（光学专业论文）准相位匹配级联二阶非线性全光开关的研究.pdf

摘要 本课题由国家自然科学基金项目( 1 0 1 7 4 0 4 0 ) 、天津市重点自然科学基 金项目( 0 3 3 8 0 0 1 1 1 ) 和天津市国际合作项目资助。 光通信、光计算和全光信息处理技术的发展迫切要求光开关能突破 光一电光的繁琐变换，这决定了甩于全光溺中的全光光开关的研究将是 一个很重要的前沿研究课题。基于准相位匹配和频与差频级联二阶非线性 效应的全光开关具有全光透明特性，且开关速度快、噪声低、无啁啾、无 走离、所需控制光功率小并保持着互作用光波的强度和相位信息等优点， 将在网络发展中起到更为重要的作用。近年来，用周期极化铌酸锂( p p l n ) 实现的基于准相位匹配和频与差频级联二阶非线性基础上的全光歼关的研 制成为热点。 我们研制了种新型的光开关准相位匹配级联二阶非线性铌酸锂 全光开关。围绕这一课题，重点进行了一下几个方面的工作： 介绍了光开关的机理、应用、材料、分类；比较了各种传统光丌关的 性能参数：阐述了全光开关特别是级联二阶非线性全光开关的机理、应用 和国内外的研究状况。 进行了周期极化铌酸锂退火质子交换光波导的实验研制工作。 阐述了准相位匹配技术的原理和准相位匹配技术的优越性：论述了级 联二阶非线性理论和国内外对级联= 阶非线性理论的应用。 对准相位匹配级联二阶非线性全光开关的理论进行了分析在此基础 上，进行了全光开关的实验研究。初步的实验结果和理论计算的结果相差 较大，我们对实验中需要改进的地方进行了分析和讨论为进一步的实验 提供参考。 关键词光了1 ：关；全光开关； 级联二阶非线性( z 2 准相位匹配( q p m ) ： z 2 ) ；铌酸锂晶体( l i n b 0 3 ) a b s tr a c t t h i sw o r ki ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 1 0 1 7 4 0 4 0 ) ，t h ek e y n a t u r a is c i e n c ef o u n d a t i o no ft i a n j i n ( 0 3 3 8 0 0 1 1 1 ) a n dt h e i n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o n p r o j e c to f t i a n j i n ， t h eq u i c kd e v e l o p m e n to fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a l c a l c u l a t i o na n d a l l o p t i c a li n f o r m a t i o nt r a n s a c t i o nd e m a n d se m e r g e n t l yt h a to p t i c a ls w i t c h i n gb r e a k t h r o u g h t h et r i v i a lt r a n s f o r m a t i o nb e t w e e n l i g h ta n de l e c t r i c i t y , w h i c hd e t e r m i n e st h a t m er e s e a r c ho fa 1 1 o p t i c a ls w i t c h i n gu s e di nt h ea 1 1 o p t i c a ln e t w o r ki sb e c o m i n ga n i m p o r t a n tr e s e a r c h i n gs u b j e c t t h ea l l - o p t i c a ls w i t c h i n gb a s e do nc a s c a d i n go fs u m f r e q u e n c y g e n e r a t i o na n dd i f f e r e n t i a l f r e q u e n t i a l - g e n e r a t i o np r o c e s s e s ( z 2 ：z 2 ) u n d e r q u a s i - p h a s e m a t c h e dc o n d i t i o n si sc h a r a c t e r i z e db ya l l - o p t i c a lt r a n s p a r e n c y 、 h i g hs w i t c hs p e e d 、l o wa d d i t i v en o i s e 、 z e r oc h i r pa n dz e r os p a t i a lw a l k - o 托i n a d d i t i o n ，t h i sk i n do fa l l - o p t i c a ls w i t c h i n gr e q u i r e sl o ws w i t c h i n gp o w e r , a n dc a r l m a i n t a i nt h ep h a s es i g n a l so ft h ei n t e r a c t i n gl i g h t s 。