本文關(guān)鍵詞：單晶鈮酸鋰薄膜上質(zhì)子交換波導(dǎo)與光子器件的研究

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【摘要】：鈮酸鋰由于其優(yōu)良的電光、聲光、非線性光學(xué)、壓電性質(zhì)以及在可見光和近紅外波段良好的透過率,一直是集成光學(xué)里一種非常重要的光學(xué)材料。近年來,利用離子注入和鍵合技術(shù)制備出的絕緣體上的單晶鈮酸鋰薄膜(LNOI, lithium niobate on insulator)為現(xiàn)代集成光學(xué)提供了良好的平臺。由于其高折射率差和微米量級的薄膜厚度,光子器件的集成度和器件性能得到了大幅度的提高。光波導(dǎo)是集成光學(xué)中基本的結(jié)構(gòu)單元,光波導(dǎo)可以把光限制在微米量級的微小區(qū)域中使光以導(dǎo)模形式在其中傳播。很多復(fù)雜的光子器件,諸如Mach-Zehnder電光調(diào)制器、非線性波長轉(zhuǎn)換器、波分復(fù)用器等都是基于光波導(dǎo)制備的。質(zhì)子交換技術(shù)是一種在體材料鈮酸鋰上制備光波導(dǎo)器件的很重要的方法。質(zhì)子交換光波導(dǎo)損耗很低,制備工藝成熟簡單。鈮酸鋰是一種具有雙折射性質(zhì)的晶體材料,經(jīng)過質(zhì)子交換后,晶體的異常光折射率n。會升高,而晶體的尋常光折射率no會降低。因此對于ne,被質(zhì)子交換的區(qū)域會形成高折射率區(qū)域從而形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由于質(zhì)子交換通常會改變鈮酸鋰的晶格結(jié)構(gòu),電光系數(shù)、二階非線性系數(shù)會大幅度降低。一般通過退火或軟質(zhì)子交換法來恢復(fù)或保留原來的光學(xué)系數(shù)并降低波導(dǎo)的傳播損耗。根據(jù)不同的制備條件,例如質(zhì)子源的種類、交換和退火的溫度時(shí)間,質(zhì)子交換后的晶格通常可分為7種晶相：β1、β2、β3、β4、k1、k2和α相。其中α相具有和純鈮酸鋰最接近的晶格結(jié)構(gòu),光學(xué)系數(shù)得到了較好的保留。目前國際上已經(jīng)報(bào)道了通過刻蝕和沉積加載條型波導(dǎo)的方法在鈮酸鋰薄膜上形成的集成光子器件,但損耗較大。通過質(zhì)子交換技術(shù)降低單晶鈮酸鋰薄膜上集成光子器件的損耗、提高其性能是本論文的主要研究目的。本論文我們通過退火質(zhì)子交換和短時(shí)間質(zhì)子交換方法均制備出了低損耗的條形光波導(dǎo),并且電光系數(shù)得到了很好的保留,這對于基于LNOI的集成光學(xué)的發(fā)展具有重要意義。光子晶體是一種介電常數(shù)呈周期變化的人工材料。光在這種周期結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)在不同介質(zhì)的交界面上會發(fā)生相干散射,某些特定頻率和傳播方向的光會被禁止傳播形成光子帶隙。利用光子晶體的光子帶隙特性,人們可以在很小的尺寸下控制光的傳播。雖然三維光子晶體在空間三個(gè)方向上都可以制約光的傳播,但是加工制備比較困難,所以目前比較常用的方法是在具有平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的樣品上制備二維平板光子晶體從而在平面內(nèi)通過光子帶隙控制光的傳輸而在垂直平面的方向上利用全反射來約束光。本論文我們在LNOI上制備出了高消光比和寬帶隙的平板光子晶體結(jié)構(gòu)。