CN104880887A - 近化学计量比低掺杂Mg:PPLN全光波长转换器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器制作方法，选择一块Z切双面抛光的同成分铌酸锂晶片，在晶片-Z表面进行局部掺镁之后，在该晶片掺Mg的-Z表面制作Ti扩散条形光波导，然后在晶片+Z面进行周期极化，形成一周期性的长铝条构成的阵列金属光栅电极，采用富锂VTE技术得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体，利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行液体极化，获得周期性晶体超晶格，最后将所得低掺杂Mg：PPLN晶体进行封装，得到近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器。相比现有技术，本发明具有成本低；拓宽了波长转换器的使用条件和使用领域、易与其他器件集成、提高了器件集成度、大大降低耦合和传输损耗、系统稳定性好等诸多优点。

Description

近化学计量比低掺杂Mg:PPLN全光波长转换器制作方法

技术领域

本发明涉及一种光通信技术领域，特别是涉及一种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光放大器(SOA)的交叉增益调制和交叉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、频率和相位都存在不完全透明转换；而基于SOA或无源波导的波长转换器：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，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，容易造成串扰，其应用有限。一般情况下，二阶非线性过程比三阶过程效率高得多，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。

目前，基于周期极化铌酸锂(PPLN)波导的波长转换相位匹配条件极大抑制了多波长信道间的串扰，使得基于周期性极化铌酸锂波导的波长变换器成为目前唯一能实现组波长转换的技术，也是唯一能实现N×M广播功能的全光波长转换技术。基于周期性极化铌酸锂波导的波长变换器所用的二次级联效应分为两类：一是单泵浦倍频与差频级联效应；二是双泵浦和频与差频级联效应。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利《波长可调宽带全光波长转换器的制作方法》(专利号：ZL200510027943.4)属于单泵浦倍频与差频级联效应，存在以下缺点：一是倍频非线性系数不大，需要很高的泵浦光功率才能得到可观的转换效率，与光通信中所要求的低泵浦功率阈值不符；二是信号光和转换光分布在泵浦光两侧，因此至少有一个波长信道被占用，不利于通信波段的充分利用；再者，单泵浦波长转换方案中，当信号光波长趋近于泵浦光波长时，转换效率会出现凹陷，因此不得不舍弃泵浦光波长附近的一些信道。

检索中还发现，2004年C.Q.Xu等人在《Optics Letters》(29，2004)上“Cascadedwavelength conversions based on sum-frequency genera钛on anddifference-frequencygenera钛on”(《基于和频和差频级联效应的波长转换》)一文，该文介绍了在周期性准相位匹配晶体中，与倍频差频级联相比，和频差频级联有个优点：一是双泵浦每一个泵浦光功率只需单泵浦光功率的一半就能得到同样的转换效率，降低了功2/6页率阈值；二是两泵浦光波长可以选择在通信波段的两边，从而空出中间的波段加以利用。该文中所阐述的是基于EEE窄带和频与差频的波长转换，EEE和频是指参与和频的两个泵浦光以及和频光在PPLN晶体里都是以非常光，即E光(Extraordinary)入射或传播。该窄带波长转换的信号光有较大带宽，两泵浦波长差值可以很大，但泵浦波长的带宽极小，只有0.6nm。也就是说，对于给定周期的PPLN波导，两泵浦光波长必须设定在与该周期匹配(即满足相位匹配条件)的波长处，对应信号带宽内的每一个信号光只能输出一个转换光，如果泵浦光波长稍有漂移，很可能就没有和频光产生，也就没有转换光输出，这大大限制了波长转换器的灵活应用。

检索中还发现，中国专利“双泵浦波长可调宽带全光波长转换器的制作方法”(专利号：ZL200910045047.9)存在以下缺点：(1)采用同成分铌酸锂晶体，进行Mg的高掺杂，室温下不具有抗光折变特性(2)转换器集成性较差，与前后端器件的连接会导致极大的损耗。

与同成份铌酸锂晶体相比较，近化学计量比铌酸锂晶体拥有众多的优异性能：(1)晶体的抗光折变能力更强，大约提高了一个数量级；(2)晶体内部缺陷少，因此晶体响应速度会更快，其响应时间可以缩短至几十至几百毫秒；(3)采用近化学计量比可以降低Mg的掺杂比，且在室温下具有抗光折变效应。

