CN100362418C - 波长可调宽带全光波长转换器的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，属于光通信技术领域。本发明选择一种基于掺杂镁的铌酸锂晶片，在该晶片上首先制作具有周期范围为21-26μm的周期性光学超晶格，即对晶片进行室温电场极化，以实现晶体极化畴的周期性反转，然后在晶片上制作钛扩散波导结构，最后在晶片通光光路前设置一块偏振片，即得到波长可调宽带全光波长转换器。本发明极大降低了成本，降低了极化脉冲电压，提高了晶体的制作厚度，有利于光能量耦合进器件；在不降低转换效率和不改变波长转换输出谱的前提下，实现了超宽带的N*M的波长通道转换，从而实现了网络的动态重组及波长路由的广播功能。

Description

波长可调宽带全光波长转换器的制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种光通信技术领域的制作方法，具体地说，是一种波长可调宽带全光波长转换器的制作方法。

背景技术

现有的波长转换器件，主要有基于半导体放大器(SOA)的互增益或相位调制波长转换器、Mach-Zehnder波长转换器，但它们对输入信号的幅度、频率和位相都存在不完全透明转换；而基于SOA或无源波导，如光纤的四波混频虽是完全透明的全光转换，但由于它是三阶非线性过程，一般情况下，二阶非线性过程比三阶过程效率高得多，所以存在转换效率低下的问题；另外这种波长转换器噪声大，容易造成串话，其应用有限；因此基于半导体(如AlGaAs)或铁电晶体波导结构中的差频或级联效应的波长转换器，逐渐成为宽带全光波长转换器的发展方向。基于二阶非线性差频或级联效应的全光波长转换器件对信息透明；它仅是一个纯光学过程，克服了电光器件的速度瓶颈；另外，它还具备低噪声、宽调节波长范围和可以同时转换多波长的特点。基于半导体或铁电畴反转波导差频或级联波长转换器是唯一全透明的方案，与其它波长转换器方案比具有明显的优势。而基于级联效应的波长转换器与基于差频效应的波长转换器相比，泵浦波长仍然在1.5μm通信波段，解决了波导传输模式问题。并且可以获得更宽的带宽。虽然基于半导体(如AlGaAs)的差频波长转换器已有演示，但目前存在困难是难以实现两束光的相位匹配，另外由于波导的散射损耗，均导致转换效率低下，因而目前应用较少。

经对现有技术文献的检索发现，M.H.Chou等人在《Optics Letters》(24，1999)上发表的“Mutiple-channel wavelength conversion by use ofengineered QPM structures in LiNbO₃ waveguides”(《在铌酸锂波导中用设计的准位相匹配结构实现的多波长转换》)，该文介绍了利用一种基于非周期的准位相匹配铌酸锂波导结构的差频效应，在两个不同的泵浦波长，一个信号波长通道上同时实现了宽带波长转换。该文献还指出，利用基于这种非周期结构，可以实现多泵浦波长通道/多信号波长通道(Multiple Pump CHs/MultipleSignal CHs)的波长转换。通过这种对M个泵浦波长的同时利用，这种波长转换器可以实现网络的动态重组及波长路由的广播功能，即每N个输入信号光中的一个信号可以被转换成M个输出波长，从而获得超宽带的波长转换功能。此外基于这种非周期结构的波长转换器，由于拓展了泵浦波长位相匹配带宽，从而极大地提高了器件的稳定性和带宽。以上非周期结构的波长转换器的制作方法，虽然都利用差频效应实现了波长转换，但同样适用于倍频和差频的级联效应。尽管由于基于介电体非周期结构超晶格的全光波长转换器可同时实现N*M的波长通道转换，极大的使网络的重组性能优化。但由于基于非周期结构的波长转换器的制作在设计上是通过对非线性系数傅立叶变换计算，得到所需畴反转的畴(block)位置来实现多波长转换；已有文献报道，实验和模拟结果均表明，波长转换输出谱和转换效率均对该结构制作所产生的block制作误差相当敏感，从而带来该类器件在制作方法上不可克服的固有困难。因此，目前基于该非周期结构的全光波长转换器的制作方法上至少存在两个问题：一是因“非周期结构”所引起的器件设计和制作的困难，影响了准位相匹配超晶格结构的质量，从而导致所转换波长(符合ITU标准)的漂移，以及转换效率的降低；二是以往的基于“铌酸锂”超晶格器件在室温工作状态下会产生光折变损伤，导致位相不匹配，所以还需要进行温度补偿，提高了制作成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，使其通过对信号光入射偏振状态的控制，产生准位相匹配的二阶非线性差频或级联效应，实现一种工作在室温下，幅度、频率和位相信息全透明的，多泵浦波长通道/多信号波长通道的宽带波长转换。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明选择一种基于掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNbO₃)晶片，在该晶片上首先制作具有周期范围为21-26μm的周期性光学超晶格，即对晶片进行室温电场极化，以实现晶体极化畴的周期性反转；然后再在晶片上制作钛扩散波导结构；最后在晶片通光光路前设置一块偏振片，即得到波长可调宽带全光波长转换器，该波长转换器是一块单畴介电晶片，晶片的上下表面平行。本发明包括以下步骤：

