高溫質子交換鈮酸鋰波導制備工藝研究

1、高溫質子交換錠酸鋰波導制備工藝研究作者簡介：王騰飛(1988),男，山東濱州人，碩士研究生，主要 從事光波導與集成光學方面研究。摘要：研究了一種高溫質子交換制備覩酸鋰光波導的工藝技術，質 子源是稀釋的苯甲酸熔融液，通過提高蒸氣壓的方法實現(xiàn)了 350 °c質子交 換，x線衍射測試表明波導層具有單純的a相結構。采用該技術實驗制備 了覩酸鋰y分支波導，報告了波導單模特性的測試判斷方法，研究了控制 波導單模傳輸?shù)膖藝環(huán)節(jié)。測試表明，試制樣品在1 310 nm和1 550 nm 波長下具有良好的單模傳輸特性。關鍵詞：導波光學；覘酸鋰波導；高溫質子交換；相位調制器屮圖分類號：tn 252 文獻標

2、識碼：adoi： 10. 3969/j. issn. 1005引言ijnbo3材料易于生成較大的透明單晶并具有優(yōu)異的電光、聲光 及非線性光學系數(shù)，材料的化學性能穩(wěn)定，被廣泛用于制備多種光波導器 件12。1982年jackel等人首次利用linb()3與苯甲酸進行質子交換制備 了光波導3,質子交換覘酸鋰波導的折射率增量是各向異性的，異常光 折射率增大，尋常光折射率略微減小，是一種單偏振的光波導。利用單偏 振特性，質子交換覘酸鋰波導在光纖陀螺系統(tǒng)中被廣泛用來制作相位調制 器4。常見的覘酸鋰質子交換技術有兩種，一個是退火質子交換 (annealed proton exchange, ape),還有一

3、個是軟質子交換(soft proton exchange, spe)o ape技術制備的波導存在多種晶相的層狀疊加，溫度特 性不穩(wěn)定5。spe技術制備的波導顯示a相，但是制備時間非常長，制造 成本高6。近年有報道認為，采用高溫質子交換方法可以在較短的時間 內形成q相的覘酸鋰波導7,高溫質子交換在質子源沸點以上的溫度屮 進行，常規(guī)工藝難以實現(xiàn)。為此，本工作實驗研究高溫質子交換的工藝技 術，包括設備開發(fā)和工藝探索。試制的波導樣品經(jīng)x射線衍射測試，顯示 良好的a相結構。1質子交換linb()3波導的晶相質子交換linb()3波導的 結構十分復雜，rice等報道了質子交換后得到的lil-xhxnbo3

4、粉末在 0<x<l范圍內的晶相8,在z切l(wèi)inbo3得到的不同質子濃度的 lil-xhxnbo3粉末中觀察到了a、kl、k2、bl、02、b 3和b 4等七木中晶 相，在x切的可以觀察到a、kl、k2、0 1、b2和b3等六種晶相。根據(jù) 制備條件，在同一波導中可以同時存在兩種甚至三種晶相。q相波導的質 子濃度比較低，其晶體結構和覘酸鋰基底的非常接近，在基底-波導界面 處的應力很小，此類波導傳輸損耗小，非線性光學特性與linbo3的接近, 是質子交換銳酸鋰波導最理想的晶相5。退火質子交換在低于250 °c的 苯甲酸溶液中做h+li+熱交換，形成晶相復雜的波導，追加退火處理可

5、以 使晶相變得相對單純，但是仍不能形成完全的a相，構成波導的是幾種晶 相的層狀疊加9。盡管退火處理改善了波導的電光和非線性等特性，但 與鋸酸鋰品體的光學性能相比還冇較大的差距5。軟質了交換在稀釋的 h+質子源中進行，由于降低了交換反應的平衡常數(shù)，無需熱處理即可形成 。相波導，但是交換時間非常長6。高溫質子交換的交換溫度在300 °c 以上，使用稀釋的11+質子源，可以用較短的交換時間形成a相波導，波導 基木維持覩酸鋰木征的非線性光學特性和電光特性，適于制作高質量的覘酸鋰電光調制器10 o2高溫質子交換銳酸鋰波導樣品的制備和測試基板采用x切y傳 linb03晶片，按照氨水-雙氧水-去離

