CN103901697A - 一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构 - Google Patents

一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构 Download PDF

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陈怀熹
宋国才
邹小林
周煌
缪龙
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Abstract

本发明公开一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构，用于制备铁电晶体材料的周期性畴反转光栅。该电极结构包括带正面的梳状光栅电极、背面的金属电极、正面减薄部分区域的铁电晶体材料以及覆盖在梳状光栅电极之间的SiO2介质层，主电极部分为马蹄形，本发明可以压制极化过程中反转畴垂直分量的增长，并有效压制了其侧向的生长，解决了利用外加脉冲电压来制作大厚度长周期和短周期的周期性反转晶体材料（PPXX）的问题，实现了对大厚度和短周期的铁电晶体材料周期性极化，且最终的极化垂直性优越。

Description

一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构
技术领域
本发明涉及到在铁电晶体材料的进行畴反转光栅的制作技术领域，提出了一种可以对铁电晶体材料进行周期性极化反转的极化电极结构。
背景技术
准相位匹配（QPM）技术是非线性光学中的一种重要的相位匹配技术，它是通过线性光学常数（模式指数）或非线性光学常数的周期性调制来实现非线性光学效应的增强。周期性反转铁电晶体材料是光频率转换、光参量转换领域的重要材料，广泛地应用于激光制作、航天、大气探测、军工等领域。
制作周期性反转铁电晶体中的极化结构的方法有高温加热法、质子离子交换法以及在室温下进行的电子束直接写入法和外加电场控制法。用这些方法制作出大厚度长周期和短周期的周期性反转铁电晶体是目前国内外在此领域的研究热点。
在铁电非线性光学晶体中通过脉冲电压应用方法进行准相位匹配的畴反转光栅的制作是目前常用的一种制作方法。在目前的这些准相位匹配周期性畴反转铁电晶体中，PPLN是一种常用的高品质材料，其非线性系数大，可在较短的光程下得到较大的非线性频率转换。利用外加脉冲电压制作PPLN等光学超晶格介质，常常受到制作晶体材料本身的均匀性、极化电极结构以及电压施加装置的限制。目前在市场上的PPLN厚度大部分仍为0.5mm, 大于1mm的长周期和短周期PPLN仍然较少，因此我们通过提出正面主电极部分为马蹄形的梳状光栅电极、背面的金属电极、正面减薄部分区域的铁电晶体材料以及覆盖在梳状光栅电极之间的SiO2介质层，来解决此类大厚度长周期或短周期周期性反转晶体材料。
发明内容
为了完成反转畴在垂直分量（正向）的生长以及压制反转畴在水平分量（侧边）的增长，以实现在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的目的，本专利提供一种极化电极结构。该结构可以有效地使电场更集中在垂直分量上，实现在大厚度铁电晶体材料上完成周期性极化反转。
为解决上述技术问题，本专利提供了一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构，包括带正面的梳状光栅电极、背面的金属电极、正面减薄部分区域的铁电晶体材料以及覆盖在梳状光栅电极之间的SiO2介质层，主电极部分为马蹄形。
进一步地，本技术方案所述大厚度铁电晶体材料，采用的铁电晶体材料为纯铌酸锂LiNbO3、掺MgO铌酸锂MgO-LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、磷酸氧钛钾KTiOPO4 (KTP)、Nd3+ 扩散铌酸锂Nd3+:LiNbO3、Er3+ 扩散铌酸锂Er3+:LiNbO3、砷酸钛氧铷RbTiOAsO4（RTA）、铌酸锶钡Sr0.6Ba0.4Nb2O6 S（SBN）、氟化钡镁BaMgF4或硝酸钾KNO3。
进一步地，本技术方案所述的大厚度晶体周期极化晶体材料，其厚度为毫米量级，大于1mm的晶体材料，长周期指的是周期大于10μm的，短周期指的是周期小于7μm。
进一步地，本技术方案所述的极化电极结构在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。
进一步地，本技术方案所述的极化电极结构所采用的电极材料包括Al电极、Cr电极或Au电极。
进一步地，本技术方案所述的极化电极结构间的掩膜层的特征是：在光刻制作出电极结构后，用HF略微减薄除电极结构外的铁电晶体材料，所减薄的位置为空穴处，空穴的深度为微米级，为5-20μm，此空穴处用SiO2覆盖。
进一步地，本技术方案所使用的SiO2掩膜层的折射率为1.45~1.50，厚度约为20μm。
进一步地，本技术方案中覆盖在金属主电极上的SiO2，通过套刻、显影、腐蚀等步骤去除，露出所需极化电极结构的金属部分。
本专利解决其技术问题所采取的技术方案是用带有背面（-z面）的电极的梳状电极结构，且在正面（+z面）对电极结构外的铁电晶体材料进行HF腐蚀减薄，并对在正面（+z面）除电极结构外的铁电晶体材料空穴处覆盖上SiO2掩膜层。因为金属电极结构下的晶体材料在其侧边的材料为SiO2，为绝缘体，这样使得铁电晶体材料在施加电压时，电场更集中在其垂直分量上，而且有效地压制了电场的水平分量，从而可以获得大厚度长周期或短周期的铁电晶体材料周期性极化反转。