a l lt h e s ed e t e r m i n et h a ti tw i l l m a t t e rm o r ei nt h ef l l r t h e r d e v e l o p m e n to fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n d o p t i c a ls w i t c h i n gs y s t e m s i nr e c e n ty e a r s ，s t u d i e so na l l - o p t i c a ls w i t c h i n gb a s e do n c a s c a d i n g o f s u m - f r e q u e n c y g e n e r a t i o n a n d d i f f e r e n t i a l - - f r e q u e n c y - - g e n e r a t i o n p r o c e s s e s u n d e r q u a s i - p h a s e - m a t c h e d c o n d i t i o n sr e a l i z e di n p e r i o d i c a l l yp o l e d l i t h i u mn i o b a t e ( p p l n ) h a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n w ei m p l e m e n t e dan e wt y p eo fo p t i c a l s w i t c h i n g - - a na l l o p t i c a ls w i t c h i n g b a s e do n c a s c a d i n g o f s h i n - f r e q u e n c y g e n e r a t i o n a n d d i f f e r e n t i a l - f r e q u e n c y g e n e r a t i o np r o c e s s e su n d e rq u a s i p h a s e m a t c h e dc o n d i t i o n sm a d ei np p l n s o m e i m p o r t a n t r e s e a r c hr e s u l t sw e r ea r r i v e di nt h et h e s i sa sf o l l o w s ： a f t e r s i m p l e i n t r o d u c t i o n st ot h e m e c h a n i s m 、a p p l i a n c e 、m a t e r i a l a n d c l a r i f i c a t i o no ft h eo p t i c a ls w i t c h i n g ，w ec o m p a r e dt h eq u a l i t yp a r a m e t e r so fv a r i o u s o fo p t i c a ls w i t c h i n g s t h e nw ee x p l i c a t e dt h em e c h a n i s m 、a p p l i a n c ea n dr e s e a r c h p r o g r e s so fa l l - o p t i c a ls w i t c h i n g ，e s p e c i a l l yt h o s eo f t h ea l l o p t i c a l s w i t c h i n gb a s e d o n c a s c a d i n g o fs e c o n d - o r d e rn o n l i n e a r i t i e s w ef a b r i c a t e dt h ea a n e a l e d p r o t o ne x c h a n g e d ( a p e ) w a v e g u i d e i na p e r i o d i c a u yp o l e d l i t h i u mn i o b a t e ( p p l n ) t h ep r i n c i p l e sa n dt h e a d v a n t a g e s o fq u a s i p h a s e m a t c h i n g t e c h n i q u e w e r e r e v i e w e d t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fc a s c a d i n go fs e c o n d o r d e r n o n l i n e a r i t i e