專(zhuān)利名稱(chēng)：一種周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)，具體涉及一種周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)(PPLN)中具有倍頻(SHG)、和頻(STO)、差頻(DTO)、級(jí)聯(lián)倍頻與差頻(cSHG/Dre)、級(jí)聯(lián)和頻與差頻(Csre/Dre)等二階和級(jí)聯(lián)二階非線(xiàn)性效應(yīng)，在全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、全光開(kāi)關(guān)、全光邏輯門(mén)、全光碼型轉(zhuǎn)換等方面都有巨大的應(yīng)用潛力，近幾年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前為止，周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的主要結(jié)構(gòu)有凸條形波導(dǎo)、掩埋形波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)、條載形波導(dǎo)，擴(kuò)散條形波導(dǎo)等，這些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用這些結(jié)構(gòu)制備的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)限制較弱，波導(dǎo)中的傳輸損耗比較大，對(duì)轉(zhuǎn)換效率的提高有很大的影響。同時(shí)采用這些結(jié)構(gòu)所制備出的光波導(dǎo)在進(jìn)行全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)光與抽運(yùn)光的模場(chǎng)不能很好地匹配，從而影響波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于全光信號(hào)處理的具有新穎結(jié)構(gòu)的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)，該周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)在波導(dǎo)層的上包層和下包層采用光子晶體結(jié)構(gòu)，將周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)與光子晶體結(jié)合，使得光波導(dǎo)損耗低、轉(zhuǎn)換效率高。本發(fā)明提供了一種周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)，包括襯底和位于襯底上的波導(dǎo)層，其特征在于，它還包括上光子晶體和下光子晶體，下光子晶體生長(zhǎng)于襯底與波導(dǎo)層之間，上光子晶體生長(zhǎng)于波導(dǎo)層上，所述上光子晶體和下光子晶體能夠使所述周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的基頻光波長(zhǎng)和倍頻光波長(zhǎng)均處在光子禁帶內(nèi)。進(jìn)一步的，所述的上光子晶體為一維、二維或三維光子晶體，所述的下光子晶體為一維、二維或三維光子晶體。本發(fā)明具有如下有益效果1、本發(fā)明采用光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)光波模場(chǎng)進(jìn)行限制，使得在進(jìn)行全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)光與抽運(yùn)光的模場(chǎng)能夠很好地匹配，提高了模場(chǎng)匹配因子，從而提高波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率。若是在波導(dǎo)層上下制備二維或三維光子晶體，對(duì)光場(chǎng)限制作用更強(qiáng)，效果更好，更有利于轉(zhuǎn)換效率的提高。該波導(dǎo)上分有利于PPLN中倍頻效應(yīng)的產(chǎn)生與傳輸，使其轉(zhuǎn)換效率提高，同時(shí)也能提高其它二階和級(jí)聯(lián)二階非線(xiàn)性效應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率。2、本發(fā)明將光子晶體應(yīng)用到PPLN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，可使得倍頻過(guò)程中基頻抽運(yùn)光和倍頻光剛好處在光子禁帶內(nèi)，光子禁帶可以阻止頻率落在其內(nèi)的光波從PPLN波導(dǎo)進(jìn)入其他介質(zhì)，導(dǎo)致波導(dǎo)對(duì)特定波長(zhǎng)的傳輸損耗減小?；l抽運(yùn)光在該P(yáng)PLN中傳輸時(shí)，由于倍頻效應(yīng)產(chǎn)生倍頻光，這兩束光在該波導(dǎo)中具有極小的傳輸損耗。3、本發(fā)明所述的光波導(dǎo)中波導(dǎo)層上下可以采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，那么波導(dǎo)中光場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)分布，與單模光纖更容易耦合，耦合效率更高，波導(dǎo)層上下的光子晶體具有很高的反射率，所以對(duì)波導(dǎo)中光場(chǎng)限制作用更強(qiáng)，光功率密度更高，非常有利于非線(xiàn)性效應(yīng)的產(chǎn)生。


圖1是本發(fā)明采用一維光子晶體的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明采用二維光子晶體的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中所設(shè)計(jì)的Si02/Ti&薄膜的透射譜圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的適用于全光信號(hào)處理的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)包括波導(dǎo)層1、 襯底2、上光子晶體3和下光子晶體4，襯底2上生長(zhǎng)下光子晶體4，將其與波導(dǎo)層1直接鍵合，波導(dǎo)層1上生長(zhǎng)上光子晶體3。其中上光子晶體3和下光子晶體4可以是相同的結(jié)構(gòu)， 也可以是不同的結(jié)構(gòu)，他們可以是一維光子晶體(如圖1所示)、二維光子晶體(如圖2所示，通過(guò)在波導(dǎo)層上下兩端打孔或其他方式制備)或者三維光子晶體。本發(fā)明需要對(duì)上光子晶體3和下光子晶體4的結(jié)構(gòu)(即高低折射率、周期層數(shù)、每層介質(zhì)膜的厚度)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的倍頻過(guò)程中基頻光和倍頻光波長(zhǎng)剛好處在光子禁帶內(nèi)。