CN101661133A - 一种光波导及其制备方法和一种波长转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光波导及其制备方法和一种波长转换器，所述光波导的横截面为“凸”字形；啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层在所述光波导的上层，通过中间含Si成分的薄膜与下层衬底键合。本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种光波导及其制备方法和一种波长转换器。
背景技术
在密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength-Division Multiplexing)波长路由网络中，全光波长转换技术可以实现波长的再利用，降低网络的阻塞率，分散网络的管理，提高网络的灵活性、可靠性以及可扩充性。全光波长转换成为下一代高速大容量光通信网络中实现波长路由、信号再生以及信号处理的关键基础性功能，具有极为广阔的应用前景。目前常用的全光波长转换技术主要包括：交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)、非线性光学环形腔(NOLM)、激光器增益饱和效应、四波混频(FWM)、二阶非线性效应等。在这些方案中，基于周期极化反转铌酸锂(PPLN)光波导二阶非线性效应的波长转换技术以其独到的优势，如飞秒(fs)量级的非线性作用响应速度、严格意义上的对信号光速率和调制形式完全透明，独特的多波长同时转换能力、转换过程噪声指数极低等，近年来受到越来越多国内外研究者的重视。
目前为止，制备LiNbO3(铌酸锂)光波导的技术主要有Ti扩散法、退火质子交换法(APE)和液相外延薄膜法(LPE)，但是这三种制备工艺对于实现抗光折变效应、降低偏振相关性以及高转换效率的PPLN光波导来说都还存在着一些缺陷。对于Ti扩散法制备LiNbO3光波导而言，尽管能够获得低损耗的光波导，但由于弱的光场限制和可见光范围内的光致折变效应影响，其波长转换效率较低。APE法制备的光波导与Ti扩散法相比具有波导制作温度低，形成波导速度快，抗光折变能力比Ti扩散波导至少强四个量级等优点，但是它也有一些缺点：首先利用APE方法制备的LiNbO3光波导，弱小的光折变效应仍会引起准相位匹配条件的偏离，即使采用Mg或Zn掺杂的LiNbO3光波导，还是需要高的工作温度来抑制光致折变效应的产生；其次，由于质子在波导内的移动，必须使用低温工作的掺杂的LiNbO3晶体的衬底，当工作温度升高时，让质子扩散到衬底中；最后，退火质子交换后的光波导其电光效应和二阶非线性效应与大体积LiNbO3晶体相比降低很多，而且对于Z-切的LiNbO3晶体而言，APE法制备的光波导只是提高了异常光的折射率，而寻常光的折射率反而略有降低，因此，APE法制备的Z-切光波导只能传输TM模式的光，即APE法制备的光波导本身为偏振相关性的波导。LPE法制备的光波导，能够同时提高异常光和寻常光的折射率，即能够同时存在TE模和TM模，但是它也存在一些问题：首先生长一块制作波导层的厚度超过5um的薄膜非常困难，而且由于生长速度和薄膜生长过程中的缺陷会导致生长出来的薄膜质量不好，其次厚度小于5um的薄膜制成的光波导与光纤耦和的效率低。
因此，用现有制备工艺制备的LiNbO3光波导的转换效率低、抗光折变性较差、偏振敏感性以及泵浦带宽太窄，导致LiNbO3的全光波长转换器无法满足光通信系统实际应用。世界各地的研究者用各种办法来解决这些问题，如改善波导结构、改善波导制作方法、加入掺杂增加等，但都未得到令人十分满意的实验结果。
作为一例子，现有技术使用5-mol％ZnO掺杂的LN作为波导层，5mol％MgO掺杂的LN作为衬底，采用直接键合工艺完成波导层与衬底的结合，并做成波导层厚6.2um、宽10um、长50mm、极化周期为18um的波导结构。在此波导结构中，一方面利用Zn:LiNbO3很好地抑制光致折变效应，一方面利用波导层与衬底的折射率差，实现对光波导内传输的光信号的抑制作用；另一方面此方法制得的波导结构能同时传输TE和TM模，在此基础上可以解决偏振相关的问题。