sw a sd i s c u s s e d w ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h e a l l - o p t i c a ls w i t c h i n g b a s e do n c a s c a d i n g o f s e c o n d - o r d e rn o n l i n e a r i t i e su n d e rq u a s i - p h a s e - m a t c h e dc o n d i t i o n s o nt h eb a s eo f w h i c h ，a na l l - o p t i c a l s w i t c h i n g w a s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y a tl a s t ，w e d i s c u s s e dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dp u tu pw i t hs o m es u g g e s t i o n sf o rt h ef u r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ： o p t i c a ls w i t c h i n g ；a l l - o p t i c a ls w i t c h i n g ；q u a s i p h a s e m a t c h i n g ( q p m ) ；c a s c a d i n go fs e c o n do r d e rn o n l i n e a r ：l i t h i u m n i o b a t e ( l i n b 0 3 ) 第一章绪论 第一章绪论 人们对光开关和光开关阵列的研究已经有二三十年的历史。传输容量 的飞速发展给交换系统带来了很大的压力；i n t e m e t 数据业务的迅猛增长产 生了对光纤通信技术带宽资源的极大需求。基于波长路由概念而发展起来 的全光通信网正是适应这种需要而诞生的，它可以克服交换系统引入的“电 子瓶颈”问题，因此被认为是网络升级的优选方案。d w d m 技术能在一根 光纤上创造出1 6 0 根虚拟光纤，如n o r t e l n e t w o e k s 公司 1 已经研制出能在 每根光纤上传送6 4 t b s 和在每束光纤上传送1 p b s 的设备，这将使未来建 设一个p 比特水平的全光通信网成为可能。而这种全光网络的发展趋势也 就决定了全光型光器件必然是当今研究的热点。 为保证全光网业务的透明性，全光型光器件中，光开关的研究曰益成 为光通信领域关注的焦点。通信网络的发展为光开关的应用提供了新的要 求：即未来的全光通信网络需要全光开关，并且由全光开关构成的全光交 换机能完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。全光开关以 光的形式控制光，可以摆脱目前光通信网络中光一电一光的繁琐变换，实 现宽带、高速、大容量的交换，满足全光通信网络的要求，并在网络通讯 中起到关键作用 2 、3 】。 近年来，各种机理的全光开关的研究引起人们广泛的关注和研究热情， 各种新材料也相继地被研制并被应用于全光开关的制作 4 11 。尤其是铌 酸锂晶体( l i n b 0 3 ) ，它具有很大的二阶非线性系数d 其铁电畴在外加 电场下可以进行极化反转，通过人为地设计极化反转光栅的周期可以实现 准相位匹配，因此对铌酸锂晶体的研究迅速发展。其加工工艺日趋成熟， 外加电场周期极化铌酸锂方法也迅速发展起来1 2 - 15 。 人们通过理论分析 1 6 1 已经证明二阶非线性的级联效应可以产生比三 阶非线性效应更大的非线性相移，因此二阶非线性的级联效应很快被应用 于各种非线性过程，其中很重要的应用就是用级联二阶非线性效应实现波 长变换和用级联二阶非线性效应实现全光开关。基于准相位匹配和频与差 第一章绪论 频级联二阶非线性效应的全光开关具有全光透明特性，且开关速度快( f s 量级) 【1 7 、1 8 、噪声低、无啁啾、所需控制光功率小并保持着互作用光波 的强度和相位信息等优点，将在网络发展中起到更为重要的作用 1 9 - 2 1 。 近年来，用周期极化铌酸锂( p p l n ) 实现的基于准相位匹配和频与差频级 联二阶非线性基础上的全光开关的研制成为热点。 第一节光开关 随着d w d m ( 密集波分复用) 系统的成熟及其被大量地投入使用， d w d m 光网络正在成为现代通信网络的主要发展方向。而作为网络核心的 开关元件，其性能的好坏成为决定网络性能的关键。不论是网络的构造， 还是网络故障下的恢复，都需要光开关的控制。当今信息领域正在经历一 场由电子时代向光子时代演进的革命，光开关技术是这场革命中的首要技 术也是实现全光网络的核心技术。随着信息量需求的不断增加，当系统速 度达到g b s 以上时，电交换成为高速信息光传输的“瓶颈”，采用光交换 技术将是必然途径。此外，当电子线路达到最小极限时，计算机速度就成 为一个难题，而且，互联网容量的迅速增长要求比电子线路更快的速度和 更宽的带宽。