高溫質(zhì)子交換鈮酸鋰波導(dǎo)制備工藝研究

1、高溫質(zhì)子交換錠酸鋰波導(dǎo)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(dǎo)與集成光學(xué)方面研究。摘要：研究了一種高溫質(zhì)子交換制備覩酸鋰光波導(dǎo)的工藝技術(shù)，質(zhì) 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(zhì)子交 換，x線衍射測試表明波導(dǎo)層具有單純的a相結(jié)構(gòu)。采用該技術(shù)實驗制備 了覩酸鋰y分支波導(dǎo)，報告了波導(dǎo)單模特性的測試判斷方法，研究了控制 波導(dǎo)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(guān)鍵詞：導(dǎo)波光學(xué)；覘酸鋰波導(dǎo)；高溫質(zhì)子交換；相位調(diào)制器屮圖分類號：tn 252 文獻(xiàn)標(biāo)

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(xué)系數(shù)，材料的化學(xué)性能穩(wěn)定，被廣泛用于制備多種光波導(dǎo)器 件12。1982年jackel等人首次利用linb()3與苯甲酸進(jìn)行質(zhì)子交換制備 了光波導(dǎo)3,質(zhì)子交換覘酸鋰波導(dǎo)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(dǎo)。利用單偏 振特性，質(zhì)子交換覘酸鋰波導(dǎo)在光纖陀螺系統(tǒng)中被廣泛用來制作相位調(diào)制 器4。常見的覘酸鋰質(zhì)子交換技術(shù)有兩種，一個是退火質(zhì)子交換 (annealed proton exchange, ape),還有一

3、個是軟質(zhì)子交換(soft proton exchange, spe)o ape技術(shù)制備的波導(dǎo)存在多種晶相的層狀疊加，溫度特 性不穩(wěn)定5。spe技術(shù)制備的波導(dǎo)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(rèn)為，采用高溫質(zhì)子交換方法可以在較短的時間 內(nèi)形成q相的覘酸鋰波導(dǎo)7,高溫質(zhì)子交換在質(zhì)子源沸點(diǎn)以上的溫度屮 進(jìn)行，常規(guī)工藝難以實現(xiàn)。為此，本工作實驗研究高溫質(zhì)子交換的工藝技 術(shù)，包括設(shè)備開發(fā)和工藝探索。試制的波導(dǎo)樣品經(jīng)x射線衍射測試，顯示 良好的a相結(jié)構(gòu)。1質(zhì)子交換linb()3波導(dǎo)的晶相質(zhì)子交換linb()3波導(dǎo)的 結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，rice等報道了質(zhì)子交換后得到的lil-xhxnbo3