发明内容

为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种安全交换协议模型检测系统及方法，以安全交换协议作为研究对象，通过对协议进行建模，从而进行对协议的公平性和不可否认性进行验证，最终实现模型检测自动化工具。

本发明提出一种近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器制作方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、选择一块Z切厚度为0.5mm-1mm的同成分铌酸锂晶片，上下表面平行且均被光学抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向；

步骤2、在该晶片-Z表面镀一层MgO膜，于1050～1130℃高温下扩散1小时以上，获得局部掺镁的铌酸锂晶体；

步骤3、在晶片-Z表面进行局部掺镁之后，在该晶片掺Mg的-Z表面制作Ti扩散条形光波导，即在该晶片-Z表面采用光刻工艺，镀制4～10μm的钛条，使用钛扩散技术，即在1050～1130℃的高温下扩散1小时以上，将-Z表面溅射的钛条内扩散入同成分铌酸锂衬底，形成一波导层；

步骤4、然后在晶片+Z面进行周期极化：在晶片+Z面蒸镀一层厚度在50nm以上的导电铝层，然后用光刻技术，在铝层表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影、腐蚀后得到一周期性的长铝条构成的阵列金属光栅电极，然后再腐蚀掉光栅条纹之外的铝，最后用丙酮洗掉光刻胶；

步骤5、采用富锂VTE技术得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体：采用富锂VTE技术，在1050～1130℃下将所得Mg低掺杂同成分铌酸锂样品处理10小时以上，得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体。

步骤6、利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行液体极化，极化电压约为4～5kV；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；在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向，获得周期性晶体超晶格；

步骤7、最后将所得低掺杂Mg：PPLN晶体进行封装，将光纤在封装内部与同一条波导进行耦合，尾端引出封装置外，方便与其他器件集成，得到近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、最初的基片选择同成分的铌酸锂晶体，易于获得，降低了原材料成本；

2、在掺Mg铌酸锂钛扩散波导结构中，使铌酸锂晶片达到近化学计量比，可以采用局部掺杂的方式使Mg在掺杂摩尔比达到0.8～2％，减少了Mg的掺杂量，进一步降低了生产成本；

3、在掺Mg铌酸锂钛扩散波导结构中，使铌酸锂晶片达到近化学计量比，所得到的低掺杂Mg：PPLN波导在室温下便具有良好的抗光折变特性，拓宽了波长转换器的使用条件；

4、该近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器，使用于波长转换的泵浦光源波长可以是容易引起光折变效应的近红外波段，进一步降低了波长转换器的工作要求，使该波长转换器的适用领域进一步扩大；

5、该近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器利用外壳进行封装，光纤在封装内部与晶体耦合，在封装外部形成尾纤，易与其他器件集成；

6、该近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器的结构便于在同一铌酸锂基底的波长转换结构后面集成光学器件如相位调制器等，波长转换后的输出光可以在同一条波导结构中直接进入调制器进行调制，提高了器件集成度，大大降低耦合和传输损耗，系统稳定性好。

附图说明

图1为基于本发明实施例的低掺杂Mg:PPLN波导结构的全光波长转换器的原型器件示意图，附图标记包括：1、输入光纤；2、波导；3、近化学计量比低掺杂Mg：PPLN晶体；4、金属外壳；5、输出光纤；

图2为Mg局部掺杂的工艺流程示意图，附图标记包括：11、MgO层，12、真空蒸镀；13、同成分铌酸锂晶体；14、高温扩散；15、局部掺镁的铌酸锂晶体；

图3为钛扩散铌酸锂光波导制作过程图；附图标记：包括100、铌酸锂晶体；101、光刻胶；102、掩膜板；103、钛膜；104、光波导；110、匀胶；111、曝光；112、显影；113、镀钛；114、剥离；115、扩散；116、端面抛光；