而光予交换技术作为种新的网络技术，与未来的多媒体网 络通信技术、h d t v 技术以及b i s d n 技术紧密地联系在一起。它将摆脱 目前光通信网络中光一电一光的繁琐变换，并以其宽待、高速、大容量的 特点取代电交换，在网络通讯中起到关键作用，尤其在数据包交换及a t m 技术，以及在多媒体的多种传输速率的信息交换中，光子交换将是至关重 要的。而在光子交换中，光开关是必需的。 一、光开关的应用分析 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保 护等功能，它不仅构成了波分复用光网络中关键设备，如o a d m o x c 的 交换核心，本身也是光网络中的关键器件，其应用范围主要有： i 、光开关构成最基本的全光交换机结构。 2 、光开关可以实现网络监视功能。使用简单的l n 光开关可以将多纤联 第一章绪论 系起来，当需要监视网络时，只需要在远端监测点将多纤经光开关连接到 网络监视仪器上( 如o t d r ) ，通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。 3 、光开关可以实现光器件的测试。将多个待测光器件通过光纤连接，通过 1 n 光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来监测器件。 4 、光开关在现有的d w d m ( 密集波分复用) 传送网中已经得到了广泛应 用，用1x n 光开关实现网络监控，在远端光纤测试点通过1 n 光开关把 多根光纤接到一个光时域反射仪上，通过光开关倒换实现对所有光纤的检 测，也可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析。 5 、光开关将在未来全光网络中发挥主要作用，它是全光网络核心交换单元 如o x c ( 光路交换) 、o a d m ( 分插复用设备，) 、光分组路由器的最基本 的组件。 光开关构建o x c 设备的交换核心，o x c 主要运用于骨干网，对不 同子网的业务进行汇聚和交换。光开关的使用使o x c 具有动态配置交换业 务和支持保护倒换的功能，使o x c 能直接对光路进行调度，完成光路的倒 换、转接，而无需传统意义上的光电、电光转换，从而能解决电信号交换 中的瓶颈问题，并实现光网络的故障保护、动态的光路径管理、灵活地增 加新业务等，在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于o x c 主要用于 高速大容量密集波分复用光骨干网上，要求光开关具有透明性、高速、大 容量和多粒度交换的特点。 光开关构建o a d m 设备核一1 1 , ：o a d m 是光网络关键设备之一，通 常用于城域网和骨干网，实现o a d m 光信号上下路的具体方式很多，但大 多数情况下都应用了光开关，来实现对密集波分复用光网络中光信号的上 下路功能。光开关的使用，使o a d m 可以通过软件控制动态上下任意波长， 使o a d m 能动态配置业务，增强了o a d m 节点的灵活性和网络配置的灵 活性，同时，使得o a d m 节点能支持保护倒换，当网络出现故障时，节点 将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护和恢 复能力。 光开关在全光网络中实现自动保护倒换。光开关通常用于网络的故 障恢复，当光纤断裂或传输发生故障时，利用光开关实现信号迂回路由， 第一章绪论 就可以通过光开关改变业务的传输路径，从主路由切换到备用路由上，实 现对业务的保护。 二、制备光开关器件的材料 从器件材料角度上说，e l 前所用的材料包括铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、i i i v 族 化合物半导体材料、玻璃有机聚合物、硅基光波导等多种材料。l i n b 0 3 是 一种高速电一光材料，具备良好的电光效应，响应速度快，为n s 级，与 偏振无关，在用于损耗要求低、高速转换的系统时，与其它材料相比，处 于较有利地位。 三、光开关器件的工作原理 从广义的角度来看，它既包括最传统的机械工作方式，也包括当前高 速发展的微机械技术：既包括电光效应和载流子注入效应，也包括热光效 应和声光效应；既包括各种应用折射效应的各种工作方式，也包括利用光 门的广播型工作方式。 四、光开关的分类 目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地 提出，不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。 依据不同的光开关的工作原理，光开关可分为：机械光开关( 包括以 新型的微机械工艺为基础的微机械光开关) ，热光开关，电光开关和声光开 关。 依据光开关的交换介质( 或按照工作媒质) 来分，光开关可分为：自 由空间交换开关( 主要是利用各种透射镜、反射镜和折射镜的移动或旋转 来进行开关动作) 和波导交换光开关( 主要是利用波导的热光、电光或磁 光效应来改变波导的性质，从而实现开关动作) 。 一般来讲，自由空间光开关的损耗比波导器件的损耗更低，基于电一 光效应的光开关比基于机械的开关响应速度更快一些。 