CN101308311B - 差频混频级联掺镁近化学比铌酸锂全光波长转换器 - Google Patents
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Abstract
一种差频混频级联掺镁近化学比铌酸锂全光波长转换器，利用掺杂镁的近化学剂量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)作材料，在室温下不存在光折变损伤问题，无需进行高温补偿，简化了系统，降低了成本；由于提高晶体的锂铌比和掺杂镁，极大地降低晶体的矫顽场，降低了极化脉冲电压，提高晶体的制作厚度，有利于光能量耦合进器件；采用反质子交换技术制作出PRE光波导，能有效降低波导损耗，提高非线性转换效率；利用扇形光栅结构，在同一晶片上可以获得多个周期连续变化的波导，提高了器件的灵活性，使材料得到充分利用；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的多波长通道转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种差频混频级联掺镁近化学比铌酸锂全光波长转换器，一种基于级联结构的倍频差频波长转换器。这是一种全光器件，它主要适用于波分复用光通信系统，可以实现系统中宽带可调谐的单信道光波长转换或多信道同时波长转换。本发明具体包括近化学比掺镁铌酸锂波导的制备以及准相位匹配周期性微结构的设计和制作过程。本发明属于晶体材料学领域以及光通信领域。
背景技术
密集波分复用技术(DWDM)目前被广泛应用于光纤通信网络中，它通过在一根光纤中同时传输若干路不同波长、间隔适当且相互独立的光信号，从而使同一根光纤信息传输的等效比特率增加若干倍。光波长转换器被认为是DWDM光通信网络的关键器件之一，而全光波长转换(AOWC)是未来DWDM光传送网关键技术，近年来一直是国内外研究的热点。它能实现光信号从一个波长到另一个波长的全光复制，克服了传统的光-电-光型波长转换器产生电子瓶颈、透明性差和结构复制等显著缺点，在网络互联、光开关、光交叉连接、波长路由和波长再用等方面有着广阔的应用前景和商业价值。
与几种常见的AOWC技术如交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)和电吸收(EA)调制相比，基于准相位匹配(QPM)光波导的级联二阶非线性效应型AOWC技术，具有许多独特的技术优势，它利用晶体非线性效应产生新频率光场来实现波长转换，可完全复制原信号光的强度和相位信息，并且非线性作用响应时间极短(fs量级)，所以是唯一严格意义上的对信号光速率和调制形式完全透明的AOWC技术。此外这种技术还具有独特的多波长同时转换能力，转换过程噪声指数极低，转换后波形无畸变，并且潜在的可转换带宽对光纤工作波段透明。
众所周知，铌酸锂晶体以其优异的光电性能，成为制备周期极化准相位匹配光学器件的常用材料之一。但一般条件下生长出来的同成分铌酸锂晶体([Li]∶[Nb]＝48.5∶51.5)存在着光折变引起的光损伤效应以及室温下极化电场过大(通常在21kV/mm左右)等缺点，这已成为制约其作为光频转换器件高效转换和大功率输出的主要障碍，极大限制了器件的实用化。但是通过提高铌酸锂晶体中的[Li]/[Nb]的值，能极大地降低其铁电畴的极化反转电场，较低的极化电场无疑有利于提高晶体极化厚度和周期畴结构；同时，提高铌酸锂晶体中的[Li]/[Nb]的值，也可以大大降低抗光损伤铌酸锂晶体的掺镁阈值，只需少量的镁掺入就能极大地提高晶体的抗光损伤能力。这里可以将降低畴极化电场和提高晶体的抗光损伤能力有机结合起来，采用气相输运平衡(vapor transportequilibration)技术，对掺镁LiNbO3晶体进行近化学计量处理，不仅使其光折变阈值提高了4个量级，同时使极化电场降低到4.5kV/mm以下。
目前在LiNbO3上制作光波导主要采用钛扩散和退火质子交换法两种。与Ti:LiNbO3光波导相比，H:LiNbO3具有如下特点：
(1)波导制作工艺温度低，不会扰乱光波导中的晶格结构且技术简单，形成光波导的速度快；
(2)H:LiNbO3光波导在一定程度上提高了抗光损伤能力，比Ti扩散波导至少高4个数量级；
(3)折射率分布为阶跃性分布，且可由后续工艺(如退火工艺)在较大的范围内调节；
(4)在可见光波段，H:LiNbO3光波导具有较高的光折变损伤阈值。但是H:LiNbO3光波导也存在以下缺点：
(1)对Y切LiNbO3光波导，除少数酸度较弱的质子源(如硬脂酸)，大部分的酸会使其表面损伤；
