CN101957474A - 在周期极化近化学剂量比铌酸锂上制备平面和条形波导的方法 - Google Patents

Abstract

在周期极化近化学剂量比铌酸锂晶体上制作平面和条形光波导的方法，属于非线性光学晶体材料技术领域。制备方法如下：将已实现铁电畴周期极化的z切的铌酸锂晶体切割成尺寸为10mm×10mm×1mm的样品，对表面及相对两个端面光学抛光；用酒精和丙酮清洗样品，在样品上甩涂BP218光刻胶，掩模板曝光，然后显影、坚膜，形成光刻胶的条形掩模；将样品放在加速器靶室中，抽真空至10^-4帕量级，进行轻离子或重离子注入；清洗光刻胶掩模，得到条形光波导；对样品光学抛光、清洗后直接进行离子注入，即得到平面光波导。

Description

在周期极化近化学剂量比铌酸锂上制备平面和条形波导的方法

技术领域

本发明涉及一种在周期极化近化学剂量比铌酸锂晶体上制作平面和条形光波导的方法，属于非线性光学晶体材料技术领域。

背景技术

铌酸锂(LiNbO₃，简写LN)是一种集电光、声光、非线性、光折变及激光效应于一身的多功能光学晶体。

铌酸锂晶体是铁电体。将之周期极化，用准相位匹配(QPM)的方法可实现高效的倍频效应。其关键是要在晶体中实现高质量的铁电畴周期极化结构(附图1)。1993年，M.Yamada等人首次报道了采用外加电场极化法制得周期极化铌酸锂。其优点是：极化深度大、极化周期短、重复性好，工艺简单。故此方法一经出现便广为普及。但是同成分铌酸锂([Li]/[Nb]＝48.5∶51.5)的矫顽场在20kV/mm之上，这么高的电场往往会将晶体击穿。

与之相比，近化学剂量比铌酸锂(SLN，[Li]/[Nb]≈1)晶体的矫顽场可小1到2个数量级，大大降低了极化难度。另外，其电光系数和非线性光学系数分别增大了30％和27％；掺入少量MgO后，抗光折变损伤能力可提高4个数量级。其优异的物理性能使近化学剂量比铌酸锂晶体成为国际上竞相追逐的光电材料。

在电介质上形成的光波导可以将光约束在微米级的范围内。因而很小的功率就能在波导中实现很大的能量密度。这使得在波导材料中非线性效应可以得到充分的发挥。于是将周期极化技术和波导技术结合起来可更好的实现小型化激光非线性效应器件。

在铌酸锂晶体上制备波导的方法主要有高温扩散、离子交换和离子注入。高温扩散和离子交换都会影响到波导区的非线性光学性质。而离子注入基本不改变晶体在波导层的光电特性。此外离子注入还有适应材料广，注入剂量和深度可精确控制以及在室温下进行等优点。注入离子可以是氢离子(H⁺)、氦离子(He⁺)等轻离子。这样，在离子射程末端形成折射率降低的损伤层，在空气和损伤层之间形成位垒型波导层。注入离子也可以是氧离子(O⁺)、铜离子(Cu⁺)等重离子，其造成的损伤使得注入区的异常光折射率增加，形成折射率增加型光波导。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种在周期极化近化学剂量比铌酸锂晶体上制作平面和条形光波导的方法。

在周期极化近化学剂量比铌酸锂晶体上制作平面和条形光波导的方法为：

1)将已实现铁电畴周期极化的z切的近化学剂量比铌酸锂晶体切割成尺寸为10mm×10mm×1mm的样品，将样品表面及样品相对两个端面光学抛光，先后用酒精和丙酮清洗样品；

2)在样品上甩涂BP218光刻胶，用周期50微米，条宽5到10微米的掩模板曝光，然后显影、坚膜，在晶体表面形成光刻胶的条形掩模；

3)将步骤2)得到的样品放在加速器靶室中，抽真空至10^-4帕量级，进行轻离子或重离子注入；轻离子注入时，选择能量为400-550keV、剂量为1×10¹⁶离子/平方厘米量级、离子束流为100nA、扫描面积为15cm×20cm；重离子注入时，选择能量为1MeV-6MeV、剂量为1×10¹³-5×10¹⁵离子/平方厘米、离子束流为20nA、扫描面积为15cm×20cm；所述的轻离子为氢离子或氦离子，重离子为氧离子或碳离子或铜离子或磷离子；