第一章绪论 表1 1 各种光开关列表 介质 光开关的机理 自由空间型 坡导型 机械型( 包括微机械)透镜、反射镜、棱镜 光纤、s i o ： 热光效应型 聚台物、s i 0 2 电光效应型液晶linbq、inl 第二节传统光开关 传统的商用光开关主要有两种类型，光电光开关和光机械光开关。 光电光开关由光电晶体材料( 如锂酸铌) 波导构成，两条波导通路连 接构成m a c h - - z e h n d e r 干涉结构，实现l 2 和2 2 光开关单元。外加电 压控制两臂的位相差，利用干涉效应实现光信号的通断。光电光开关速度 快，可达n s 级，但插入损耗大、极化依赖强、串音大、电信号漂移敏感且 驱动电压高、高制造成本和非闭锁模式限制了光电光开关在商业上的广泛 应用。 光机械开关目前应用最为广泛，通过热、静电等驱动光纤终端或用热 力、磁、静电效应旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。光机械 开关速度为m s 级，成本低，设计简单、光学性能好、低插入损耗、低串音、 高消光比、配置简单、环境参数不敏感、功耗低、与t t l 兼容、具有闭锁 功能。但部分复杂度和数量限制了大规模交换结构的实现。 新的光开关技术包括热光开关、液晶开关、声光开关、m e m s ( 微电子 机械光开关) 、p l c ( 平面光路光开关) 、气泡开关、全息光栅开关。 热光开关采用可调节热量的聚合物波导，在硅称底上，用蒸发、溅射、 光刻、腐蚀等工艺形成分之波导阵列，然后在每个分支上蒸发金属薄膜加 热器和电极，电极加上电流后，加热器的温度使下面的波导臂加热，温度 上升，热光效应引起波导折射率下降，这样就将光耦合从主波导引导至目 的分支波导。热光开关体积非常小，可实现微秒级的交换速度，但插入损 第一章绪论 耗高、串音大、消光比小、耗电量大、散热要求高、控制响应时间较长而 影响开关速度。 液晶光开关是根据施加外加电场控制液晶分子方向而实现开关功能。 典型的液晶器件将包括无源和有源部分。工作原理为：首先把输入光分为 两路偏振光，然后把光输入液晶内，液晶根据是否加电压来改变光的偏振 状态，最后光射到无源器件上，当施加电压时液晶分子平行于外加电场， 光被阻断，没有外加电压时，光可以透过，实现开关的两个状态。液晶光 开关技术结合了非机械技术的可靠性和机械技术的高性能，但损耗大、串 音高、驱动电路昂贵、热漂移量大、输入输出端数目有限。 声光开关，在光介质中加入横向射频声波，形成波长选择性布拉格光 栅，输入光波在沿内部有声波的波导传输时，其偏振在波长与声波布拉格 光栅匹配时将发生变化，从而利用偏振分束器可以实现波长选择，实现开 关功能。声光开关交换速度为微秒级。但由于需要复杂的系统通过改变频 率控制光开关，不利于阵列扩展，并且声光卡规损耗锁波长变化大，驱动 电路昂贵。 m e m s ( 微电子机械) 光开关是基于半导体微细加工技术成长起来的平 面制造工艺技术。利用小镜片的二维或三维空间运动，把光反射到不同的 路径上。这种开关体积小、具有很大的潜在应用价值。 p l c ( 平面光路光开关) 是利用硅基片上的微型光电子集成技术，将光 元件集成于波导之上，形成集成光路来控制和处理光信号。这种技术稳定 成熟，易实现低成本、高可靠性的大批量生产。 气泡光开关，在输入波导和输出波导交叉点产生气泡，当有入射光照 入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，将光从入射波 导中的光信号全反射至输出波导，实现光开关功能。气泡光开关对偏振相 关损耗和偏振模色散都不敏感，由于器件本身没有可活动部件，因此可靠 性很好，且可大批量生产。但若有机液体体积小不更新，会造成光开关寿 命下降。 全息光栅开关工作原理实际上就是依靠布拉格光栅实现对光的选择性 反射。优点是可以很容易地组成上千端口的光交换系统，且开关速度非常 第一章绪论 快、可靠性比较好、器件损耗较低，但功率损耗较大。 下面是几个主要传统光开关的性能参数列表： 表1 2 传统光开关的性能参数列表 典型参数值 光开关交换时介入损主要优点主要缺点主要应用 间耗 1 0 n s ( 4 m e m s ( 微 3 d b 交换时间较慢， 4 1交换容量 大容量骨干网、 电机械结介入损耗较大， 2 0 n s ( 1 6 大o x c 构)7 d b长期稳定 1 6 、 s i ：6 聚合物： 温度敏感、波长小型光开关， 热光开关集成性好 8 n s l d b c m敏感o a d m 45 d b ( 3 2 极化不敏o a d m 、保护 喷墨气泡 1 0 n s 可靠性差 3 2 ) 感恢复 高速，交 o x c ，可同 全息光开4 d b ( 2 4换容最 n s 波睦敏感3 d x e m s 竞争 2 4 )大，便于 适合波长交换 信号监控 液晶光开波长敏感，交换o a d m 保护恢 较慢较大 六速度，损耗夏 高速，低 液体光栅l o o ps t d 2 ，则相邻金属a l 栅格之间的畴会发生反转。 其二，当脉宽确定时，脉冲电压的幅值直接影响着畴反转光栅的周期 结构。当脉冲电压的幅值很大时会导致晶体发生电崩或整个晶体发生极化 反转而得不到周期性畴反转结构，当脉冲电压幅值太小时，又不能使晶体 发生极化反转。 