(2)H:LiNbO3光波导的传输损耗较大；
(3)波导折射率分布不稳定，随放置时间而变化；
(4)电光系数及非线性系数下降严重。
但采用合适的缓冲质子源(如在苯甲酸中加入适量的苯甲酸锂)或对交换后的波导再进行退火处理(APE波导)可以有效改善H:LiNbO3光波导的光学特性。
1991年Jackel和Johnson首次采用反质子交换法制备出一种平面波导(称为PRE)。由于该波导掩埋在基底表面的下面，因此又称掩埋质子交换波导。制备PRE时，首先采用纯苯甲酸作为质子源制备了质子交换退火(APE)波导，其异常光折射率增加，寻常光折射率减小；然后将该波导浸没于浓度比为1∶1∶0.1的KNO3∶NaNO3∶LiNbO3混合溶体(0.5～3.5h)中，混合溶体中的Li离子将重新取代波导表面的质子而进人波导表面，从而降低波导表面的异常光折射率。这是一个Li+-H+的弱渗透过程，故波导就掩埋于表面之下。与一般的PE和APE波导相比，由于PRE波导掩埋于表面之下，从而有效地减小了波导表面散射，进而降低了波导传输损耗；另一方面，由于其模场分布较非掩埋波导对称性好，因而具有较高的光纤--光波导耦合效率。此外，PRE波导能使相互作用模式间的叠加积分增大，使非线性转换效率增高，这对于制造质子交换PPLN(Periodically PoledLithium Niobate)波导器件具有极大的吸引力。
最初研究PPLN作波长转换主要采用直接差频型(Second-HarmonicG-eneration，DFG)，即将750/800nm波段的高功率泵浦光和1550nm的信号光同时注人PPLN光波导内，利用其中产生的非线性效应获得与信号光同波段并复制了其信息的不同频率的新光场，实现波长转换。但在实际应用中，差频全光波长转换存在着一些问题：770nm波段的光在波导中一般以多模形式分布，不利于传输，且将770nm波段的泵浦光和1550nm波段的信号光同时耦合进光波导在技术上较为复杂；此外，770nm波段的高功率窄线宽的可调激光器也较难获得。为解决这些问题，可以采用级联的二阶非线性效应来实现波长转换。级联的二阶非线性效应有两种，一种是和频+差频效应(Sum-Frequency-Generation andDifference-Frequency-Generation，SFG+DFG)；另一种是倍频+差频效应(Second-Harmonic-Generation and Difference-Frequency-Generation，SHG+DFG)。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术中存在的不足，提供一种高抗光损伤的波长可调谐宽带全光波长转换器的制作方法，利用准相位匹配的二阶非线性级联倍频差频效应，实现一种能在室温下工作，并且不依赖偏振的，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。
一种高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，选择一种基于掺镁的近化学计量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)晶片，在晶片上制作反质子交换光波导PRE；然后对晶片进行室温电场极化，以实现晶片极化畴反转，在晶片上获得周期范围为17～19μm的扇形微结构，从而得到性能稳定和低损耗的宽调谐范围的全光波长转换器。
一种高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，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，并且是掺杂镁的近化学计量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)，沿该介电体Z方向切割，上下表面的法线方向沿晶体的自发极化方向；
(2)在该晶片+Z表面制作一系列宽度为6μm的退火质子交换光波导(APE)，在200℃左右的温度下把LiNbO3晶片放入交换源(纯苯甲酸C6H5OOH)中4到10个小时；然后把晶片取出，洗净后推入石英管道进行退火处理；
(3)退火后将晶体从管道内缓慢拉出，然后放入反质子交换源(KNO3:NaNO3:LiNbO3)内1小时，混合溶体中的Li离子将重新取代波导表面的质子而进人波导表面，制备出波导层厚为8μm的反质子交换光波导；所述的波导层，该波导层可以增大异常光的折射率而减小寻常光的折射率，可以只允许一种光在波导中传输，让另一种光从波导中辐射掉，起到单偏振器的作用；