在实施本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有技术方案制备的LiNbO3光波导泵浦响应带宽窄，仅为0.15nm，不能够实现对泵浦光的可调谐；波导层与衬底的折射率相差较小，仅为0.0042，不能很好地抑制光信号在光波导中的传输；掺锌铌酸锂晶体在高强激光照射下，光通过的地方会变为暗棕色，形成覆盖可见光区域的宽吸收带，导致晶体在倍频效应时对倍频光吸收增强，极大降低了转换效率。
发明内容
本发明实施例提供一种光波导及其制备方法和一种波长转换器，以实现改善现有PPLN光波导性能上存在的不足，提供一种新颖的的PPLN光波导及其制备工艺。
本发明实施例提供一种光波导，所述光波导的横截面为“凸”字形；啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层在所述光波导的上层，通过中间含Si成分的薄膜与下层衬底键合。
本发明实施例提供一种光波导的制备方法，包括：
制备近化学计量比掺杂铌酸锂晶体作为波导层；
对所述波导层进行啁啾周期极化处理；
在所述啁啾周期极化后的波导层和衬底层镀二氧化硅薄膜；
直接键合所述镀膜后的波导层和衬底层制成光波导。
本发明实施例提供一种波长转换器，包括：泵浦光源、信号光源、耦合器以及光波导；
其中，所述光波导的横截面为“凸”字形；啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层在所述光波导的上层，通过中间的薄膜与下层衬底键合。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：
本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光波导的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光波导制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的光波导制备方法的再一流程示意图；
图4为本发明实施例提供的光波导制备方法的再一流程示意图；
图5为本发明实施例提供的光波导制备方法的再一流程示意图；
图6为本发明实施例提供的光波导制备方法的再一流程示意图；
图7为本发明实施例提供的波长转换器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行介绍。
本发明实施例提供一种光波导，如图1所示，该光波导包括一啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层110，一含Si成分的薄膜120以及一衬底130；光波导的横截面为“凸”字形；近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层110在光波导的上层，通过中间的薄膜120与下层衬底130键合。
近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层110的晶体极性周期化改变，且极化周期线性增大，形成啁啾周期光栅结构111；该波导层110的截面呈长方形或正方形。薄膜120的材料至少包括Si、SiO2。
近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层110利用气相输运平衡法制备，晶体中[Li]/[Nb]含量比近似为1∶1，通过少量掺杂提高晶体性能：在高强激光照射下的光致吸收作用减弱，电光系数和非线性系数比同成分晶体提高30％左右，提高了高强激光的利用率，从而提高了转换效率；抗光折变性能比同成分铌酸锂晶体高四个数量级；畴极化反转电压下降，同成分铌酸锂晶体的畴反转电场为21kv/mm，而1.5％MgO近化学计量比铌酸锂的畴反转电场为3.5kv/mm，更容易实现较厚样品的极化反转。
通过在波导层和衬底层上各镀上一层薄膜120，例如SiO2薄膜或者Si薄膜，直接键合得到薄膜120。该薄膜120提高了衬底与波导层的折射率差，未镀膜时波导层与衬底的折射率差仅为0.0042，从而将光更好的限制在波导层中进行传输，提高了光的利用效率，从而提高了转换效率。
衬底130可以选择多种材料，例如铌酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体、钽酸锂等。