(1)选择一种介电体，该介电体是一种在生长过程中长成沿Z方向自发极化的铁电单畴晶体，并且是掺杂摩尔比为5％或6.5％或7％的掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNbO₃)，沿该介电体Z方向切割，其厚度为0.2mm-1mm，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向即晶体的自发极化方向；

(2)该晶片-Z表面使用钛扩散技术，即在1130℃的高温下通氩气十几个小时，通氧气后扩散1小时以上，将-Z面预溅射的宽度为2-8微米的钛条内扩散入掺杂镁的铌酸锂衬底，形成一波导层，该波导的特征是横电波和横磁波模式的导波均可以被激发；

(3)然后用光刻技术，即首先在双面抛光晶体+Z表面旋转涂覆一层厚1μm的光刻胶，经曝光、显影后得到周期性光栅条纹；然后再在光刻胶上溅射一层厚为0.1μm的导电镍层，在样品上形成了一周期性的长镍条构成的阵列金属光栅电极(其他部分金属在光刻胶上，因而与铌酸锂+Z表面绝缘)。

金属光栅电极的周期为 $\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2(N_{\mathrm{eff}2}^e-N_{\mathrm{eff}1}^o)}\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2(n_2^e-n_1^o)}---\left(a\right),$

式中 λ₀——级联过程中倍频的泵浦光(基波)或差频中所需转换的信号光中心波长；

N_eff2 ^e——波导中二次谐波(波长为λ₀/2)非常光的有效折射率；

N_eff1 ^o——波导中基波(λ₀)寻常光的有效折射率；

n₂ ^e——体介质中二次谐波的非常光折射率；

n₁ ^o——体介质中基波的寻常光折射率。

对于占空比为1∶1的周期性结构，每个周期内电极的长度l为周期的一半，即l＝Λ/2；对于占空比为1∶2的周期性结构，每个周期内电极的长度为周期的1/3，即l＝Λ/3；-Z面镀平面电极。

(4)室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反向；无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向。

在室温下，用高压矩形电脉冲正向施加于两电极间，所加高压脉冲电场峰值电压要大于对应于晶体厚度的矫顽场V_C(掺镁铌酸锂晶片的矫顽场V_C为2-10kv/mm)。

正电极(镀有镍条的+Z面)与高压电源间的连接是由限制在O圈内的氯化锂电解液来接触导通的。高压电源的负电极连接在一块接地的，表面抛光的金属板上，直接与样品的-Z面接触。要保证外电场和金属电极之间有良好的欧姆接触，且要防止高压击穿。所用外电场为脉冲高压电场。脉冲周期的长短与次数与电极表面积有关。

极化电路是由一个高压源和一系列电阻组成的高压脉冲源。极化电流I_pol，Q是晶体表面的输运电荷和极化时间t_pol分别由下三式给出：

$I_{\mathrm{pol}}=\frac{V_1-V_c}{R_S}-\frac{V_c}{R_{\mathrm{vm}}},$ Q＝2P_sA，

$t_{\mathrm{pol}}=\frac{Q}{I_{\mathrm{pol}}},---\left(b\right)$

V₁是高压电源直接输出的电压值，V_c是加在晶片上的实际极化电压；R_s，R_vm分别为分压电阻；Ps为LiNbO₃晶体自发极化强度，为81μc/cm²，A为极化面积。

本发明首次利用掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNbO₃)I型倍频相干长度在通讯波段处有一个极值点(以下将把该波长统一称为宽带倍频中心波长)，在该点处由于同时满足群速度匹配与准位相匹配倍频条件，因而能够得到所期望的倍频宽带；同时，本发明巧妙地利用了掺镁铌酸锂材料固有的宽带周期性结构，首次提出通过控制倍频泵浦光偏振方向的方法，将周期性波导超晶格与钛扩散波导结构相结合，克服了利用电场极化铌酸锂质子交换波导的非周期结构实现泵浦波长可调的超宽带波长转换，在非周期结构的器件制作上存在的困难。

本发明利用掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNbO₃)作材料，在室温下不存在光折变损伤的问题，无需进行高温补偿，极大降低了成本；由于掺镁铌酸锂晶体的矫顽场是常用铌酸锂晶体的十分之一，降低了极化脉冲电压，提高了晶体的制作厚度，可达到1mm厚(而基于铌酸锂的周期性超晶格材料的器件除化学计量比材料外，最大厚度只能到0.5m)，有利于光能量耦合进器件；在不降低转换效率和不改变波长转换输出谱的前提下，实现了超宽带的N*M的波长通道转换，从而实现了网络的动态重组及波长路由的广播功能。

具体实施方式

实施例

(1)选取厚度为1m，长和宽均为10mm的7％mol掺杂比的Z切割掺镁铌酸锂晶片，+/-Z面均抛光。

(2)在-Z面用钛扩散技术制作一宽度为6微米的条波导；

(3)在+z表面用光刻方法形成一周期为23.5μm的，由6μm宽，10mm长的阵列金属正电极(假设占空比为6∶17.5)。光栅周期是用25℃下掺镁铌酸锂的Sellmier方程代入公式 $\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2(n_2^e-n_1^o)}$ 所得，其中假设λ₀＝1.55μm，而7％mol掺杂比的掺镁铌酸锂晶体的折射率Sellmeier方程如下：