(4)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、显影后得到扇形光栅条纹；然后再在光刻胶上溅射一层导电铝层，在样品上形成了一准周期扇形金属栅格电极结构；
(5)室温电场下对晶片进行极化，在有电极的铁电畴区域，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，其电畴极化方向保持不变，形成铁电畴周期极化反转光栅。
本发明采用的是SHG+DFG效应，其原理是：采用1550nm波段的高功率激光(频率为Wp)作为初始泵浦光，将它和同波段的信号光(频率为Ws)同时注人到满足准相位匹配(Quasi-Phase-Matched，QPM)条件的PPLN波导中，传播过程中初始泵浦光产生高效率的倍频效应，产生足够强度的频率为Wh＝2Wp(波长为770nm波段)的倍频光场，该光场同时又与信号光场发生差频效应，从而产生频率为Wi＝2Wp-Ws的新光场(即转换光)。此过程同时包含倍频和差频两个过程，所以称为级联二阶非线性效应。由于不同波长的光场在波导内传播的相速度不同，因此要产生有效的二阶非线性效应，就必须使倍频和差频过程满足相位匹配条件。这里采用的PPLN光波导是利用QPM方法，沿光场传播方向对晶体的二阶非线性电极化率XNL 2进行周期性调制来补偿相位失配，使产生的新光场强度有效叠加。倍频和差频过程中的波矢失配量分别为：
ΔKH＝βH-2βP ΔKD＝βH-βS-βD
其中，βP、βS、βH、βD分别为泵浦光、信号光、倍频光和差频光的纵向传播常数，由于倍频过程中对于波矢失配量的要求较为严格，所以令ΔKH＝2π/Λ，使倍频过程满足精确相位匹配。其中，Λ为波导的准相位匹配周期。当倍频过程达到精确相位匹配时，差频过程仅仅在一个很小的范围内接近相位匹配，一般情况
ΔKD-2π/Λ≠0。
无论是差频过程，还是级联过程，其信号光的可调谐范围都有限，一般不会＞90nm，还不能满足实际应用的要求；并且由于退火质子交换光波导制作过程中交换温度、交换时间以及退火温度、退火时间具有不确定性，因此无法在实验前确定畴反转光栅的精确取值。对此Kintaka等人曾提出扇形光栅方案，使极化反转周期在一定范围内连续变化，光波导以一定间距相邻，以选择处于不同位置上的光波导，确定适合于基频光的相应的极化反转光栅周期，达到调谐的目的。
本方明利用掺杂镁的近化学剂量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)作材料，在室温下不存在光折变损伤问题，无需进行高温补偿，极大简化了系统，降低了成本；由于提高晶体的锂铌比和掺杂镁，都可以极大地降低晶体的矫顽场(通常是常用铌酸锂晶体的十分之一)，从而降低了极化脉冲电压，可以提高晶体的制作厚度，有利于光能量耦合进器件；采用反质子交换技术制作出PRE光波导，能有效降低波导损耗，提高非线性转换效率；利用扇形光栅结构，在同一晶片上可以获得多个周期连续变化的波导，极大地提高了器件的灵活性，使材料得到充分利用；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的多波长通道转换。
具体实施方式
实施例1：
本发明选择一种基于掺镁的近化学计量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)晶片；然后在晶片上制作质子交换光波导；完成质子交换过程后，对波导进行退火处理；退火后再在波导表面进行一次反质子交换，形成掩埋质子交换波导；然后在晶片上首先制作具有周期范围为17～19μm的扇形铁电畴周期反转结构，即对晶片进行室温电场极化，以实现晶片极化畴的周期性反转，从而得到性能稳定和低损耗的宽调谐范围的全光波长转换器。该波长转换器是一块具有铁电畴周期反转结构的单畴介电晶片，晶片上下表面平行。
实施例2：
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2％或3％的掺杂镁的近化学计量比([Li]∶[Nb]＝48.5∶51.5)铌酸锂(Mg:SLiNbO3)，沿该介电体Z方向切割，其厚度为0.5mm，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向沿晶体的自发极化方向；所述的切割，其厚度为0.2到1mm。