光波导的“凸”字形结构利用钻石轮划片精加工得到。“凸”字形结构能够同时传输TE、TM模式，在此基础上可以实现偏振无关的波长转换器。加工中使用超精度金刚刀，因此加工后的波导表面平坦光滑，加工过程无需化学刻蚀和打磨。
本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
本发明实施例提供一种光波导的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤s201，制备近化学计量比掺杂铌酸锂晶体作为波导层；
步骤s202，对波导层进行啁啾周期极化处理；
步骤s203，在啁啾周期极化后的波导层和衬底层镀膜；
步骤s204，直接键合镀膜后的波导层和衬底层制成光波导。
本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
本发明实施例提供一种光波导的制备方法，如图3所示，该光波导为PPLN光波导。其中，波导层为近化学计量比的掺杂铌酸锂晶体，以Zn:SLN为例；衬底为另一掺杂铌酸锂晶体，以Mg:CLN为例；波导层和衬底层的一面分别镀一层薄膜，以二氧化硅(SiO2)薄膜为例。
首先利用气相输运平衡法分别制备近化学计量比掺杂铌酸锂晶体作为波导层，利用Czochralski提拉法制备另一掺杂铌酸锂晶体衬底层，然后在室温下使用外加电场极化法对波导层进行啁啾周期极化，以实现晶体极化畴的周期性反转和啁啾匹配栅的制备；之后用等离子体化学气相沉积法在波导层和衬底层上镀一层折射率介于波导层和衬底层之间的薄膜，最后将镀膜的波导层面与衬底层面直接键合，碾磨，用钻石轮划机精加工成波导结构。
具体制备工艺流程包括：
步骤s301，制备近化学计量比的Zn:SLN晶体。
分别称取计量组成金属元素的Li2CO3、Nb2O5及ZnO，并使Li2CO3和Nb2O5的配料比为50∶46，ZnO含量为2mol％，在混料机上充分混合24小时，在800～950℃恒温2个小时，使Li2CO3充分分解，在1100℃锻烧2个小时成铌酸锂粉料，将粉料压实，放入白金坩锅内，用中频炉加热，用Czochralski提拉法按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长掺锌铌酸锂晶体，拉速0.01～5mm，转速15～30rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度1.5℃/mm，熔体上方温度梯度为1℃/mm，生长后的晶体在1200℃单畴化，退火，经定向，切割，抛磨等工序得到近化学计量比掺锌铌酸锂晶体。将近化学计量比掺锌铌酸锂晶体沿Z向切割成厚度为1～3mm的晶片，然后再对晶片抛磨。称取计量组成的Li2CO3，Nb2O5，在150℃下恒温2小时后将粉料烘干，然后在粉料机上充分混合24小时，将粉料压实后，放置在白金坩锅内，在1050℃锻烧2小时成富锂铌酸锂源坩锅，将开始制成的近化学计量比掺锌铌酸锂晶体分别垂直悬挂在源坩锅上方，用白金盖将坩锅密闭，放入到中频炉加热进行气相平衡扩散运输，升温梯度为10℃/min，在1100℃恒温120～360小时，然后自然冷却到室温，对气相平衡扩散输运后的晶片进行抛磨光学加工，即可得到近化学计量比掺锌铌酸锂晶体，本实施例中采用直径3英寸、500um厚的近化学计量比掺锌铌酸锂晶体。
步骤s302，制备Mg:CLN晶体。
分别称取计量组成金属元素的Li2CO3、Nb2O5及MgO，使Li2CO3和Nb2O5的配料比为47.2：52.8，MgO含量为5mol％，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃下恒温2小时，使其充分分解，在1100℃锻烧2个小时成铌酸锂粉料，将粉料压实，放入白金坩锅内，用中频炉加热，用Czochralski提拉法按拉脖、放肩、等径、收尾等过程生长掺镁铌酸锂晶体，拉速0.01～5mm，转速15～30rpm，气液温差15～25℃，熔体内温度梯度1.5℃/mm，熔体上方温度梯度为1℃/mm，生长后的晶体在1200℃单畴化，退火，经定向，切割，抛磨等工序得到掺镁铌酸锂晶体，本实施例中采用的掺镁铌酸锂晶体尺寸为直径3英寸、厚500um。
步骤s303，预处理Zn:SLN晶体。