$n_o^2\left({\mathrm{\λ}}_0\right)=4.8762+0.11554/({{\mathrm{\λ}}_0}^2-0.04674)-0.0331199\·{{\mathrm{\λ}}_0}^2$

$n_e^2\left({\mathrm{\λ}}_0\right)=4.5469+0.094779/({{\mathrm{\λ}}_0}^2-0.04439)-0.026721\·{{\mathrm{\λ}}_0}^2$

(4)正电极与高压电源间的连接是由限制在O圈内的氯化锂电解液来接触导通的。高压电源的负电极连接在一块接地的，表面抛光的金属板上，直接与样品的-Z面接触。要保证外电场和金属电极之间有良好的欧姆接触，且要防止高压击穿。所用外电场为脉冲高压电场，由于掺镁铌酸锂晶体的矫顽场为4.5kv/mm，所以施加在厚度为1mm的掺镁铌酸锂晶片上脉冲峰值电压要大于4.5kv/mm，脉冲周期的长短与次数与电极的实际表面积有关，可通过公式(b)计算得到。

以中心波长为λ₀＝1.55μm为例，理论上可得出，在25℃下，7％镁掺杂比的，周期性极化铌酸锂的光栅周期为Λ＝23.5μm。

本发明利用掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNbO₃)作材料，在室温下不存在光折变损伤的问题，无需进行高温补偿，极大降低了成本；由于掺镁铌酸锂晶体的矫顽场是常用铌酸锂晶体的十分之一，降低了极化脉冲电压，提高了晶体的制作厚度，可达到1mm厚，有利于光能量耦合进器件；在不降低转换效率和不改变波长转换输出谱的前提下，实现了超宽带的N×M的波长通道转换，从而实现了网络的动态重组及波长路由的广播功能。

Claims (7)

1.一种波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，其特征在于，选择一种基于掺杂镁的铌酸锂晶片，在该晶片上首先制作具有周期范围为21-26μm的周期性光学超晶格，即对晶片进行室温电场极化，以实现晶体极化畴的周期性反转，然后在晶片上制作钛扩散波导结构，最后在晶片通光光路前设置一块偏振片，即得到波长可调宽带全光波长转换器。

2.根据权利要求1所述的波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)选择一种介电体，该介电体是一种在生长过程中长成沿Z方向自发极化的铁电单畴晶体，并且是掺杂镁的铌酸锂，沿该介电体Z方向切割，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向即晶体的自发极化方向；

(2)该晶片-Z表面使用钛扩散技术，即在高温下通氩气，通氧气后扩散，将-Z面预溅射的钛条内扩散入掺杂镁的铌酸锂衬底，形成一波导层；

(3)然后用光刻技术，即首先在双面抛光晶体+Z表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影后得到周期性光栅条纹，然后再在光刻胶上溅射一层导电镍层，在样品上形成了一周期性的长镍条构成的阵列金属光栅电极，金属光栅电极的周期为 $\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2(N_{\mathrm{eff}2}^e-N_{\mathrm{eff}1}^o)}\widetilde{\‾}\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2(n_2^e-n_1^o)};$

式中，λ₀——级联过程中倍频的泵浦光或差频中所需转换的信号光中心波长；N_eff2 ^e——波导中波长为λ₀/2的二次谐波非常光的有效折射率；N_eff1 ^o——波导中基波λ₀寻常光的有效折射率；n₂ ^e——体介质中二次谐波的非常光折射率；n₁ ^o——体介质中基波的寻常光折射率；

(4)在室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该有电极的畴区域的自发极化方向反向，无电极的畴区域的极化方向仍保持原来的方向。

3.根据权利要求1或2所述的波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，其特征是，所述的掺杂镁的铌酸锂，其掺杂摩尔比为5％或6.5％或7％。

4.根据权利要求2所述的波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，其特征是，所述的钛扩散技术，是指在1130℃的高温下通氩气十几个小时，通氧气后扩散1小时以上，将-Z面预溅射的宽度为2-8微米的钛条内扩散入掺杂镁的铌酸锂衬底。

5.根据权利要求2所述的波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，其特征是，所述的波导层，该波导的特征是横电波和横磁波模式的导波均可以被激发。

6.根据权利要求2所述的波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，其特征是，所述的金属光栅电极，对于占空比为1∶1的周期性结构，每个周期内电极的长度l为周期的一半，即l＝Λ/2；对于占空比为1∶2的周期性结构，每个周期内电极的长度为周期的1/3，即l＝Λ/3，-Z面镀平面电极。

7.根据权利要求2所述的波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，其特征是，所述的利用高压电场克服晶体内部的矫顽场，是指用高压矩形电脉冲正向施加于两电极间，所加高压脉冲电场峰值电压要大于对应于晶体厚度的矫顽场V_C＝2-10kv/mm。