6、子水-無水乙醇的程序清洗linb03基 板，120 °c/30 min干燥。質子源的稀釋釆用低溫質子交換方法，將定量 稱取33 : 1的苯甲酸和覘酸鋰粉末混合后，240 °c恒溫5 h,濾除覘酸鋰 粉末、冷卻后獲得摻有約3%苯甲酸鋰的稀釋苯甲酸。然后在稀釋的苯甲酸 熔融液中做linb03晶片的高溫質子交換，交換溫度是350 °co由于質子 源的大氣沸點在250 °c附近，實驗使用密封石英容器，借助飽和汽壓來提 高沸點。密封石英容器分為上下兩層，上層安置linb03晶片，下層放入 稀釋苯甲酸，中間的右英隔板開有均勻分布的圓形小通孔。密封石英容器 置于自行開

7、發(fā)的密閉加熱金屬罐中，金屬罐內充氮氣來平衡石英容器內的 蒸氣壓，氮氣壓力伴隨溫度的升高逐漸增加，350 °c時的氮氣壓力是l 35 mpa。到達350 °c時，將密封石英容器上下翻轉，稀釋苯甲酸熔融液流過 隔板浸沒linb03晶片，質子交換計時開始。350 °c氛圍恒溫10 h后，再 次上下翻轉石英容器，濾出linb03晶片，質子交換計時結朿。自然降溫 過程中逐步釋放氮氣降壓，接近室溫時取出樣品。該平面波導樣品傳輸te 模，用棱鏡耦合m線技術觀察到2個模式。波導晶相判斷采用了x線衍射 分析，圖1 (a)是測試結果，橫坐標是相對衍射角，縱處標是相對衍射光 強，主峰是

8、linb03晶片的特征譜，小的次峰是q相的特征譜。圖1 (b) 是常規(guī)退火質子交換波導的x線衍射譜，除了a相以外，還存在b相的特 征譜。可見，本工藝可以實現(xiàn)單一 a相的波導。波導相位調制器中使用的是y分支波導，實驗樣品采用了相同的結構, 圖2是光刻模版的波導結構和主要尺寸，總長23 mm,波導開窗寬度是6 u m。樣品采用選擇性高溫質子交換技術來制備，基板是x切y傳linb03晶 片，經(jīng)潔凈干燥處理后，用常規(guī)光刻技術在基板表面形成圖2描繪的光刻 膠圖形。其上進一步用磁控濺射技術涂覆si02玻璃薄膜，將底層光刻膠 連同承載的si02去除后，得到開窗的si02玻璃掩膜。z后做高溫質子交 換，除了交

9、換時間改為9 h以外，其余工藝參數(shù)與上述的相同。為了改善 波導折射率分布的対稱性、緩解linb03晶片表面缺陷對波導傳輸特性的 影響，在完成高溫質子交換后，追加一道反向質子交換工序，使得處在波 導表層的部分h+被li+替換。反向質子交換在苯甲酸鋰熔融液中進行，溫 度是350 °c,交換時間是3 ho最后，在波導表面濺射一層厚度為20 nm 的s102緩沖層。試制波導樣品的傳輸特性測試采用了單纖保偏光纖列陣一 光波導一雙纖保偏光纖列陣的結構，波導與光纖的對接耦合采用了自動調 芯技術，單纖保偏光纖列陣用于光波輸入，雙纖保偏光纖列陣用于光波輸 出，工作波長分別是1 310 run和1 55

