralski 提拉法按拉脖、放肩、等徑、收尾等過程生長摻鋅鈮酸鋰晶體，拉速0.01 -5mm,轉(zhuǎn)速15-30rpm，氣液溫差20。C,熔體內(nèi)溫度梯度1.5°C/mm，熔體上 方溫度梯度為l°C/mm，生長后的晶體在120(TC單疇化，退火，經(jīng)定向，切割， 拋磨等工序得到近化學計量比摻鋅鈮酸鋰晶體。將近化學計量比摻鋅鈮酸鋰 晶體沿Z向切割成厚度為1 3mm的晶片，然后再對晶片拋磨。稱取計量組 成的Li2C03， Nb205,在150。C下恒溫2小時后將粉料烘干，然后在粉料機上 充分混合24小時，將粉料壓實后，放置在白金坩鍋內(nèi)，在105(TC鍛燒2小時 成富鋰鈮酸鋰源坩鍋，將開始制成的近化學計量比摻鋅鈮酸鋰晶體分別垂直 懸掛在源坩鍋上方，用白金蓋將坩鍋密閉，放入到中頻爐加熱進行氣相平衡 擴散運輸，升溫梯度為10°C/min,在1100。C恒溫120 ~360小時，然后自然 冷卻到室溫，對氣相平衡擴散輸運后的晶片進行拋磨光學加工，即可得到近 化學計量比摻鋅鈮酸鋰晶體，本實施例中采用直徑3英寸、500um厚的近化 學計量比摻鋅鈮酸鋰晶體。
步驟s302,制備Mg: CLN晶體。
分別稱取計量組成金屬元素的Li2C03、Nb205及MgO,使Li2C03和Nb205 的配料比為47.2: 52.8, MgO含量為5mor/。，在150。C下恒溫2小時將粉料 烘干，然后在混料機上充分混合24小時，在850。C下恒溫2小時，使其充分 分解，在1100。C鍛燒2個小時成鈮酸鋰粉料，將粉料壓實，-改入白金坩鍋內(nèi)， 用中頻爐加熱，用Czochralski提拉法按拉脖、放肩、等徑、收尾等過程生長#^美鈮酸鋰晶體，4i速0.01 5mm，轉(zhuǎn)速15 30rpm,氣液溫差15-25。C， 熔體內(nèi)溫度梯度1.5°C/mm，熔體上方溫度梯度為rC/mm,生長后的晶體在 1200。C單疇化，退火，經(jīng)定向，切割，拋磨等工序得到摻4美鈮酸鋰晶體，本 實施例中采用的摻鎂鈮酸鋰晶體尺寸為直徑3英寸、厚500um。 步驟s303,預處理Zn: SLN晶體。
線性啁啾光柵中間位置的周期，即平均周期，是用近化學計量比摻鋅鈮 酸鋰不同波長折射率代入公式八。=1 /( /、 -", /& - /4)中得到。其中假設(shè)泵 浦光波長/lp = 775nm，信號光波長A, = 1545nm,而近化學計量比的摻鋅鈮酸 鋰晶體的折射率分別為"p-2.2632， "，=2.2132， "； =2.2133，從而得到平均 周期為15.52um,再根據(jù)A^八。(l+c,小選取合適的線性啁啾系數(shù)，設(shè)計啁啾 周期極化光^^結(jié)構(gòu)。
根據(jù)預先設(shè)計的光柵結(jié)構(gòu)對Zn: SLN晶體加電極，具體包括對Zn: SLN晶體土Z面進行光學拋磨，然后進行光刻，在+Z面表面涂覆一層厚1.2um 左右的光刻膠，根椐掩膜版結(jié)構(gòu)經(jīng)前烘，曝光，顯影，堅膜后，用氫氟酸緩沖 劑，將無光刻膠膜覆蓋的氧化層腐蝕掉，而把有光刻膠覆蓋的氧化層保存下 來，這樣便在基片表面得到了所需要的線性啁啾光柵圖形；#>據(jù)得到的線性 啁啾光柵圖形，在晶體+ Z面光刻膠上濺射一層厚度為250nm的周期金屬Al 電極線條，并在晶體的-Z面濺射均勻Al膜電極。
步驟s304,電場極化Zn: SLN晶體得到啁啾周期極化的波導層。
室溫電場極化過程，將晶體的士Z面與NaCl液體電極相連，接到高壓脈 沖極化電源，其中高壓極化電場脈沖電壓為三次觸發(fā)，首先施加于遠大于晶 體矯頑場(2.5KV/mm)的瞬時電壓8KV/mm，接著使用略超過晶體矯頑場的 外加電場3KV/mm,脈沖寬度為ms量級，實現(xiàn)疇的反轉(zhuǎn)，最后施加略低于 晶體矯頑場的穩(wěn)定電場2KV/mm，脈寬30ms,將極化階段產(chǎn)生的電疇結(jié)構(gòu)凍 結(jié)，形成穩(wěn)定的電疇結(jié)構(gòu)。最后關(guān)掉電源，完成周期極化過^i。