本論文所用材料為絕緣體上的單晶鈮酸鋰薄膜LNOI。LNOI為三層結(jié)構(gòu),最下面是鈮酸鋰襯底,上面是一層厚度為2 μm左右的SiO2層,主要作用是和上面的鈮酸鋰薄膜形成高折射率差從而對光形成較強(qiáng)的限制作用。最上面是一層微米或亞微米量級的單晶鈮酸鋰薄膜,該薄膜是通過離子注入方法從另一個(gè)鈮酸鋰襯底上剝離下來并鍵合到SiO2上,所以利用該方法制備的鈮酸鋰薄膜比諸如濺射等方法制備的薄膜具有更完美的單晶晶格結(jié)構(gòu)。本文主要研究內(nèi)容包括兩部分：1.LNOI中質(zhì)子交換過程的研究以及光波導(dǎo)等集成光子器件的研究。2.基于LNOI的平板光子晶體結(jié)構(gòu)以及光子晶體諧振腔的研究。主要結(jié)果如下：1. LNOI上高折射率差質(zhì)子交換光波導(dǎo)的研究質(zhì)子交換是在鈮酸鋰上形成光波導(dǎo)的一種成熟的制備方法,我們嘗試了質(zhì)子交換在LNOI中形成波導(dǎo)的可行性。實(shí)驗(yàn)證明兩種工藝是互相兼容的。利用階梯狀的折射率分布模型,我們研究了波導(dǎo)模式分布隨波導(dǎo)尺寸的變化,模擬結(jié)果表明這種加載條型光波導(dǎo)無論質(zhì)子交換區(qū)域的寬度如何變化總會有0階模式存在,波導(dǎo)的模式大小最小可以達(dá)到0.6 μm2。為了得到高折射率差光波導(dǎo),我們選擇焦磷酸作為質(zhì)子源,并在200℃的溫度下質(zhì)子交換80分鐘,使得鈮酸鋰薄膜全部充分被質(zhì)子交換。利用棱鏡耦合儀測量出的折射率變化為0.149(633 nm波長下)。x射線表明質(zhì)子交換后有新的晶相產(chǎn)生。利用這個(gè)條件我們制備了不同寬度的條形光波導(dǎo)。波導(dǎo)基模的近場模式分布表明LNOI中質(zhì)子交換波導(dǎo)的模式大小比傳統(tǒng)鈦擴(kuò)散鈮酸鋰光波導(dǎo)小得多。波導(dǎo)傳輸損耗隨波導(dǎo)寬度增加而減小,最小的為11 dB/cm。2. LNOI上低損耗退火質(zhì)子交換光波導(dǎo)的研究為了得到低損耗波導(dǎo)我們嘗試了制備α相光波導(dǎo)的條件。利用退火質(zhì)子交換方法可以獲得α相光波導(dǎo),折射率分布為高斯分布。模擬結(jié)果表明模式大小最小可達(dá)到1.2μm2。高分辨x射線搖擺曲線測試結(jié)果表明,對于200℃15分鐘苯甲酸質(zhì)子交換的z切LNOI,如果退火不充分很難得到純的α相光波導(dǎo),如果強(qiáng)烈退火會嚴(yán)重破壞鈮酸鋰薄膜的晶格結(jié)構(gòu),導(dǎo)致波導(dǎo)損耗很高。降低質(zhì)子交換時(shí)間可以很好的保留鈮酸鋰薄膜的晶格結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中我們在200℃下質(zhì)子交換5分鐘并在350℃下退火3小時(shí)的條件下成功制備出低損耗的z切光波導(dǎo)。時(shí)域有限差分法(FDTD)模擬表明端面反射率會隨著波導(dǎo)條和波導(dǎo)端面的夾角變化。在不同寬度的波導(dǎo)中初始掩膜寬度為4 μm的光波導(dǎo)的模式尺寸最小,損耗為0.6 dB/cm。我們利用相同的辦法還制備了x切的LNOI質(zhì)子交換光波導(dǎo),制備條件為200℃5分鐘質(zhì)子交換并在350℃退火1.5小時(shí),波導(dǎo)損耗最小為1.3 dB/cm。3. LNOI上短時(shí)間質(zhì)子交換光波導(dǎo)的研究由于和體材料鈮酸鋰形成的波導(dǎo)類型不同,我們可以利用很短時(shí)間質(zhì)子交換在LNOI中形成光波導(dǎo)使模式盡量在未被交換的區(qū)域傳播從而減小損耗。