10、0 nm。自動調芯遵循全局尋優(yōu)的原 理，對接耦合效率達到最大時，用紫外固化膠將輸出端光纖列陣與波導粘 結固化，輸入端光纖維持可移動操作的狀態(tài)。然后程序控制輸入端光纖沿 平行于波導端面上下棱線的方向平移，平移步長是0.2 um,雙口功率計 對應每個步長測得兩個輸出口相應的輸出功率。圖3 (a)和圖3 (b)分 別是1 310 nm和1 550 nm波長的測試結果，橫坐標是輸入光纖光軸與波 導光軸的偏移量，縱坐標是以分貝為單位的插入損耗，p1和p2分別對應 兩支輸出波導的輸出。圖3顯示y分支波導樣品的兩個輸出波導的輸出功率有很大的差界，兩個端口的插入損耗比例隨輸入端光軸對接偏移量的變 化而變化，在

11、某個位置插入損耗比例還發(fā)生了反轉。這個現(xiàn)象表明該波導 樣品具有多模波導的特征，可以用圖4的多模波導分支耦合模型來解釋。如圖4所示，由于基模和1階模在分支處的疊加，導致兩輸出端的輸出功 率不均等。改變輸入光纖的位置，可以改變基模和1階模在分支處的相位, 結果導致在某個輸入位置（例如圖3的5 uni附近），兩輸出端的輸出功 率的大小發(fā)生反轉。bpm仿真運行證實了上述模型分析的合理性，圖5是 bpm仿真結果，波導設計成可維持2個模式的多模波導，仿真波長是1550 nm,表現(xiàn)了與圖3十分相似的現(xiàn)象。根據(jù)上述實驗測試和理論分析的結果，工藝改進主要針對單模波導的控制條件。主要有五個手段可以選 擇，第一個是

12、減小掩膜的開窗寬度，第二個是進一步稀釋質子源，第三個 是降低高溫質子交換的溫度，第四個是縮短高溫質子交換的時間，最后一 個是增加反向質子交換的時間。本實驗選擇了后面的兩項，因為縮短高溫 質子交換時間和增加反向質子交換時間在工藝費時上是對沖的，不額外增 加工藝成本，而且時間控制比其它條件的控制來的簡單。經(jīng)過實驗摸索， 改進的工藝最終采用了 8 h高溫質子交換時間和4 h反向質子交換，其它 工藝條件不變，得到了單模的y分支波導。采用與圖3相同的測試方法， 結果示于圖6,顯示了良好的單模傳輸?shù)默F(xiàn)象。3結論研究了一種單偏振 a相鎧酸鋰波導的質子交換制備工藝，采用了稀釋的質子源，借助蒸氣壓 實現(xiàn)了 35

13、0 °c高溫質子交換，x線衍射測試表明波導層具有單純的a相結 構。釆用這種高溫技術實驗制備了銳酸鋰y分支波導，研究了單模判斷的 測試方法和控制波導單模傳輸?shù)墓に嚟h(huán)節(jié)，1 310 run和1 550 nm波長的測試結果表明，試制樣品具有良好的單模傳輸特性。參考文獻：1 張桂才光纖陀螺原理與技術m北京：國防工業(yè)出版社，2008.2 趙明璐，王定理，馬衛(wèi)東鋸酸鋰光波導制作工藝進展j光通信研究，2012 (2)： 35-38.3 jackel l, rice c e, veselka j j. proton exchange for highindexwaveguide in linbo3j

14、. appl phys lett, 1982, 41 (7)： 607-608.4林雄鑫.質子交換linbo3單y相位調制器的研究d.杭州：浙江大學，2002.5jk0rkishk0 y n, fedorov v a, feoktistova 0 y. linbo3 opticalwaveguidefabricationbyhightemperatureprotonexchangejlightwave technol, 2000, 18： 562-5686k0rkishk0 y n, fedorov v a, baranov e a, et al. characterization of a

15、phase soft protonexchanged linbo3 optical waveguides j. j opt soc am, 2001, 18 (5)： 1186-1191.71k0rkishk0 yn, fedorov v a, laurell f. the shgresponse ofdifferent phasesin proton exchanged lithiumniobatewaveguidesj ieeejournal of selected topics in quantumelectronics, 2000,6 (1)： 132-142.81k0rktshk0 y n, fedorov v a.structural phase diagram ofhxlil-xnbo3 waveguides : the correlation