將極化后的晶片浸入到丙酮溶液中去掉光刻膠，再浸入NaOH溶液中去 鋁電極，最后，經(jīng)溫度為IO(TC的HN03和HF (2: l)的混合液腐蝕清洗， 得到啁啾周期極化的近化學計量比的摻鋅鈮酸鋰晶體。步驟s305，利用等離子體化學氣相沉積法在波導層和襯底層鍍二氧化硅 薄膜。
用等離子體化學氣相沉積法(PCVD)在啁啾周期極化的近化學計量比摻 鋅鈮酸鋰波導層的一面和摻鎂鈮酸鋰晶體襯底層的一面各鍍一層厚度為 0.25um厚的二氧化硅薄膜。
步驟s306，直接鍵合鍍膜后的波導層和襯底層；
將啁啾周期極化的近化學計量比的摻鋅鈮酸鋰晶體和摻鎂鈮酸鋰晶體分 別作為波導層和襯底，先將其經(jīng)過適當?shù)谋砻媲逑?，在將其在親水溶液 (NH40H-H202-H20 (1: 1: 6))中浸泡10分鐘使其表面都吸附了足夠多的 OH—根離子，再用等離子水清洗。室溫下將波導層鍍Si02膜的面與襯底鍍Si02 膜的面貼合在一起，使兩晶體在室溫下依靠短程分子間作用力吸合在一起， 將貼和好的鈮酸鋰晶體在02或N2環(huán)境下進行1個小時的50(TC的高溫處理， 使其完全鍵合為一個整體。
步驟s307,研磨拋光波導層；
對上述鍵合后的波導層進行碾磨拋光，使波導層的厚度為8um。 步驟s308，切割研磨拋光后的波導層和襯底層成光波導； 利用鉆石輪劃片切割上述鍵合、研磨后的整體成波導結(jié)構(gòu)，此處切割深
度為80um，從而得到寬度為8um厚度為6um的波導結(jié)構(gòu)。
本實施例中制備的光波導的厚度可以隨實際使用情況的不同發(fā)生變化。 本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了襯底與波導層的折射率差，抑制了光信
號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁啾周期極化的光柵結(jié)構(gòu)拓寬
了泵浦帶寬；通過釆用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，降低高強激光
照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的實施例還提供一種光波導的制備方法，如圖4所示，波導層為 近化學計量比的摻雜鈮酸鋰晶體，以Zn: SLN為例；襯底為另一摻雜鈮酸鋰 晶體，以Mg: CLN為例；波導層和襯底層的一面分別鍍一層薄膜，以二氧化 硅(Si02)薄膜為例。首先分別制備波導層和襯底層，然后在波導層和襯底層鍍二氧化硅薄膜, 最后利用直接鍵合工藝制備波導結(jié)構(gòu)。
具體包括以下步驟
步驟s410,制備鍍膜的波導層和襯底層；
利用上述實施例中步驟s201 、 s203及s204的方法制備^f尋到近化學計量比的 Zn: SLN晶體。
利用上述實施例中步驟s202的方法制備得到Mg: CLN晶體。
用等離子體化學氣相沉積法(PCVD)在近化學計量比的Zn: SLN晶體 的一面和Mg: CLN晶體的一面各鍍一層厚度為0.25um厚的二氧化硅薄膜。
波導層、襯底層的制備以及為波導層、襯底層鍍膜并無嚴格的前后順序， 能夠得到鍍膜的波導層和襯底層即可。
步驟s420,利用直接鍵合工藝制備波導結(jié)構(gòu)；