模擬結(jié)果表明模式大小隨交換深度和寬度變化有一個(gè)最小值,質(zhì)子交換區(qū)域中光波能量隨交換深度和寬度的增加而增加,隨薄膜厚度的增加而減小。實(shí)驗(yàn)中利用苯甲酸作為質(zhì)子源,在200℃下質(zhì)子交換3分鐘制備出了損耗為0.2 dB/cm的光波導(dǎo)。增加交換時(shí)間會增加波導(dǎo)損耗。4. LNOI上Y分支器的研究利用很短時(shí)間質(zhì)子交換在LNOI中制備了Y分支器。彎曲半徑8000μm、波導(dǎo)寬度為3 μm的Y分支器在1.55 μm波長附近的透過率為85%～90%,并且在不同的輸入耦合條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定的分光比。5. LNOI上質(zhì)子交換相位調(diào)制器的研究質(zhì)子交換通常會大幅度降低鈮酸鋰的電光系數(shù)從而影響其在電光調(diào)制方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)上我們通過引入很薄一層質(zhì)子交換層來傳導(dǎo)光波使得大部分光的能量在質(zhì)子交換區(qū)域以外的地方傳播來避免其影響。通過模擬計(jì)算我們找到了制備質(zhì)子交換相位調(diào)制器的理想條件。實(shí)驗(yàn)中首先利用光刻制備出寬度為3μm的質(zhì)子交換波導(dǎo),在保留金屬鉻掩膜的情況下進(jìn)行第二次光刻,做出間距為10 μm的電極。比較加電壓前后Fabry-Perot (FP)共振曲線的移動(dòng)計(jì)算出該相位調(diào)制器的半波電壓長度乘積為6.5 V·cm,有效電光系數(shù)為29.5 pm/V。6. LNOI上平板光子晶體的研究利用平面波展開法研究了LNOI上光子晶體的能帶特性,并通過FDTD模擬了光子晶體的透射譜,二者的光子帶隙位置和范圍基本一致。實(shí)驗(yàn)中利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)在LNOI上制備出脊型波導(dǎo),并在波導(dǎo)上刻蝕出二維光子晶體圖形,空氣孔的周期和半徑分別為520 nm和130 nm。利用可調(diào)諧激光器和端面耦合法測量了光子晶體的透射譜,與FDTD模擬的結(jié)果基本符合,消光比超過了20 dB。7. LNOI單模光子線以及一維光子晶體諧振腔的研究LNOI上的脊型波導(dǎo)由于和周圍背景有很高的折射率差,對于光有很強(qiáng)的限制作用,可以用來制作小型化、集成度很高的集成光學(xué)器件和光路。單模波導(dǎo)在光波傳輸過程中不存在模式間色散,我們利用有限差分法研究了z切和x切LNOI脊型波導(dǎo)的導(dǎo)模特性,找到了單模條件,模擬結(jié)果表明,在一些特殊尺寸下存在不同模式間的耦合。在這條光子線上刻蝕出一排周期性排列空氣孔并除去中間的一個(gè)孔形成一維光子晶體諧振腔。通過FDTD模擬找到了該諧振腔作為光學(xué)濾波器的最佳條件。實(shí)驗(yàn)中利用聚焦離子束刻蝕出單模波導(dǎo)(光子線)和光子晶體結(jié)構(gòu),利用可調(diào)諧激光器和端面耦合法測量了光子晶體的透射譜,該諧振腔在1400 nm處出現(xiàn)了共振峰,透過率、Q因子和消光比分別為0.34、156和12.5 dB。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN25;O734

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本文編號：1285562