本专利的有益结果是，采用该电极结构，用于铁电晶体材料的畴反转光栅制作，更能使得其获得更加优良的周期性极化晶体。 
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明；
图1是本发明所提出的电极结构平视图；
图2是本发明所提出的马蹄形梳状电极结构俯视图；
图3是本发明所提出的电极结构制作方法流程图。
具体实施方式
本实例中，  一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构，电极结构包括带正面的梳状光栅电极4、背面的金属电极5、正面减薄部分区域的铁电晶体材料1以及覆盖在梳状光栅电极之间的SiO2介质层6，主电极部分为马蹄形。
本发明采用的铁电晶体材料1为纯铌酸锂LiNbO3、掺MgO铌酸锂MgO-LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、磷酸氧钛钾KTiOPO4 (KTP)、Nd3+ 扩散铌酸锂Nd3+:LiNbO3、Er3+ 扩散铌酸锂Er3+:LiNbO3、砷酸钛氧铷RbTiOAsO4（RTA）、铌酸锶钡Sr0.6Ba0.4Nb2O6 S（SBN）、氟化钡镁BaMgF4或硝酸钾KNO3。
晶体材料1为大厚度晶体周期极化晶体材料，其厚度为毫米量级，大于1mm的晶体材料，长周期指的是周期大于10μm的，短周期指的是周期小于7μm。
极化电极结构在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。
极化电极结构所采用的电极材料1为Al电极、Cr电极或Au电极。
在光刻制作出电极结构后，用HF略微减薄除电极结构外的铁电晶体材料，所减薄的位置为空穴处，空穴的深度为微米级，为5-20μm，此空穴处用SiO2覆盖。
SiO2介质层6的折射率为1.45~1.50，厚度为200-1000nm。
通过此种极化获得周期为28μm，厚度为2mm的周期性极化铌酸锂晶体，应用于光参量振荡OPO。
电极结构的制作步骤如下：
   首先对铁电晶体材料1的+z面2进行镀膜，用于电极的镀膜金属为包括Al电极、Cr电极、Au电极以及其他合金材料的电极，镀膜厚度为纳米级，为60~100nm；然后通过对晶体正面进行光刻、腐蚀等步骤制作出周期为28μm，主干电极为马蹄形，次电极的宽度为1μm的梳状光栅极化电极4，使得所需极化电极图形留在铁电晶体材料上，其中电极4-1是电极正极，电极4-2接地；第三步，用浓度为40%的HF对+z面腐蚀1~2分钟，除电极部分被腐蚀，腐蚀的深度约为5~20μm，得到铌酸锂空穴处；第四步，在+z面上覆盖上一层SiO2介质层6，其折射率为1.45~1.50，厚度约为20μm。第五步，经过套刻、显影、腐蚀等步骤的处理，露出主干马蹄形电极部分，以便用于外加脉冲电压的施加；第六步，在铁电晶体材料的-z面3上镀上与+z面一致的金属电极材料，所镀金属厚度与+z面一致，将其作为负电极5。本实例中的电极是根据在铁电晶体中的畴生长规律以及实验所需而定。
以上以长周期大厚度OPO晶体的电极制作步骤为例说明了本发明的基本思想，显然本发明还可以用于更大厚度的各类长周期和各种短周期的周期性极化晶体的制作。所以本实例并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的极化电极结构，其特征在于：所述电极结构包括带正面的梳状光栅电极、背面的金属电极、正面减薄部分区域的铁电晶体材料以及覆盖在梳状光栅电极之间的SiO2介质层，主电极部分为马蹄形。
2.根据权利1所述的在铁电晶体材料制作畴反转光栅的极化电极结构，其特征在于：所述铁电晶体材料为纯铌酸锂LiNbO3、掺MgO铌酸锂MgO-LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、磷酸氧钛钾KTiOPO4 (KTP)、Nd3+ 扩散铌酸锂Nd3+:LiNbO3、Er3+ 扩散铌酸锂Er3+:LiNbO3、砷酸钛氧铷RbTiOAsO4（RTA）、铌酸锶钡Sr0.6Ba0.4Nb2O6 S（SBN）、氟化钡镁BaMgF4或硝酸钾KNO3。
3.根据权利1或2所述的在铁电晶体材料制作畴反转光栅的极化电极结构，其特征在于：所描述的铁电晶体材料为大厚度短周期周期极化晶体材料，其厚度为毫米量级，大于1mm的晶体材料，长周期指的是周期大于10μm的，短周期指的是周期小于7μm。
4.根据权利1所述的在铁电晶体材料制作畴反转光栅的极化电极结构，其特征在于：所描述的极化电极结构在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。
5.根据权利1所述的在铁电晶体材料制作畴反转光栅的极化电极结构，其特征在于：所描述的极化电极结构所采用的电极材料为Al电极、Cr电极或Au电极。
6.根据权利1所述的在铁电晶体材料制作畴反转光栅的极化电极结构，其特征在于：在光刻制作出电极结构后，用HF略微减薄除电极结构外的铁电晶体材料，所减薄的位置为空穴处，空穴的深度为微米级，为5-20μm，此空穴处用SiO2覆盖。
7.根据权利1和权利7所述的在铁电晶体材料制作畴反转光栅的极化电极结构，其特征在于：所使用的SiO2掩膜层的折射率为1.45~1.50，厚度为200-1000nm。
8.根据权利1、权利6和权利7所述的在铁电晶体材料中制作畴反转光栅的电极结构，其特征在于：覆盖在金属主电极上的SiO2，通过套刻、显影、腐蚀等步骤去除，露出所需极化电极结构的金属部分。
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