將啁啾周期極化的近化學計量比的摻鋅鈮酸鋰晶體和摻4美鈮酸鋰晶體分 別作為波導層和襯底，先將其經(jīng)過適當?shù)谋砻媲逑矗趯⑵湓谟H水溶液 (NH4OH-H202-H20 (1: 1: 6))中浸泡10分鐘使其表面都吸附了足夠多的 0H_根離子，再用等離子水清洗。室溫下將波導層鍍Si02膜的面與襯底鍍Si02 膜的面貼合在一起，使兩晶體在室溫下依靠短程分子間作用力吸合在一起， 將貼和好的鈮酸鋰晶體在02或N2環(huán)境下進行1個小時的500。C的高溫處理， 使其完全鍵合為一個整體。再對波導層進行碾磨拋光，使波導層的厚度為8um， 最后利用鉆石輪劃片切割成波導結(jié)構(gòu)，此處切割深度為80um，從而得到寬度 為8um厚度為6um的波導結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了襯底與波導層的折射率差，抑制了光信 號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁啾周期極化的光柵結(jié)構(gòu)拓寬 了泵浦帶寬；通過采用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，降低高強激光 照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明實施例還提供一種光波導的制備方法，如圖5所示，該光波導為 PPLN光波導。其中，波導層為近化學計量比的滲溪鈮酸鋰晶體(Mg: SLN)，襯底為鈮酸鋰晶體(CLN)，波導層和襯底層的一面上分別鍍一層薄膜，以 二氧化硅(Si02)薄膜為例。具體工藝步驟如下
步驟s501，制備近化學計量比的摻鎂鈮酸鋰晶體(Mg: SLN)。 分別稱取計量組成金屬元素的Li2C03,Nb20s及MgO，并使Li2C03/Nb205 的配料比為50: 46， MgO含量為lmor/。，在混料機上充分混合24小時，在 800 950。C恒溫2個小時，使Li2C03充分分解，在1100。C鍛燒2個小時成鈮 酸鋰粉料，將粉料壓實，放入白金坩鍋內(nèi)，用中頻爐加熱，用Czochralski提 拉法按拉脖，放肩，等徑，收尾等過程生長摻鋅鈮酸鋰晶體，拉速0.01 ~ 5mm, 轉(zhuǎn)速15 ~30rpm，氣液溫差20°C,熔體內(nèi)溫度梯度1.5。C/mm，熔體上方溫度梯 度為rC/mm，生長后的晶體在1200。C單疇化，退火，經(jīng)定向，切割，拋磨等 工序得到近化學計量比摻鎂鈮酸鋰晶體。將近化學計量比摻鎂鈮酸鋰晶體分 別沿Z向切割成厚度為1 3mm的晶片，然后再對晶片拋磨。稱取計量組成 的Li2C03， Nb205，在150。C下恒溫2小時后將粉料烘干，然后在粉料機上充 分混合24小時，將粉料壓實后，放置在白金坩鍋內(nèi)，在1050。C鍛燒2小時成 富鋰鈮酸鋰源坩鍋，將開始制成的晶體分別垂直懸掛在源坩鍋上方，用白金 蓋將坩鍋密閉，放入到中頻爐加熱進行氣相平衡擴散運輸，升溫梯度為 10°C/min，在1100。C恒溫120 ~360小時，然后自然冷卻到室溫，對氣相平 衡擴散輸運后的晶片進行拋磨光學加工，即可得到近化學計量比摻4美鈮酸鋰 晶體，本實施例中采用3英寸，500um厚的近化學計量比摻4^鈮酸鋰晶體。 步驟s502，制備鈮酸鋰晶體(LN )。
分別稱取計量組成金屬元素的Li2C03, >^205，使1^2(:03飾205的配料比 為47.2/52.8,在150。C下恒溫2小時將粉料烘干，然后在混并牛才幾上充分混合24 小時，在850。C下恒溫2小時，使其充分分解，在1100。C鍛燒2個小時成鈮 酸鋰粉料，將粉料壓實，放入白金坩鍋內(nèi)，用中頻爐加熱，用Czochralski提 拉法按拉脖，放肩，等徑，收尾等過程生長鈮酸鋰晶體，拉速0.01 ~5mm, 轉(zhuǎn)速15 ~ 30rpm,氣液溫差15 ~ 25°C,熔體內(nèi)溫度梯度1.5。C/mm，熔體上方溫 度梯度為rC/mm，生長后的晶體在1200。C單疇化，退火，經(jīng)定向，切割，拋 磨等工序得到鈮酸鋰晶體，本實施例中釆用3英寸，500um厚的鈮酸鋰晶體。步驟s503,預處理Mg: SLN晶體。