总之，脉冲电压幅值、脉宽和脉冲列持续时间等是制备周期极化 l i n b 0 3 铁电畴反转光栅的关键参量。 接着将极化后的l i n b 0 3 晶体放入到n a o h 的水溶液中以去掉样品正、 负畴表面上的金属a l 电极，然后将其放在一份氢氟酸( h f ) 和两份硝酸 ( h n 0 3 ) 的混合液中，在沸点( 约1 0 0 0 c ) 进行约5 分钟的腐蚀，最后在 偏光光学显微镜下进行观测和拍照如图所示。将所制备的畴反转光栅沿着y 向( 厚度方向) 切割，经腐蚀后，可观察到畴极化反转光栅的贯穿情况， 如图2 7 、2 8 所示。从图2 8 中可以很清楚地看到畴反转极化贯穿整 个l i n b 0 3 晶片的厚度，且反转畴的界面与晶体表面垂直。 第二章铌酸锂退火质子交换光波导的研制 图2 7 周期为1 48u m 的图2 8x 向横截面结构 l i n b 0 3 晶体+ z 面p p l n 结构 第四节退火质子交换铌酸锂光波导的研究 由于光波导结构能够把光能量约束在截面积非常小的波导区域内，有 效地提高了光功率密度，利用周期性极化的铌酸锂光波导倍频，可以获得 很高的倍频效率；另外，利用半导体激光器作为基频光在铌酸锂光波导中 倍频的器件具有结构紧凑、稳定性高等优点，是实现高效、紧凑、全固化 的短波长激光器的有效途径，它在光盘读写、光学信息处理、激光打印、 激光医疗等方面都有着广泛的应用前景，因此受到极大的关注。 铌酸锂晶体因为具有较高的电光系数和非线性光学系数而成为光集成 的首选材料之一，被广泛应用于光调制器、光通讯和倍频器等波导器件。 1 9 8 2 年，j a e k e l 等人首次以苯甲酸为质子源【2 6 】用质子交换技术成功地制备 出了铌酸锂质子交换光波导，相比于传统的扩钛铌酸锂光波导制作技术， 质子交换铌酸锂光波导具有工艺简单、交换温度低、折射率增量大和可以 控制导模波的偏振( x 切铌酸锂只支持t e 模，z 切铌酸锂只支持t m 模) 等优点，而且，经过质子交换形成的光波导能大大提高光波导的抗光损 伤闽值、大大加强光的输入功率密度，因而这种波导器件的制备工艺吸引 了人们广泛的关注和重视。但是质子交换波导往往表现出较低的电光系数 及不稳定的折射率 2 7 】。而退火处理可以恢复l i n b 0 3 晶体的电光系数和折 射率的稳定性。 第二章铌酸锂退火质子交换光波导的研制 一、退火质子交换的机理 质子交换过程不单是一个离子扩散过程，实质上是离子的交换过程， 它比一般的扩散过程要复杂。质子交换过程除了有扩散过程之外，还有化 学反应过程，爨化学反应式为： l i n b 0 3 七x h l l t 卜x hx n b o ，+ x l f 由此反应式可以看出，质子交换铌酸锂光波导实质上是铌酸锂晶体中的三r 离子和质子源中的日+ 离子进行交换，其交换程度依赖于交换时间、温度和 交换离子的浓度【8 。 质子交换的具体过程可描述如下：当z 切锟酸锂晶体放入到质子源的 熔融液中时，h + 离子的自扩散系数小于l i + 离子的自扩散系数，酸和晶体 中离子浓度变化率很大，因此质子就可以进入到晶体表面。酸中的h + 离子 和铌酸锂晶面的0 2 一离子发生表面化学反应，加速了离子交换扩散的进程， 与此同时，由于上r 离子外扩散率较高相应的铌酸锂晶体中三r 离子浓度将 降低，当f + 离子浓度达到一个确定值时，日+ 离子的扩散流动将急剧增加， 从而促使h + 离子进入到铌酸锂晶体之中，使铌酸锂晶体中日+ 离子的浓度 增加。 质子交换光波导中，h + 离子的浓度分布为近阶跃型，波导交换层的厚 度依赖于扩散的时间和温度，其关系式为： d 。= 2 了硼 其中，d 乜) 是在温度为0 时的h + 离子的扩散系数。 运用不同的质子源，在相同的交换温度、交换时间和退火温度及退火 时间下，将得到不同的波导深度和折射率。焦磷酸的扩散率高于苯甲酸的 扩散率，用焦磷酸做质子源不仅可得到较高的光波导表面有效折射率而且 其稳定性和温度范围均好于苯甲酸，因此，在实验中，我们选用焦磷酸做 质子源。质子交换后的波导，在两周后才达到稳定。 第章铌陵锂退火质子交换光波导的研制 质子交换法制作波导虽然有其优越性，但波导的折射率分布不稳定、 波导损耗大，而退火处理能灵活地调节波导的折射率轮廓及折射率增量， 从而改善波导的耦合效率，并有效地降低了光波导的插入损耗。 二、退火质子交换条形光波导的制备 1 、质子交换 光刻，采用先进的l i f t - - o f f 工艺，该工艺不需要腐蚀，可防止腐蚀现 象的发生，从而可得到高质量的光刻图形。 镀膜，在超净环境下，在l i n b 0 3 晶体上均匀溅射一层a l 膜厚约】0 0 n m ， 然后用丙酮浸泡晶片，将需质子交换部分的a l 膜剥离，则晶片结构如图2 9 、2 1 0 所示。在有a 1 膜覆盖的地方，由于a l 膜的隔离，爿+ 离子与三f + 离子的交换速度下降，焉无a l 膜的地方，封+ 离子与f + 离子的交换速度 则大得多，因此，只要控制好条件，就可以使有a l 膜覆盖的地方的波导层 因质子交换的深度太浅而不能激起导模，没有a 1 膜覆盖的地方的波导层可 以激起导模。 吼度 d + - + 图2 9 质子交换示意图图2 1 0晶片表面示意图 、聃 扩散，将晶片洗净后放入试管中，然后将试管放入油中，缓慢加热， 使试管温度升到2 3 0 0 c ，并稳定一段时间，同时加热焦磷酸达到并稳定在 2 3 0 0 c 。