(2)在该晶片+Z表面制作退火质子交换光波导(APE)光波导。首先在LiNbO3晶片上淀积一层厚度适当的SiO2作为掩模；利用光刻技术蚀刻出其波导部分，其他的部分依然有掩模；清洗晶片；熔溶交换源(纯苯甲酸C6H5OOH)；把LiNbO3晶片装入夹具，预热；当交换源到达设定温度(121～250℃)，把夹具连同晶片一起放入交换源进行交换；按设定的时间(4～10h)交换后把夹具取出；清洗夹具并取出晶片；退火是把洗净的交换后的LiNbO3几晶片放入石英夹具上，推入石英管道进行高温加热(350℃)、并使之处在有氧的氛围中持续一定的时间(3～6h)，然后把夹具缓慢地拉出来。质子交换的温度变化控制在约为±0.5℃，退火的温度变化控制约在±1℃；
(3)在APE基础上制备反质子交换光波导(PRE)。将该波导浸没于浓度比为1∶1∶0.1的KNO3∶NaNO3∶LiNbO3混合溶体(300℃，0.5～3.5h)中，混合溶体中的Li离子将重新取代波导表面的质子而进人波导表面，这是一个Li+-H+的弱渗透过程，故波导就掩埋于表面之下。该波导的特性是能有效地减小了波导表面散射，降低波导传输损耗；模场分布较非掩埋波导对称性好，具有较高的光纤一光波导耦合效率；能使相互作用模式间的叠加积分增大，使非线性转换效率增高；
(4)制作扇形掩模板，该掩模板上最大周期为19μm，最小周期为17μm；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、显影后得到扇形光栅条纹；然后再在光刻胶上溅射一层厚为0.1μm的导电铝层，在样品上形成了一准周期扇形铝栅格电极结构(其他部分金属在光刻胶上，因而与铌酸锂+Z表面绝缘)；
(5)室温电场下对晶片进行极化。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，其电畴极化方向保持不变。极化过程中，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(Mg:SLiNbO3的矫顽场通常为4kv)；并且要防止高压击穿。所用外加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。
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，所加高压脉冲电场的峰值电压要大于对应于晶体厚度的矫顽场Vc＝4kV/mm
实施例3：本发明包括以下步骤：
(1)选取厚度为0.5mm，长为20mm，宽为5mm的掺杂摩尔比为2％的掺镁铌酸锂晶片，沿Z表面切割，抛光±Z表面；所述的切割，其厚度为0.2到1mm。
(2)在+Z面利用反质子交换技术制作一系列宽度为6μm的波导；所述的反质子交换技术，是在200℃的温度下把刻有6μm波导掩模开口的LiNbO3晶片放入交换源(纯苯甲酸C6H5OOH)中交换；4到10个小时后将晶片取出，送入石英管道，提高管道内温度至350℃，通入氧气，使晶体退火；退火后将晶体从管道内缓慢拉出，然后放入反质子交换(KNO3:NaNO3:LiNbO3)内1小时，混合溶体中的Li离子将重新取代波导表面的质子而进人波导表面，制备出波导层深度为8μm的光波导。所述的波导层，该波导层可以增大异常光的折射率而减小寻常光的折射率，可以只允许一种光在波导中传输，让另一种光从波导中辐射掉，起到单偏振器的作用。
(3)在波导层+Z表面用光刻技术制作金属栅格电极，扇面最大周期处为19μm，最小周期处为17μm，所述的金属栅格电极呈扇形结构，扇形顶端周期为19μm，扇形底部周期为17μm，从上到下可以获得多个连续的波导，对应不同的准相位匹配周期，虽然光栅周期彼此不同，但是沿着整个扇形光栅结构周期连续变化，每个波导所对应光栅周期的占空比近似为1∶1。
(4)将镀铝晶片连上电极放入绝缘胶进行极化。所用外电场为脉冲高压电场，由于掺镁近化学剂量比铌酸锂晶体的矫顽场为4.5kv/mm，所以施加在厚度为0.5mm的掺镁铌酸粒晶片上的脉冲峰值电压要大于2.25kv，脉冲周期的长短与次数与电极的实际表面积有关，可通过公式得到。一中心波长为λ0＝1.55μm为例，理论上可得出，在40℃下掺镁3％的近化学计量比铌酸锂晶体的畴反转光栅周期Λ＝18.3μm。
Claims (7)
1.一种高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，其特征在于：选择一种基于掺镁近化学计量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)的掺镁近化学计量比铌酸锂晶片，在掺镁近化学计量比铌酸锂晶片上制作反质子交换光波导PRE；在室温下实现掺镁近化学计量比铌酸锂晶片极化畴反转，在掺镁近化学计量比铌酸锂晶片上获得周期范围为17-19μm的扇形微结构，从而得到性能稳定和低损耗的宽调谐范围的全光波长转换器；