線性啁啾光柵中間位置的周期(平均周期)是用近化學計量比摻鎂鈮酸 鋰不同波長折射率帶入公式A。 =i/( /;ip-",/;i,-",/;y中得到。其中假設(shè)泵浦 光波長、=775nm,信號光波長人=1545nm，而近化學計量比的摻鎂鈮酸鋰 晶體的折射率分別為 =2.2622, ",=2.2123， ",=2.2124，從而得到平均周 期為15.55um，再根據(jù)A-A。(l + c力，選取合適的線性啁，秋系凄t，設(shè)計啁，湫周 期才及化光4冊結(jié)構(gòu)。
根據(jù)預先設(shè)計的光柵結(jié)構(gòu)對Mg: SLN晶體加電極，具體包括對Mg: SLN晶體土Z面進行光學拋磨，然后進行光刻，在+Z面表面涂覆一層厚1.2um 左右的光刻膠，根據(jù)掩膜版結(jié)構(gòu)進行經(jīng)前烘，曝光，顯影，堅膜后，用氫氟酸 緩沖劑，將無光刻膠膜覆蓋的氧化層腐蝕掉，而把有光刻膠覆蓋的氧化層保 存下來，這樣便在基片表面得到了所需要的線性啁啾光柵圖形；根據(jù)得到的 線性啁啾光柵圖形，在晶體+ Z面光刻膠上濺射一層厚度為250nm的周期金 屬A1電極線條，并在晶體的-Z面濺射均勻Al膜電極。
步驟s504，電場極化Mg: SLN晶體得到啁啾周期極化的波導層。
室溫電場極化過程，將晶體的土Z面與NaCl液體電極相連，接到高壓脈 沖極化電源，其中高壓極化電場脈沖電壓為三次觸發(fā)，首先施加于遠大于晶 體矯頑場(4.5KV/mm)的瞬時電壓8KV/mm,接著使用略超過晶體矯頑場的 外加電場5KV/mm,脈沖寬度為ms量級，實現(xiàn)疇的反轉(zhuǎn)，最后施加略低于 晶體矯頑場的穩(wěn)定電場4KV/mm，脈寬30ms，將極化階段產(chǎn)生的電疇結(jié)構(gòu)凍 結(jié)，形成穩(wěn)定的電疇結(jié)構(gòu)。最后關(guān)掉電源，完成周期極化過程。
將極化后的晶片浸入到丙酮溶液中去掉光刻膠，再浸入NaOH溶液中去 鋁電極，最后，經(jīng)溫度為100。C的HN03和HF (2: 1)的混合液腐蝕清洗， 得到啁啾周期極化的近化學計量比的#4美鈮酸鋰晶體。
步驟s505，利用等離子體化學氣相沉積法在波導層和襯底層鍍二氧化硅 薄膜。
用等離子體化學氣相沉積法(PCVD)在啁啾周期極化的近化學計量比摻 鎂鈮酸鋰波導層的一面和鈮酸鋰晶體襯底層的一面各鍍一層厚度為0.25um厚的二氧化硅薄膜。
步驟s506，直接4建合鍍膜后的波導層和襯底層；
將啁啾周期極化的近化學計量比的摻鎂鈮酸鋰晶體和鈮酸鋰晶體分別作 為波導層和襯底層，先將其經(jīng)過適當?shù)谋砻媲逑?，在將其在親水溶液 (NH40H-H202-H20 (1: 1: 6))中浸泡10分鐘使其表面都吸附了足夠多的 OH—根離子，再用等離子水清洗。室溫下將波導層鍍Si02膜的面與襯底鍍Si02 膜的面貼合在一起，使兩晶體在室溫下依靠短程分子間作用力吸合在 一起。 將貼合好的鈮酸鋰晶體在02或N2環(huán)境下進行1個小時的500。C的高溫處理， 使其完全鍵合為一個整體。
步驟s507，研磨拋光波導層；
對上述4定合后的波導層進行碾磨拋光，使波導層的厚度為8um。 步驟s508,切割研磨拋光后的波導層和襯底層成光波導； 利用鉆石輪劃片切割上述鍵合、研磨后的整體成波導結(jié)構(gòu)，此處切割深
度為80um，從而得到寬度為8um厚度為6um的波導結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了襯底與波導層的折射率差，抑制了光信
號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁啾周期極化的光柵結(jié)構(gòu)拓寬
了泵浦帶寬；通過采用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，降低高強激光
照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的實施例還提供一種光波導的制備方法，如圖6所示，波導層為 近化學計量比的摻鎂鈮酸鋰晶體(Mg: SLN),村底為鈮酸鋰晶體(CLN)， 波導層和襯底層的一面上分別鍍一層薄膜，以二氧化硅(Si02)薄膜為例。