最后将试管倒置，使晶片浸泡在焦磷酸溶液中，控制好交换时间， 取出品片。 端面抛光，抛光完毕将样品清洗干净。 2 、退火 退火实际上是进行第二次扩散，将表面上的质子向衬底深处扩散，即 日+ 离子进一步迁移进入晶体，与此同时工f + 离子朝与日+ 离子相反的方向 扩散，最后，日+ 离子的分布从阶跃式变为渐变式、增加了波导层的厚度， 蚕 兰三童堡竺塑里墨垦王茎堡垄鎏量堕竺型一 并恢复了l i n b 0 3 晶体的电光系数和折射率的稳定性。因此，退火在质子交 换l i n b 0 3 波导的制备过程中是非常重要的。 若假定把厚度为d 。的波导层当做一个有限厚度的扩散源 2 6 】，则由退 火而产生的波导厚度为d 。，其表达式为： d 。= 2 d 。f 。 其中，d 。为波导的退火扩散系数，f 。为波导的退火时间。 综上，质子交换后进一步进行退火处理后，铌酸锂光波导的总厚度为： d = d 。+ d 。= 2 以可习+ 2 扣i 制作退火质子交换光波导实验中的具体参数如表2 1 所示： 表2 一l 退火质子交换光波导制作参数 参数 数值 质子交换源 掩膜扳开口宽度m 交换温度o c 交换时间m i n 退火时间h 退火温度o c 焦磷酸 2 3 0 3 0 2 5 3 0 0 参考文献： 【1 】j a a r m s t r o n g ，b l o e m b e r g e n ，d u c u i n g i n t e r a c t i o n s b e t w e e nl i g h tw a v e si nan o n l i n e a r d i e l e c t r i c p h y s r e v 1 9 6 2 ，1 2 7 ：1 9 1 8 3 】孔羽飞、许祖彦。光学超晶格材料的发展及应用。光电子激光。1 9 9 8 ，9 ( 4 ) ： 3 4 7 3 5 l 2 6 第二章铌酸锂退火质子交换光波导的研制 ( 2 jn ，1 3 i o e m b e r g e na n d a js i e v e r s a p p p h y s l e t ( ，1 9 7 2 ，17 ：4 8 3 【4 】y a - l i nl u ，y a n q i n gl u ，c h e n g - c h e n gx u e e ta l ，g r o w t ho f n d 3 d o p e dl i n b 0 3o p t i c a l s u p e r l a t t i c ec r y s t a l sa n di t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si ns e l f - f r e q u e n c y d o u b l i n g a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 6 ，6 8 ：1 4 6 7 【5 1y a - l i nl u ，y a h q i n gl u e ta 1 g r o w t ho fo p t i c a ls u p e r - l a t t i c el i n b 0 3w i t hd i f f e r e n t m o d u l a t i n gp e r i o d sa n di t sa p p l i c a t i o n si ns e c o n d i h a r m o n i c - g e n e r a t i o n a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 6 ，6 8 ：2 7 8 l 【6 】y a n - q i n gl u 。y a - i i nl u ，e ta 1 f e m t o s e c o n dv i o l e tl i g h tg e n e r a t i o n 眵 q u a s i l p h a s e 。m a t c h e df r e q u e n c yd o u b l i n gi no p t i c a ls u p e r l a t t i c el i n b 0 3 a p p l p h y s l e t t 1 9 9 6 6 9 ：3 1 5 5 7 】y a - l i nl u ，y a l i nl u ，e ta 1 f r e q u e n c yd o u b l i n gac w d i o d el a s e rt og e n e r a t e4 8 9 n m b l u el i g h ti no p t i c a ls u p e r l a t t i c el i n b 0 3 e l e c t r o nl e t t ，1 9 9 6 ，3 2 ：3 3 6 【8 】y a n q i n gl u ，y a l i nl u ，e ta 1 c h a n g eo fd o m a i nm o r p h o l o g yi no p t i c a ls u p