线性啁啾光栅中间位置的周期，即平均周期，是用近化学计量比掺锌铌酸锂不同波长折射率代入公式Λ0＝1/(np/λp-ni/λi-ns/λs)中得到。其中假设泵浦光波长λp＝775nm，信号光波长λs＝1545nm，而近化学计量比的掺锌铌酸锂晶体的折射率分别为np＝2.2632，ns＝2.2132，ni＝2.2133，从而得到平均周期为15.52um，再根据Λ＝Λ0(1+c1z)，选取合适的线性啁啾系数，设计啁啾周期极化光栅结构。
根据预先设计的光栅结构对Zn:SLN晶体加电极，具体包括：对Zn:SLN晶体±Z面进行光学抛磨，然后进行光刻，在+Z面表面涂覆一层厚1.2um左右的光刻胶，根据掩膜版结构经前烘，曝光，显影，坚膜后，用氢氟酸缓冲剂，将无光刻胶膜覆盖的氧化层腐蚀掉，而把有光刻胶覆盖的氧化层保存下来，这样便在基片表面得到了所需要的线性啁啾光栅图形；根据得到的线性啁啾光栅图形，在晶体+Z面光刻胶上溅射一层厚度为250nm的周期金属Al电极线条，并在晶体的-Z面溅射均匀Al膜电极。
步骤s304，电场极化Zn:SLN晶体得到啁啾周期极化的波导层。
室温电场极化过程，将晶体的±Z面与NaCl液体电极相连，接到高压脉冲极化电源，其中高压极化电场脉冲电压为三次触发，首先施加于远大于晶体矫顽场(2.5KV/mm)的瞬时电压8KV/mm，接着使用略超过晶体矫顽场的外加电场3KV/mm，脉冲宽度为ms量级，实现畴的反转，最后施加略低于晶体矫顽场的稳定电场2KV/mm，脉宽30ms，将极化阶段产生的电畴结构冻结，形成稳定的电畴结构。最后关掉电源，完成周期极化过程。
将极化后的晶片浸入到丙酮溶液中去掉光刻胶，再浸入NaOH溶液中去铝电极，最后，经温度为100℃的HNO3和HF(2∶1)的混合液腐蚀清洗，得到啁啾周期极化的近化学计量比的掺锌铌酸锂晶体。
步骤s305，利用等离子体化学气相沉积法在波导层和衬底层镀二氧化硅薄膜。
用等离子体化学气相沉积法(PCVD)在啁啾周期极化的近化学计量比掺锌铌酸锂波导层的一面和掺镁铌酸锂晶体衬底层的一面各镀一层厚度为0.25um厚的二氧化硅薄膜。
步骤s306，直接键合镀膜后的波导层和衬底层；
将啁啾周期极化的近化学计量比的掺锌铌酸锂晶体和掺镁铌酸锂晶体分别作为波导层和衬底，先将其经过适当的表面清洗，在将其在亲水溶液(NH4OH-H2O2-H2O(1∶1∶6))中浸泡10分钟使其表面都吸附了足够多的OH-根离子，再用等离子水清洗。室温下将波导层镀SiO2膜的面与衬底镀SiO2膜的面贴合在一起，使两晶体在室温下依靠短程分子间作用力吸合在一起，将贴和好的铌酸锂晶体在O2或N2环境下进行1个小时的500℃的高温处理，使其完全键合为一个整体。
步骤s307，研磨抛光波导层；
对上述键合后的波导层进行碾磨抛光，使波导层的厚度为8um。
步骤s308，切割研磨抛光后的波导层和衬底层成光波导；
利用钻石轮划片切割上述键合、研磨后的整体成波导结构，此处切割深度为80um，从而得到宽度为8um厚度为6um的波导结构。
本实施例中制备的光波导的厚度可以随实际使用情况的不同发生变化。
本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
本发明的实施例还提供一种光波导的制备方法，如图4所示，波导层为近化学计量比的掺杂铌酸锂晶体，以Zn:SLN为例；衬底为另一掺杂铌酸锂晶体，以Mg:CLN为例；波导层和衬底层的一面分别镀一层薄膜，以二氧化硅(SiO2)薄膜为例。
首先分别制备波导层和衬底层，然后在波导层和衬底层镀二氧化硅薄膜，最后利用直接键合工艺制备波导结构。
具体包括以下步骤：
步骤s410，制备镀膜的波导层和衬底层；
利用上述实施例中步骤s201、s203及s204的方法制备得到近化学计量比的Zn:SLN晶体。
利用上述实施例中步骤s202的方法制备得到Mg:CLN晶体。
用等离子体化学气相沉积法(PCVD)在近化学计量比的Zn:SLN晶体的一面和Mg:CLN晶体的一面各镀一层厚度为0.25um厚的二氧化硅薄膜。
波导层、衬底层的制备以及为波导层、衬底层镀膜并无严格的前后顺序，能够得到镀膜的波导层和衬底层即可。
步骤s420，利用直接键合工艺制备波导结构；