首先分別制備波導層和襯底層，然后在波導層和襯底層鍍二氧化硅薄膜， 最后利用直接鍵合工藝制備波導結(jié)構(gòu)。
具體包括以下步驟
步驟s610,制備鍍膜的波導層和襯底層；
利用上述實施例中步驟s401 、 s403及s404的方法制備得到近化學計量比的 Mg: SLN晶體。利用上述實施例中步驟s402的方法制備得到CLN晶體。
用等離子體化學氣相沉積法(PCVD)在近化學計量比的Mg: SLN晶體 的一面和CLN晶體的一面各鍍一層厚度為0.25um厚的二氧化硅薄膜。
波導層、襯底層的制備以及為波導層、襯底層鍍膜并無嚴格的前后順序， 能夠得到鍍膜的波導層和襯底層即可。
步驟s620，利用直接鍵合工藝制備波導結(jié)構(gòu)；
將啁啾周期極化的近化學計量比的摻鎂鈮酸鋰晶體和鈮酸鋰晶體分別作 為波導層和襯底層，先將其經(jīng)過適當?shù)谋砻媲逑?，在將其在親水溶液 (NH40H-H202-H20 (1: 1: 6))中浸泡10分鐘使其表面都吸附了足夠多的 OH-根離子，再用等離子水清洗。室溫下將波導層鍍Si02膜的面與襯底鍍Si02 膜的面貼合在一起，使兩晶體在室溫下依靠短程分子間作用力吸合在一起。 將貼合好的鈮酸鋰晶體在02或N2環(huán)境下進行1個小時的500。C的高溫處理， 使其完全鍵合為一個整體。再對波導層進行碾磨拋光,使波導層的厚度為8um， 最后利用鉆石輪劃機切割成波導結(jié)構(gòu)，此處切割深度為80um，從而得到寬度 為8um厚度為6um的波導結(jié)構(gòu)。
上述實施例中的化學計量比僅為本發(fā)明實施例中較佳配比方案，并不 限定本發(fā)明的保護范圍，根據(jù)需要可以對上述計量比進行適當調(diào)整，以擴 大本發(fā)明的使用范圍。
本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了襯底與波導層的折射率差，抑制了光信 號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁啾周期極化的光柵結(jié)構(gòu)拓寬
了泵浦帶寬；通過采用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，降低高強激光
照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明實施例還提供一種波長轉(zhuǎn)換器，如圖7所示，包括泵浦光源710、 信號光源720、耦合器730以及光波導740，還可以包括窄帶可調(diào)諧濾波器750 及光譜分析儀760。
其中，光波導740的橫截面為"凸"字形；啁啾周期極化的近化學計量 比摻雜鈮酸鋰晶體波導層在光波導740的上層，通過中間的薄膜與下層襯底鍵合。
泵浦光源710發(fā)出泵浦光經(jīng)光纖傳輸?shù)秸瓗Э烧{(diào)諧濾波器750后與信號 光源720發(fā)出的信號光在耦合器730中耦合，再經(jīng)過光波導740中的差頻非 線性相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光，實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換光可以由光譜分析儀760 進行探測。
本發(fā)明實施例通過采用啁啾周期極化的近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體 作為光波導的波導層，采用鍍膜、以及橫截面為"凸"字形的光波導結(jié)構(gòu)提 高了波長轉(zhuǎn)換器對光信號的利用效率，提高了波長轉(zhuǎn)換效率。
