缺锂铌酸锂钛扩散平面光波导的制备及光学表征

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随着光通信的迅速发展,用于构建全光网络的集成光学器件成为研究的热点。而波导器件,尤其是平面光波导,是许多集成光学器件重要的组成部分。目前,钛扩散铌酸锂平面光波导是最常见的平面波导,有关它的报道已有很多,但都是基于以同成分或近化学计量比的铌酸锂为基底的光波导展开的研究,对于以缺锂铌酸锂为基底的光波导的报道却很少。本论文率先开展了表征钛扩散缺锂铌酸锂平面波导的研究,并得到了一些初步的实验结果,为进一步研究奠定了基础。本论文的主要工作包括以下几个方面:1.制作缺锂相坩埚:将Li2CO3和Nb2O5按摩尔比4:6的比例配比并混合均匀。将配好的粉末放入模具中压制成坩埚形状后,在1000°C下煅烧10小时,1100°C下煅烧1小时。至此缺锂两相( LiNbO3 + LiNb3O8)坩埚制作完成。2.制备缺锂铌酸锂基片:用制备好的坩埚对1mm厚的Z切同成分LiNbO3基片进行缺锂气相运输平衡处理,制备了一系列的缺锂相铌酸锂基片,其中VTE的处理温度固定在1100°C ,VTE时间在100-180小时。测量了表面双折射,估算出所制备样品表面层的Li组分。3.钛扩散:先在得到的缺锂铌酸锂基片上分别镀上厚度为(110-135)±5 nm的钛膜,随后将其放入扩散炉中进行高温扩散,制备出缺锂钛扩散铌酸锂平面光波导。扩散温度为1050°C ,扩散时间为8-15小时。为了抑制额外的锂外扩,整个扩散过程都以1 L /min的速率通入湿氧。4.样品的表征:采用棱镜耦合技术测量出平面波导几个导模对应的有效折射率,并使用现有软件反推出折射率分布。对反推出的折射率分布进行了高斯拟合,证实钛扩散缺锂铌酸锂平面光波导的折射率分布与同成分光波导折射率分布一致,均服从高斯分布。分析了其表面折射率变化与初始钛膜厚度和扩散深度之比的关系,分析结果表明钛扩散系数随着Li组分减少而增大。其中,当样品中的Li组分由48.6mol%到48.0mol%再到47.mol%时,对应的钛扩散系数由2.367×10-12cm2/sec增加到3.424×10-12cm2/sec再到5.281×10(-12)cm2/sec。最后运用高斯分布模型对波导导模的有效折射率值进行了计算,并且根据波导表面折射率的变化,对波导应该出现的模式数量进行了计算。结果发现有效折射率的计算值与测量值之间的误差在0.00006之内,模式数目的测量值与计算值也基本一致,充分验证了之前测量的准确性。
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