将啁啾周期极化的近化学计量比的掺锌铌酸锂晶体和掺镁铌酸锂晶体分别作为波导层和衬底，先将其经过适当的表面清洗，在将其在亲水溶液(NH4OH-H2O2-H2O(1∶1∶6))中浸泡10分钟使其表面都吸附了足够多的OH-根离子，再用等离子水清洗。室温下将波导层镀SiO2膜的面与衬底镀SiO2膜的面贴合在一起，使两晶体在室温下依靠短程分子间作用力吸合在一起，将贴和好的铌酸锂晶体在O2或N2环境下进行1个小时的500℃的高温处理，使其完全键合为一个整体。再对波导层进行碾磨抛光，使波导层的厚度为8um，最后利用钻石轮划片切割成波导结构，此处切割深度为80um，从而得到宽度为8um厚度为6um的波导结构。
本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
本发明实施例还提供一种光波导的制备方法，如图5所示，该光波导为PPLN光波导。其中，波导层为近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体(Mg:SLN)，衬底为铌酸锂晶体(CLN)，波导层和衬底层的一面上分别镀一层薄膜，以二氧化硅(SiO2)薄膜为例。具体工艺步骤如下：
步骤s501，制备近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体(Mg:SLN)。
分别称取计量组成金属元素的Li2CO3，Nb2O5及MgO，并使Li2CO3/Nb2O5的配料比为50∶46，MgO含量为1mol％，在混料机上充分混合24小时，在800～950℃恒温2个小时，使Li2CO3充分分解，在1100℃锻烧2个小时成铌酸锂粉料，将粉料压实，放入白金坩锅内，用中频炉加热，用Czochralski提拉法按拉脖，放肩，等径，收尾等过程生长掺锌铌酸锂晶体，拉速0.01～5mm，转速15～30rpm，气液温差20℃，熔体内温度梯度1.5℃/mm，熔体上方温度梯度为1℃/mm，生长后的晶体在1200℃单畴化，退火，经定向，切割，抛磨等工序得到近化学计量比掺镁铌酸锂晶体。将近化学计量比掺镁铌酸锂晶体分别沿Z向切割成厚度为1～3mm的晶片，然后再对晶片抛磨。称取计量组成的Li2CO3，Nb2O5，在150℃下恒温2小时后将粉料烘干，然后在粉料机上充分混合24小时，将粉料压实后，放置在白金坩锅内，在1050℃锻烧2小时成富锂铌酸锂源坩锅，将开始制成的晶体分别垂直悬挂在源坩锅上方，用白金盖将坩锅密闭，放入到中频炉加热进行气相平衡扩散运输，升温梯度为10℃/min，在1100℃恒温120～360小时，然后自然冷却到室温，对气相平衡扩散输运后的晶片进行抛磨光学加工，即可得到近化学计量比掺镁铌酸锂晶体，本实施例中采用3英寸，500um厚的近化学计量比掺镁铌酸锂晶体。
步骤s502，制备铌酸锂晶体(LN)。
分别称取计量组成金属元素的Li2CO3，Nb2O5，使Li2CO3/Nb2O5的配料比为47.2/52.8，在150℃下恒温2小时将粉料烘干，然后在混料机上充分混合24小时，在850℃下恒温2小时，使其充分分解，在1100℃锻烧2个小时成铌酸锂粉料，将粉料压实，放入白金坩锅内，用中频炉加热，用Czochralski提拉法按拉脖，放肩，等径，收尾等过程生长铌酸锂晶体，拉速0.01～5mm，转速15～30rpm，气液温差15～25℃，熔体内温度梯度1.5℃/mm，熔体上方温度梯度为1℃/mm，生长后的晶体在1200℃单畴化，退火，经定向，切割，抛磨等工序得到铌酸锂晶体，本实施例中采用3英寸，500um厚的铌酸锂晶体。
步骤s503，预处理Mg:SLN晶体。
线性啁啾光栅中间位置的周期(平均周期)是用近化学计量比掺镁铌酸锂不同波长折射率带入公式Λ0＝1/(np/λp-ni/λi-ns/λs)中得到。其中假设泵浦光波长λp＝775nm，信号光波长λs＝1545nm，而近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体的折射率分别为np＝2.2622，ns＝2.2123，ni＝2.2124，从而得到平均周期为15.55um，再根据Λ＝Λ0(1+c1z)，选取合适的线性啁啾系数，设计啁啾周期极化光栅结构。