總之，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的 保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改 進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種光波導，其特征在于，所述光波導的橫截面為“凸”字形；啁啾周期極化的近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層在所述光波導的上層，通過中間含Si成分的薄膜與下層襯底鍵合。
2、 如權(quán)利要求1所述的光波導，其特征在于，所述啁畔大周期線性增大。
3、 如權(quán)利要求1所述的光波導，其特征在于，所述近化學計量比摻雜鈮 酸鋰晶體波導層至少包括摻鋅鈮酸鋰晶體或摻鎂鈮酸鋰晶體，其中[Li]/[Nb] 含量比近似為1: 1，所述近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層的截面為長方 形或正方形。
4、 如權(quán)利要求1所述的光波導，其特征在于，所述含Si成分的薄膜至少 包括Si薄膜或Si02薄膜。
5、 如權(quán)利要求1所述的光波導，其特征在于，所述襯底至少包括含鈮酸 鋰成分的晶體。
6、 一種光波導的制備方法，其特征在于，包括 制備近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體作為波導層； 對所述波導層進行啁啾周期極化處理； 在所述啁嗽周期極化后的波導層和襯底層鍍膜； ^t合所述鍍膜后的波導層和襯底層制成光波導。
7、 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述對所述波導層進行啁嗽 周期極化處理之前還包括產(chǎn)生所述波導層的啁畔火周期極化光4冊結(jié)構(gòu)。
8、 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述在啁嗽周期極化后的波 導層和襯底層鍍膜之前還包括制備所述襯底層，所述村底層至少包括含鈮酸鋰成分的晶體。
9、 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述直接鍵合所述鍍膜后的波導層和襯底層制成波導結(jié)構(gòu)包括直接鍵合所述鍍膜后的波導層和襯底層； 研磨拋光所述鍵合后的波導層；切割所述研磨拋光后的波導層和襯底層成光波導。
10、 一種波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括泵浦光源、信號光源、耦合 器以及光波導；其中，所述光波導的橫截面為"凸"字形；啁啾周期極化的近化學計量 比摻雜鈮酸鋰晶體波導層在所述光波導的上層，通過中間的薄膜與下層襯底 鍵合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光波導及其制備方法和一種波長轉(zhuǎn)換器，所述光波導的橫截面為“凸”字形；啁啾周期極化的近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層在所述光波導的上層，通過中間含Si成分的薄膜與下層襯底鍵合。本發(fā)明實施例通過鍍膜提高了襯底與波導層的折射率差，抑制了光信號在光波導中的傳輸，提高了轉(zhuǎn)換效率；通過啁啾周期極化的光柵結(jié)構(gòu)拓寬了泵浦帶寬；通過采用近化學計量比摻雜鈮酸鋰晶體波導層，降低高強激光照射下的光致吸收作用，提高了轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號G02B6/10GK101661133SQ20081014686
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日
發(fā)明者周鈺杰, 孫軍強, 操時宜 申請人:華為技術(shù)有限公司;華中科技大學