4)清洗光刻胶掩模，得到条形光波导；

5)对步骤1)得到的样品直接进行步骤3)所述的离子注入，得到平面光波导。

利用离子注入基本不改变铌酸锂晶体在波导层的光电特性的特点，通过控制离子注入过程中的能量、剂量可以容易的获得不同的折射率分布，具有很好的可控性。将周期极化技术和波导技术结合起来可更好的实现小型化非线性效应激光器件。

附图说明

图1是铁电畴周期极化的晶体的示意图。

图2是在PPSLN上制作平面和条形波导的流程图。

图3是在PPSLN上形成的平面波导示意图。

图4是在PPSLN上形成的条形波导示意图。

其中，1、波导区。

具体实施方式

实施例1：

一种在周期极化近化学剂量比铌酸锂晶体上制作平面和条形光波导的方法为：

1)将已实现铁电畴周期极化的z切的近化学剂量比铌酸锂晶体切割成尺寸为10mm×10mm×1mm的样品，将样品表面及样品相对两个端面光学抛光，先后用酒精和丙酮清洗样品；

2)在样品上甩涂BP218光刻胶，用周期50微米，条宽5到10微米的掩模板曝光，然后显影、坚膜，在晶体表面形成光刻胶的条形掩模。

3.)将步骤2)得到的样品放在加速器靶室中，抽真空至10^-4帕量级，进行氦离子注入；选择能量为500keV、剂量为1×10¹⁶离子/平方厘米、离子束流为100nA、扫描面积为15cm×20cm；

4)清洗光刻胶掩模，得到条形光波导；

5)对步骤1)得到的样品直接进行步骤3)所述的离子注入，即得到平面光波导。

实施例2：

一种在周期极化近化学剂量比铌酸锂晶体上制作平面和条形光波导的方法为：

1)将已实现铁电畴周期极化的z切的近化学剂量比铌酸锂晶体切割成尺寸为10mm×10mm×1mm的样品，将样品表面及样品相对两个端面光学抛光，先后用酒精和丙酮清洗样品；

2)在样品上甩涂BP218光刻胶，用周期50微米，条宽5到10微米的掩模板曝光，然后显影、坚膜，在晶体表面形成光刻胶的条形掩模。

3.)将步骤2)得到的样品放在加速器靶室中，抽真空至10^-4帕量级，进行氧离子注入；选择能量为3MeV、剂量为6×10¹⁴离子/平方厘米、离子束流为20nA、扫描面积为15cm×20cm；

4)清洗光刻胶掩模，得到条形光波导；

5)对步骤1)得到的样品直接进行步骤3)所述的离子注入，即得到平面光波导。

Claims (1)

1.一种在周期极化近化学剂量比铌酸锂上制备平面和条形波导的方法，其特征在于，制备方法如下：

1)将已实现铁电畴周期极化的z切的近化学剂量比铌酸锂晶体切割成尺寸为10mm×10mm×1mm的样品，将样品表面及样品相对两个端面光学抛光，先后用酒精和丙酮清洗样品；

2)在样品上甩涂BP218光刻胶，用周期50微米，条宽5到10微米的掩模板曝光，然后显影、坚膜，在晶体表面形成光刻胶的条形掩模；

3.)将步骤2)得到的样品放在加速器靶室中，抽真空至10^-4帕量级，进行轻离子或重离子注入；轻离子注入时，选择能量为400-550keV、剂量为1×10¹⁶离子/平方厘米量级、离子束流为100nA、扫描面积为15cm×20cm；重离子注入时，选择能量为1MeV-6MeV、剂量为1×10¹³-5×10¹⁵离子/平方厘米、离子束流为20nA、扫描面积为15cm×20cm；所述的轻离子为氢离子或氦离子，重离子为氧离子或碳离子或铜离子或磷离子；

4)清洗光刻胶掩模，得到条形光波导；

5)对步骤1)得到的样品直接进行步骤3)所述的离子注入，得到平面光波导。

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