根据预先设计的光栅结构对Mg:SLN晶体加电极，具体包括：对Mg:SLN晶体±Z面进行光学抛磨，然后进行光刻，在+Z面表面涂覆一层厚1.2um左右的光刻胶，根据掩膜版结构进行经前烘，曝光，显影，坚膜后，用氢氟酸缓冲剂，将无光刻胶膜覆盖的氧化层腐蚀掉，而把有光刻胶覆盖的氧化层保存下来，这样便在基片表面得到了所需要的线性啁啾光栅图形；根据得到的线性啁啾光栅图形，在晶体+Z面光刻胶上溅射一层厚度为250nm的周期金属Al电极线条，并在晶体的-Z面溅射均匀Al膜电极。
步骤s504，电场极化Mg:SLN晶体得到啁啾周期极化的波导层。
室温电场极化过程，将晶体的±Z面与NaCl液体电极相连，接到高压脉冲极化电源，其中高压极化电场脉冲电压为三次触发，首先施加于远大于晶体矫顽场(4.5KV/mm)的瞬时电压8KV/mm，接着使用略超过晶体矫顽场的外加电场5KV/mm，脉冲宽度为ms量级，实现畴的反转，最后施加略低于晶体矫顽场的稳定电场4KV/mm，脉宽30ms，将极化阶段产生的电畴结构冻结，形成稳定的电畴结构。最后关掉电源，完成周期极化过程。
将极化后的晶片浸入到丙酮溶液中去掉光刻胶，再浸入NaOH溶液中去铝电极，最后，经温度为100℃的HNO3和HF(2∶1)的混合液腐蚀清洗，得到啁啾周期极化的近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体。
步骤s505，利用等离子体化学气相沉积法在波导层和衬底层镀二氧化硅薄膜。
用等离子体化学气相沉积法(PCVD)在啁啾周期极化的近化学计量比掺镁铌酸锂波导层的一面和铌酸锂晶体衬底层的一面各镀一层厚度为0.25um厚的二氧化硅薄膜。
步骤s506，直接键合镀膜后的波导层和衬底层；
将啁啾周期极化的近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体和铌酸锂晶体分别作为波导层和衬底层，先将其经过适当的表面清洗，在将其在亲水溶液(NH4OH-H2O2-H2O(1∶1∶6))中浸泡10分钟使其表面都吸附了足够多的OH-根离子，再用等离子水清洗。室温下将波导层镀SiO2膜的面与衬底镀SiO2膜的面贴合在一起，使两晶体在室温下依靠短程分子间作用力吸合在一起。将贴合好的铌酸锂晶体在O2或N2环境下进行1个小时的500℃的高温处理，使其完全键合为一个整体。
步骤s507，研磨抛光波导层；
对上述键合后的波导层进行碾磨抛光，使波导层的厚度为8um。
步骤s508，切割研磨抛光后的波导层和衬底层成光波导；
利用钻石轮划片切割上述键合、研磨后的整体成波导结构，此处切割深度为80um，从而得到宽度为8um厚度为6um的波导结构。
本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
本发明的实施例还提供一种光波导的制备方法，如图6所示，波导层为近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体(Mg:SLN)，衬底为铌酸锂晶体(CLN)，波导层和衬底层的一面上分别镀一层薄膜，以二氧化硅(SiO2)薄膜为例。
首先分别制备波导层和衬底层，然后在波导层和衬底层镀二氧化硅薄膜，最后利用直接键合工艺制备波导结构。
具体包括以下步骤：
步骤s610，制备镀膜的波导层和衬底层；
利用上述实施例中步骤s401、s403及s404的方法制备得到近化学计量比的Mg:SLN晶体。
利用上述实施例中步骤s402的方法制备得到CLN晶体。
用等离子体化学气相沉积法(PCVD)在近化学计量比的Mg:SLN晶体的一面和CLN晶体的一面各镀一层厚度为0.25um厚的二氧化硅薄膜。
波导层、衬底层的制备以及为波导层、衬底层镀膜并无严格的前后顺序，能够得到镀膜的波导层和衬底层即可。
步骤s620，利用直接键合工艺制备波导结构；
将啁啾周期极化的近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体和铌酸锂晶体分别作为波导层和衬底层，先将其经过适当的表面清洗，在将其在亲水溶液(NH4OH-H2O2-H2O(1∶1∶6))中浸泡10分钟使其表面都吸附了足够多的OH-根离子，再用等离子水清洗。室温下将波导层镀SiO2膜的面与衬底镀SiO2膜的面贴合在一起，使两晶体在室温下依靠短程分子间作用力吸合在一起。将贴合好的铌酸锂晶体在O2或N2环境下进行1个小时的500℃的高温处理，使其完全键合为一个整体。再对波导层进行碾磨抛光，使波导层的厚度为8um，最后利用钻石轮划机切割成波导结构，此处切割深度为80um，从而得到宽度为8um厚度为6um的波导结构。