4、粉末在 0<x<l范圍內(nèi)的晶相8,在z切l(wèi)inbo3得到的不同質(zhì)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(dǎo)中可以同時存在兩種甚至三種晶相。q相波導(dǎo)的質(zhì) 子濃度比較低，其晶體結(jié)構(gòu)和覘酸鋰基底的非常接近，在基底-波導(dǎo)界面 處的應(yīng)力很小，此類波導(dǎo)傳輸損耗小，非線性光學(xué)特性與linbo3的接近, 是質(zhì)子交換銳酸鋰波導(dǎo)最理想的晶相5。退火質(zhì)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(fù)雜的波導(dǎo)，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(gòu)成波導(dǎo)的是幾種晶 相的層狀疊加9。盡管退火處理改善了波導(dǎo)的電光和非線性等特性，但 與鋸酸鋰品體的光學(xué)性能相比還冇較大的差距5。軟質(zhì)了交換在稀釋的 h+質(zhì)子源中進(jìn)行，由于降低了交換反應(yīng)的平衡常數(shù)，無需熱處理即可形成 。相波導(dǎo)，但是交換時間非常長6。高溫質(zhì)子交換的交換溫度在300 °c 以上，使用稀釋的11+質(zhì)子源，可以用較短的交換時間形成a相波導(dǎo)，波導(dǎo) 基木維持覩酸鋰木征的非線性光學(xué)特性和電光特性，適于制作高質(zhì)量的覘酸鋰電光調(diào)制器10 o2高溫質(zhì)子交換銳酸鋰波導(dǎo)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(zhì)子源的稀釋釆用低溫質(zhì)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(zhì)子交換，交換溫度是350 °co由于質(zhì)子 源的大氣沸點(diǎn)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(diǎn)。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(nèi)充氮?dú)鈦砥胶馐⑷萜鲀?nèi)的 蒸氣壓，氮?dú)鈮毫Π殡S溫度的升高逐漸增加，350 °c時的氮?dú)鈮毫κ莑 35 mpa。到達(dá)350 °c時，將密封石英容器上下翻轉(zhuǎn)，稀釋苯甲酸熔融液流過 隔板浸沒linb03晶片，質(zhì)子交換計時開始。350 °c氛圍恒溫10 h后，再 次上下翻轉(zhuǎn)石英容器，濾出linb03晶片，質(zhì)子交換計時結(jié)朿。自然降溫 過程中逐步釋放氮?dú)饨祲?，接近室溫時取出樣品。該平面波導(dǎo)樣品傳輸te 模，用棱鏡耦合m線技術(shù)觀察到2個模式。波導(dǎo)晶相判斷采用了x線衍射 分析，圖1 (a)是測試結(jié)果，橫坐標(biāo)是相對衍射角，縱處標(biāo)是相對衍射光 強(qiáng)，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(zhì)子交換波導(dǎo)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(dǎo)。波導(dǎo)相位調(diào)制器中使用的是y分支波導(dǎo)，實驗樣品采用了相同的結(jié)構(gòu), 圖2是光刻模版的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和主要尺寸，總長23 mm,波導(dǎo)開窗寬度是6 u m。樣品采用選擇性高溫質(zhì)子交換技術(shù)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(shù)在基板表面形成圖2描繪的光刻 膠圖形。其上進(jìn)一步用磁控濺射技術(shù)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(zhì)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(dǎo)折射率分布的対稱性、緩解linb03晶片表面缺陷對波導(dǎo)傳輸特性的 影響，在完成高溫質(zhì)子交換后，追加一道反向質(zhì)子交換工序，使得處在波 導(dǎo)表層的部分h+被li+替換。反向質(zhì)子交換在苯甲酸鋰熔融液中進(jìn)行，溫 度是350 °c,交換時間是3 ho最后，在波導(dǎo)表面濺射一層厚度為20 nm 的s102緩沖層。試制波導(dǎo)樣品的傳輸特性測試采用了單纖保偏光纖列陣一 光波導(dǎo)一雙纖保偏光纖列陣的結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)與光纖的對接耦合采用了自動調(diào) 芯技術(shù)，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(diào)芯遵循全局尋優(yōu)的原 理，對接耦合效率達(dá)到最大時，用紫外固化膠將輸出端光纖列陣與波導(dǎo)粘 結(jié)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(dǎo)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(yīng)每個步長測得兩個輸出口相應(yīng)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(jié)果，橫坐標(biāo)是輸入光纖光軸與波 導(dǎo)光軸的偏移量，縱坐標(biāo)是以分貝為單位的插入損耗，p1和p2分別對應(yīng) 兩支輸出波導(dǎo)的輸出。圖3顯示y分支波導(dǎo)樣品的兩個輸出波導(dǎo)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(zhuǎn)。這個現(xiàn)象表明該波導(dǎo) 樣品具有多模波導(dǎo)的特征，可以用圖4的多模波導(dǎo)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(dǎo)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(jié)果導(dǎo)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(zhuǎn)。bpm仿真運(yùn)行證實了上述模型分析的合理性，圖5是 bpm仿真結(jié)果，波導(dǎo)設(shè)計成可維持2個模式的多模波導(dǎo)，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(jié)果，工藝改進(jìn)主要針對單模波導(dǎo)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(jìn)一步稀釋質(zhì)子源，第三個 是降低高溫質(zhì)子交換的溫度，第四個是縮短高溫質(zhì)子交換的時間，最后一 個是增加反向質(zhì)子交換的時間。本實驗選擇了后面的兩項，因為縮短高溫 質(zhì)子交換時間和增加反向質(zhì)子交換時間在工藝費(fèi)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(jìn)的工藝最終采用了 8 h高溫質(zhì)子交換時間和4 h反向質(zhì)子交換，其它 工藝條件不變，得到了單模的y分支波導(dǎo)。采用與圖3相同的測試方法， 結(jié)果示于圖6,顯示了良好的單模傳輸?shù)默F(xiàn)象。3結(jié)論研究了一種單偏振 a相鎧酸鋰波導(dǎo)的質(zhì)子交換制備工藝，采用了稀釋的質(zhì)子源，借助蒸氣壓 實現(xiàn)了 35

13、0 °c高溫質(zhì)子交換，x線衍射測試表明波導(dǎo)層具有單純的a相結(jié) 構(gòu)。釆用這種高溫技術(shù)實驗制備了銳酸鋰y分支波導(dǎo)，研究了單模判斷的 測試方法和控制波導(dǎo)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(jié)果表明，試制樣品具有良好的單模傳輸特性。參考文獻(xiàn)：1 張桂才光纖陀螺原理與技術(shù)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(dǎo)制作工藝進(jìn)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

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