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，并且是掺镁近化学计量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)，沿该介电体Z方向切割，上下表面的法线方向沿所述晶体的自发极化方向得到掺镁近化学计量比铌酸锂晶片；
(2)在掺镁近化学计量比铌酸锂晶片+Z表面制作一系列宽度为6μm的退火质子交换光波导(APE)，在200℃左右的温度下把掺镁近化学计量比铌酸锂晶片放入纯苯甲酸C6H5OOH交换源中4到10个小时；然后把掺镁近化学计量比铌酸锂晶片取出，洗净后推入石英管道进行退火处理；
(3)退火后将掺镁近化学计量比铌酸锂晶片从管道内缓慢拉出，然后放入KNO3:NaNO3:LiNbO3反质子交换混和溶体源内反质子交换1小时，混合溶体中的Li离子将重新取代波导表面的质子而进入波导表面，制备出波导层厚为8μm的反质子交换光波导；
(4)然后用光刻技术，即首先在双面抛光掺镁近化学计量比铌酸锂晶片+Z表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影后得到扇形光栅条纹；然后再在光刻胶上溅射一层导电铝层，在样品上形成了一准周期扇形金属栅格电极结构；
(5)室温电场下对掺镁近化学计量比铌酸锂晶片进行极化，在有电极的铁电畴区域，利用高压电场克服掺镁近化学计量比铌酸锂晶片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，其电畴极化方向保持不变，形成铁电畴周期极化反转光栅。
2.根据权利要求1所述的高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，其特征是：所述的近化学计量比掺杂镁的铌酸锂，其锂铌比为48.5∶51.5，掺杂镁的摩尔比为2％或3％。
3.根据权利要求2所述的高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，其特征是，所述的切割掺镁近化学计量比铌酸锂晶片厚度为0.2到1mm。
4.根据权利要求1所述的高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，其特征是：
(1)选取掺镁近化学计量比铌酸锂(Mg:SLiNbO3)晶体，沿Z方向切割，抛光±Z表面，得到掺镁近化学计量比铌酸锂晶片；
(2)在+Z表面利用反质子交换技术制作波导；所述的反质子交换技术，是在200℃的温度下把刻有6μm波导掩模开口的掺镁近化学计量比铌酸锂晶片放入纯苯甲酸C6H5OOH交换源中交换；4到10个小时后将掺镁近化学计量比铌酸锂晶片取出，送入石英管道，提高管道内温度至350℃，通入氧气，使掺镁近化学计量比铌酸锂晶片退火；退火后将掺镁近化学计量比铌酸锂晶片从管道内缓慢拉出，然后放入KNO3:NaNO3:LiNbO3反质子交换混和溶体源内1小时，混合溶体中的Li离子将重新取代波导表面的质子而进入波导表面，故制备出波导层厚为8μm的光波导；
(3)在+Z表面利用光刻技术制作扇形金属铝栅格图形电极，扇形上各波导对应的反转畴光栅占空比近似为1∶1；
(4)将光刻好的掺镁近化学计量比铌酸锂晶片连上电极放入绝缘胶进行极化；采用外加电场极化技术制备出铁电畴周期反转光栅。
5.根据权利要求2所述的高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，其特征是：所述的波导层，该波导层增大异常光的折射率而减小寻常光的折射率，只允许一种光在波导中传输，让另一种光从波导中辐射掉，起到单偏振器的作用。
6.根据权利要求2所述的高抗光损伤的宽带可调谐全光波长转换器的制作方法，其特征是：所述的金属栅格电极呈扇形结构，扇形顶端周期为19μm，扇形底部周期为17μm，从上到下获得多个连续的波导，对应不同的准相位匹配周期，虽然光栅周期彼此不同，但是沿着整个扇形光栅结构周期连续变化，每个波导所对应光栅周期的占空比近似为1∶1。
7.根据权利要求2所述的高抗光损伤的宽带可调谐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掺镁近化学计量比铌酸锂晶片内部的矫顽场，是指用高压矩形电脉冲正向施加于两电极间，所加高压脉冲电场的峰值电压要大于对应于掺镁近化学计量比铌酸锂晶片厚度的矫顽场，该矫顽场为Vc＝4kV/mm。
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