【摘要】：隨著集成光學(xué)領(lǐng)域理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步,基于鈮酸鋰晶體及波導(dǎo)的集成光子器件在科研和工程上的應(yīng)用受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。鈮酸鋰(Lithiumniobate,LiNbO3,LN)是一種鐵電氧化物晶體,它在可見(jiàn)光到中紅外波段具有優(yōu)異的電光、聲光及非線性光學(xué)性能,是一種常用的集成光學(xué)光波導(dǎo)材料。鈮酸鋰可以通過(guò)電場(chǎng)極化在晶體中形成周期極化翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),避免相位匹配中不同偏振光的走離效應(yīng),提高非線性過(guò)程的轉(zhuǎn)換效率。周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與鈮酸鋰二維條形光波導(dǎo)結(jié)合可以制備出高轉(zhuǎn)換效率的非線性器件,在許多領(lǐng)域,如量子信息處理、激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等都具有應(yīng)用價(jià)值。本文主要研究碳離子注入周期性極化鈮酸鋰(Periodically Poled LiNbO3,PPLN)脊形波導(dǎo)的非線性產(chǎn)生及其性能。離子注入(Ion Implantation)可以在銀酸鋰晶體上制備出平面光波導(dǎo)。注入離子可以調(diào)制鈮酸鋰晶體注入?yún)^(qū)域的折射率,從而形成多種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)離子注入鈮酸鋰波導(dǎo)二階非線性的研究結(jié)果中,氧(O)離子注入鈮酸鋰條形波導(dǎo)在980nm波長(zhǎng)附近實(shí)現(xiàn)了二次諧波產(chǎn)生,但是具有很高的傳輸損耗,波導(dǎo)的歸一化系數(shù)為34.5%/(W.cm2)。由離子注入造成的樣品晶格損傷可通過(guò)后續(xù)的退火處理來(lái)降低,從而達(dá)到進(jìn)一步提高樣品非線性轉(zhuǎn)換效率的目的。脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)因?yàn)榱己玫南薰饽芰洼^小的模式體積而具備高的轉(zhuǎn)換效率。鈮酸鋰中制備脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要通過(guò)濕法刻蝕、干法刻蝕等方法實(shí)現(xiàn)。濕法腐蝕利用了鈮酸鋰在氫氟酸溶液中的各向異性腐蝕特性,通過(guò)掩膜遮擋實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)制備。干法刻蝕主要有離子束銑(Ion Beam Milling)、反應(yīng)離子蝕刻(Reactive Ion Beam Etching)以及聚焦離子束刻蝕(Focused Ion Beam Etching)等方法。最近十幾年的研究表明金剛石刀精密切割技術(shù)(Precise Blade Dicing)也可以在鈮酸鋰晶體表面制備出低損耗的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這也是本文所采用的方法。本論文研究高能碳離子注入和金剛石刀切割法在周期性極化鈮酸鋰晶體上形成脊形光波導(dǎo),通過(guò)光纖波導(dǎo)耦合研究鈮酸鋰波導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生效率和傳輸損耗,為鈮酸鋰集成光器件的發(fā)展提供新的研究思路。主要研究結(jié)果如下:1、15MeV碳離子注入的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)選用碳(C)離子作為注入離子,注入能量15MeV。利用金剛石切割法在摻鎂的鈮酸鋰晶體上制備出周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。搭建光纖波導(dǎo)耦合平臺(tái),系統(tǒng)研究了不同退火條件后波導(dǎo)的二次諧波波長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率以及波導(dǎo)的損耗。研究結(jié)果表明脊形波導(dǎo)在1600nm(基頻光)附近產(chǎn)生二次諧波,測(cè)量得到的脊形波導(dǎo)的最高轉(zhuǎn)換效率為77.9%/W/cm2,這個(gè)效率已經(jīng)可以與商用質(zhì)子交換鈮酸鋰器件相媲美。2、4/7.5MeV碳離子注入的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)選取4MeV和7.5MeV的C離子同時(shí)注入鈮酸鋰樣品內(nèi),再通過(guò)金剛石切割技術(shù)制備周期極化鈮酸鋰脊形波導(dǎo)。通過(guò)反射法測(cè)量了波導(dǎo)二階非線性系數(shù)(d33)在深度方向上的分布。測(cè)試結(jié)果表明波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)相位匹配的二次諧波產(chǎn)生最高轉(zhuǎn)換效率為30.4%/W/cm2,對(duì)應(yīng)波導(dǎo)寬度為6.9μm。
【圖文】：

１：：＿Ｗ逡逑１＾８．０邐１６＾．１邐１６２８＾邐１６２８．３逡逑ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）逡逑圖２．３通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)諧測(cè)量的脊形波導(dǎo)的ＦＰ干涉條紋逡逑損耗計(jì)算公式為：逡逑ａ邋＝邋＾（ｌｎｉｆ－ｌｎｉ？＇）邐（２．５．４）逡逑（ｎ邋＿ｉＹ逡逑Ｒ＝邋ｉ—邐（２．５．５）逡逑Ｒ．＝N（１－ｙ／ｌ－Ｋ２）邐（２．５．６）逡逑Ｋ逡逑Ｚ＝／ｍａｘ￣／ｍｉｎ邐（２．５．７）逡逑＾ｍａｘ＋＾ｍｉｎ逡逑其中，ｃｔ為光波導(dǎo)傳輸時(shí)的波導(dǎo)表示，單位是ｄＢ／ｃｍ。Ｚ：為光波導(dǎo)的總長(zhǎng)度，逡逑單位是ｃｍ。Ｊ？為波導(dǎo)端面的反射率。／胃和分別對(duì)應(yīng)Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ振蕩曲線上逡逑的出射光強(qiáng)的最大值和最小值。逡逑２３逡逑

（ａ）邐（ｂ）逡逑圖２．４鈦擴(kuò)散、質(zhì)子交換及離子注入形成條形波導(dǎo)示意圖逡逑脊形波導(dǎo)雖然也是二維波導(dǎo)，但是它在其中的一個(gè)橫向尺度上的波導(dǎo)界面為逡逑波導(dǎo)／空氣（脊形波導(dǎo)側(cè)壁，ｓｉｄｅｗａｌｌ），這界面的折射率差為２．２／１，所以能夠在這逡逑個(gè)方向上對(duì)波導(dǎo)模式產(chǎn)生較好的限制作用，，波導(dǎo)模式的截面積較小。雖然界面的逡逑大折射率差會(huì)導(dǎo)致額外的散射損耗，但是較小的模式截面積對(duì)于非線性波導(dǎo)來(lái)說(shuō)逡逑至為重要。只要尋找到有效降低波導(dǎo)／空氣界面的粗糙度的方法，脊形波導(dǎo)就能逡逑夠?qū)嵱没ｅ义嫌捎谥苽溻壦徜嚰晒饴返姆椒ㄅc半導(dǎo)體集成電路的方法類似，研究人員自逡逑然而言的借鑒硅等半導(dǎo)體材料的刻蝕方法制備鈮酸鋰脊形波導(dǎo)。己經(jīng)見(jiàn)諸文獻(xiàn)的逡逑２４逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN25

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本文編號(hào)：2691834