图4为周期极化流程图；附图标记包括：201、钛扩散光波导；202、液体电极；203、金属电极；204、Ti：PPLN光波导；211、极化过程；

图5为富锂气相输运平衡(VTE)示意图，附图标记包括：301、富锂坩埚；302、富锂粉末；303、同成分铌酸锂样品；

图6为液体电极极化电路示意图，附图标记包括：401、高压直流电源；402、分压电阻；403、正极；404、近化学计量比低掺镁铌酸锂波导样品；405、负极；406、分压电阻；407、注满LiCl的液体电极夹具。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，这些实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。

步骤1、选择一块Z切厚度为0.5mm-1mm的同成分铌酸锂晶片，上下表面平行且均被光学抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向；

步骤2、Mg局部掺杂：在该晶片-Z表面镀一层MgO膜，于1050～1130℃高温下扩散1小时以上，获得局部掺镁的铌酸锂晶体，如图2所示；

步骤3、钛扩散铌酸锂光波导制作过程：在该晶片-Z表面采用光刻工艺，镀制4～10μm的钛条，使用钛扩散技术，即在1050～1130℃的高温下扩散1小时以上，将-Z表面溅射的钛条内扩散入同成分铌酸锂衬底，形成一波导层，该波导的TE和TM模式的导波均能被激发，如图3所示；

步骤4、周期极化：在晶片+Z面蒸镀一层厚度在50nm以上的导电铝层，然后用光刻技术，在铝层表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影、腐蚀后得到周期性光栅条纹，然后再腐蚀掉光栅条纹之外的铝，最后用丙酮洗掉光刻胶，这样就在样品上形成了一周期性的长铝条构成的阵列金属光栅电极，原理如图4所示，金属光栅电极的周期Λ为：

$\mathrm{\Λ}={(\frac{N_{effSF}^e}{{\mathrm{\λ}}_{SF}}-\frac{N_{effp1}^o}{{\mathrm{\λ}}_{p1}}-\frac{N_{effp2}^o}{{\mathrm{\λ}}_{p2}})}^{-1}$

步骤5、富锂气相输运平衡(VTE)：采用富锂VTE技术，在1050～1130℃下将所得Mg低掺杂同成分铌酸锂样品处理10小时以上，得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体，装置如图5所示为本步骤所使用的装置示意图；

步骤6、液体电极极化：利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行极化，极化电压约为4～5kV；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；在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向，如图6所示为本步骤所使用的极化电路；

步骤7、将所得低掺杂Mg：PPLN晶体进行封装，将光纤在封装内部与同一条波导进行耦合，尾端引出封装置外，方便与其他器件集成，最终得到一种近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器，如图1所示。

Claims (1)

1.一种近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器制作方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤(1)、选择一块Z切厚度为0.5mm-1mm的同成分铌酸锂晶片，上下表面平行且均被光学抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向；

步骤(2)、在该晶片-Z表面镀一层MgO膜，于1050～1130℃高温下扩散1小时以上，获得局部掺镁的铌酸锂晶体；

步骤(3)、在晶片-Z表面进行局部掺镁之后，在该晶片掺Mg的-Z表面制作Ti扩散条形光波导，即在该晶片-Z表面采用光刻工艺，镀制4～10μm的钛条，使用钛扩散技术，即在1050～1130℃的高温下扩散1小时以上，将-Z表面溅射的钛条内扩散入同成分铌酸锂衬底，形成一波导层；

步骤(4)、然后在晶片+Z面进行周期极化：在晶片+Z面蒸镀一层厚度在50nm以上的导电铝层，然后用光刻技术，在铝层表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影、腐蚀后得到一周期性的长铝条构成的阵列金属光栅电极，然后再腐蚀掉光栅条纹之外的铝，最后用丙酮洗掉光刻胶；

步骤(5)、采用富锂VTE技术得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体：采用富锂VTE技术，在1050～1130℃下将所得Mg低掺杂同成分铌酸锂样品处理10小时以上，得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体。

步骤(6)、利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行液体极化，极化电压约为4～5kV；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；在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向，获得周期性晶体超晶格；

步骤(7)、最后将所得低掺杂Mg：PPLN晶体进行封装，将光纤在封装内部与同一条波导进行耦合，尾端引出封装置外，方便与其他器件集成，得到近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器。