e r l a t t i c e l i n b 0 3b y t h e r m a la n n e a l i n g jk p h y s c o n d e n s m a t t e r ，1 9 9 7 ，9 ：7 4 7 ( 9 j c a l i nl u ，t a ow e i ，e ta 1 n o n d e s t r u c t i v ei m a g i n go f d i e l e c t r i c c o n s t a n tp r o f i l e sa n d f e r r o e i e c t r i cd o m a i nw i t has c a n n i n gt i dm i c r o w a v en e a r f i e l dm i c r o s c o p es c i e n c e 1 9 9 7 ，2 7 6 ：2 0 0 4 【1 0 k e n tc b u r r , e ta 1 b r o a d l yt u n a b l em i d - i n f r a r e d f e m t o s e c o n do p t i c a lp a r a m e t r i c o s c i l l a t o ru s i n ga l l s o l i d s t a t e p u m p e dp e r i o d i c a l l yp o l e dl i t h i u mn i o b a t e o p t l e t ， 1 9 9 7 ，2 2 ( 1 9 ) ：1 4 5 8 【l1 le m y e r s m u i t i g r a t i n gq u a s i p h a s e m a t c h e do p t i c a lp a r a m e t r i c o s c i l l a t o ri n p e r i o d i c a l l yp o l e dl i n b o j o p t l e t t1 9 9 6 ，2 1 ( 8 ) ：5 9 1 【1 2 】j i n u k a n g b a c k w a r d s e c o n d - h a r m o n i c g e n e r a t i o n i n p e r i o d i c a l l yp o l e db u l k l i n b o 】o p t l e t t 1 9 9 7 ，2 2 ( 1 2 ) ：9 6 2 1 3 vp m n e r i h i 曲l ye r r i c e n tg r e e n l i g h tg e n e r a t i o nb yq u a s i p h a s e m a t c h e df r e q u e n c y d o u b l i n go fp i c o s e c o n dp u l s e sf r o ma l la m p l i f i e dm o d e l o c h e dn d ：y l fl a s e r o p t l e n ，1 9 9 6 ，2 1 ( 6 ) ：3 9 0 t 1 4 d 。j l o v e r i n g n o i s e l e s so p t i c a la m p l i f i c a t i o ni nq u a s i - p h a s e m a t c h e db u l kl i t h i u m n i o b a t e o p t l e t t ，1 9 9 6 ，2 l ( 1 8 ) ：1 4 3 9 【1 5 js d b u t t e m o n h p i c o s e c o n dt is a p p h i r e - p u m p e do p t i c a lp a r a m e t r i ci s c i l l a t o rb a s e d 2 7 第二章铌酸锂退火质子交换光波导的研 削 o np e r i c a l l yp o l e dl i n b 0 3 o p t l e t t ，19 9 7 ，2 2 ( 9 ) ：6 l8 16 】v p r u n e r i l o w t h r e s h o l d p i c o s e c o n do p t i c a lp a r a m e t r i c i s c i l l a t i o n i n q u a s i p h a s e m a t c h e dl i t h i u mn i o b a t e a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 6 ，6 9 ( 8 ) ：1 0 2 9 【1 7 】陈云琳。准相位匹配周期性极化l i n b 0 3 铁电畴反转光栅及其倍频监光波导器的 研究。天津大学博士研究生( 学位) 论文。1 9 9 9 ，1 ( 1 8 j 张志勇，朱永元，闵乃本。一种制备l i n b 0 3 周期性畴反转的新方法。人工晶体 学报，1 9 9 5 ，2 4 ( 1 ) 1 9 】张光寅。光