下面以上光子晶體3和下光子晶體4均為一維光子晶體，一維光子晶體為多層 Si02/Ti02薄膜(SiA的折射率為1. 46, TiO2的折射率為2. 3)為例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。一維光子晶體是由兩種或多種介質(zhì)在一個(gè)方向上周期排列構(gòu)成，在近可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)能達(dá)到幾十甚至幾百納米量級(jí)的帶隙寬度，其帶隙寬度由介質(zhì)的折射率決定，折射率差越大，則禁帶越明顯。上、下一維光子晶體的結(jié)構(gòu)可以采用傳輸矩陣法設(shè)計(jì)，即利用麥克斯韋方程組求解兩個(gè)緊鄰層面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，從而可以得到傳輸矩陣，然后將單層結(jié)論推廣到整個(gè)周期介質(zhì)空間，由此即可計(jì)算出整個(gè)多層介質(zhì)的透射系數(shù)和反射系數(shù)，透射系數(shù)隨入射波長(zhǎng)的變化圖即為透射譜圖，改變一維光子晶體的高低折射率、周期層數(shù)、每層介質(zhì)膜的厚度， 便可得到不同的透射譜，當(dāng)透射譜中透過(guò)率為0的區(qū)域(即光子禁帶)能夠與周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的基頻光波長(zhǎng)和倍頻光波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)時(shí)，記下此時(shí)的高低折射率、周期層數(shù)、 每層介質(zhì)膜的厚度，根據(jù)這些參數(shù)便可得到一維光子晶體的結(jié)構(gòu)。對(duì)于脊形波導(dǎo)寬度為8 μ m,高度為5 μ m的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備，首先選取摻鎂的鈮酸鋰晶體作為波導(dǎo)層，鉭酸鋰晶體作為襯底層；室溫下使用外加電場(chǎng)極化法對(duì)波導(dǎo)層進(jìn)行周期極化，實(shí)現(xiàn)周期疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的制備，再在襯底上采用溶膠-凝膠法制備多層Si02/Ti&薄膜(TiA膜和SiA膜交替周期排列)，將其與波導(dǎo)層直接鍵合，在對(duì)波導(dǎo)層進(jìn)行研磨拋光，使波導(dǎo)層的厚度減薄至5 μ m，之后對(duì)波導(dǎo)層同樣采用溶膠-凝膠法制備多層Si02/Ti&薄膜，再沉積一層NiCr合金的金屬薄膜作為掩模層，通過(guò)光刻法將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)層上，用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕的方法刻蝕出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最后用化學(xué)溶劑將光刻膠和金屬掩模層去除掉，即得到鈮酸鋰光波導(dǎo)。本發(fā)明所述的光波導(dǎo)，當(dāng)Si02/Ti02薄膜層數(shù)大于12層時(shí)，透射譜隨薄膜層數(shù)的變化不大，改變SW2和TW2薄膜每層膜的厚度，當(dāng)SW2薄膜每層膜厚為263nm，TiO2薄膜每層薄膜厚度為164nm，使其光子禁帶剛好處在1550nm和775nm波段，光子禁帶可以阻止頻率落在其內(nèi)的光波從PPLN波導(dǎo)進(jìn)入其他介質(zhì)，如圖3所示，透射譜圖中中心波長(zhǎng)Xci為1550nm， 該一維光子晶體對(duì)1550nm和775nm波段的光具有接近于1的反射率，當(dāng)1550nm的光在所設(shè)計(jì)的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鉀光波導(dǎo)傳輸時(shí)，由于倍頻效應(yīng)產(chǎn)生775nm的倍頻光，一維光子晶體對(duì)這兩束光具有很高的反射，同時(shí)對(duì)其模場(chǎng)進(jìn)行限制，這兩束光在該波導(dǎo)中具有極小的傳輸損耗，兩束光的模場(chǎng)能夠進(jìn)行很好地匹配，所以該光波導(dǎo)損耗低、轉(zhuǎn)換效率高。
本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的發(fā)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的發(fā)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)，包括襯底( 和位于襯底上的波導(dǎo)層(1)，其特征在于，它還包括上光子晶體(3)和下光子晶體G)，下光子晶體(4)生長(zhǎng)于襯底(2)與波導(dǎo)層(1)之間，上光子晶體(3)生長(zhǎng)于波導(dǎo)層(1)上，所述上光子晶體C3)和下光子晶體(4) 能夠使所述周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的基頻光波長(zhǎng)和倍頻光波長(zhǎng)均處在光子禁帶內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)，其特征在于，所述的上光子晶體(3)為一維、二維或三維光子晶體，所述的下光子晶體(4)為一維、二維或三維光子晶體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)，包括襯底、位于襯底上的波導(dǎo)層、上光子晶體和下光子晶體，下光子晶體生長(zhǎng)于襯底與波導(dǎo)層之間，上光子晶體生長(zhǎng)于波導(dǎo)層上，所述上光子晶體和下光子晶體能夠使周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)的基頻光波長(zhǎng)和倍頻光波長(zhǎng)均處在光子禁帶內(nèi)。所述的上光子晶體和下光子晶體為一維、二維或三維光子晶體。該周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)在波導(dǎo)層的上包層和下包層均制備了光子晶體，將周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰光波導(dǎo)與光子晶體結(jié)合，使得光波導(dǎo)損耗低、轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102169207SQ20111013904
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者馮力群, 周鈺杰, 孫軍強(qiáng) 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)