上述实施例中的化学计量比仅为本发明实施例中较佳配比方案，并不限定本发明的保护范围，根据需要可以对上述计量比进行适当调整，以扩大本发明的使用范围。
本发明实施例通过镀膜提高了衬底与波导层的折射率差，抑制了光信号在光波导中的传输，提高了转换效率；通过啁啾周期极化的光栅结构拓宽了泵浦带宽；通过采用近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层，降低高强激光照射下的光致吸收作用，提高了转换效率。
本发明实施例还提供一种波长转换器，如图7所示，包括：泵浦光源710、信号光源720、耦合器730以及光波导740，还可以包括窄带可调谐滤波器750及光谱分析仪760。
其中，光波导740的横截面为“凸”字形；啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层在光波导740的上层，通过中间的薄膜与下层衬底键合。
泵浦光源710发出泵浦光经光纤传输到窄带可调谐滤波器750后与信号光源720发出的信号光在耦合器730中耦合，再经过光波导740中的差频非线性相互作用产生转换光，实现波长转换功能，转换光可以由光谱分析仪760进行探测。
本发明实施例通过采用啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体作为光波导的波导层，采用镀膜、以及横截面为“凸”字形的光波导结构提高了波长转换器对光信号的利用效率，提高了波长转换效率。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种光波导，其特征在于，所述光波导的横截面为“凸”字形；啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层在所述光波导的上层，通过中间含Si成分的薄膜与下层衬底键合。
2、如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述啁啾周期线性增大。
3、如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层至少包括掺锌铌酸锂晶体或掺镁铌酸锂晶体，其中[Li]/[Nb]含量比近似为1∶1，所述近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层的截面为长方形或正方形。
4、如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述含Si成分的薄膜至少包括Si薄膜或SiO2薄膜。
5、如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述衬底至少包括含铌酸锂成分的晶体。
6、一种光波导的制备方法，其特征在于，包括：
制备近化学计量比掺杂铌酸锂晶体作为波导层；
对所述波导层进行啁啾周期极化处理；
在所述啁啾周期极化后的波导层和衬底层镀膜；
键合所述镀膜后的波导层和衬底层制成光波导。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述波导层进行啁啾周期极化处理之前还包括：
产生所述波导层的啁啾周期极化光栅结构。
8、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在啁啾周期极化后的波导层和衬底层镀膜之前还包括：
制备所述衬底层，所述衬底层至少包括含铌酸锂成分的晶体。
9、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述直接键合所述镀膜后的波导层和衬底层制成波导结构包括：
直接键合所述镀膜后的波导层和衬底层；
研磨抛光所述键合后的波导层；
切割所述研磨抛光后的波导层和衬底层成光波导。
10、一种波长转换器，其特征在于，包括：泵浦光源、信号光源、耦合器以及光波导；
其中，所述光波导的横截面为“凸”字形；啁啾周期极化的近化学计量比掺杂铌酸锂晶体波导层在所述光波导的上层，通过中间的薄膜与下层衬底键合。
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