CN107219646A - 一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方法 - Google Patents

一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方法，电光调制器具有平板电容型结构，包括相当于介质层的单晶与单晶上下表面的电极层。单晶为二元(1‑x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑xPbTiO3体系或三元(1‑x‑y)Pb(In1/2Nb1/2)O3‑xPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3体系。直波导型电光相位调制器是利用铁电体的畴转向和双折射率之差，通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了高达3％的折射率变化，有效构造了一种结构简单，易于加工制造的光波导结构。本发明具有极低的半波电压、低的插入损耗、高的带宽和优异的相位调制能力。将铁电性和强光学非线性结合，可设计多种光信息转换器件，实现光子偏振态的有效控制，微弱信号的检测以及相控阵信号的生成与控制，适用于量子保密通信技术及微波光子学雷达技术领域。

Description

一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方法
技术领域
本发明属于光通信、量子保密通信以及微波光子学雷达技术领域，特别 涉及一种电光功能材料，具体涉及一种高性能直波导型电光相位调制器及其 制备方法。
背景技术
随着通信技术的发展，越来越多的内容可以瞬间传递，对于光纤网络通 信速率和信道容量的要求不断提高，具有更高带宽和性能的电光调制器始终 是一个核心器件，如何降低其半波电压、降低插入损耗、提升带宽是关键问 题。同时，性能优异的电光调制器也可用于新近发展起来的量子保密通信技 术，实现光子偏振态的有效控制，以及微波光子学雷达技术，实现微弱信号 的检测以及相控阵信号的生成与控制。
目前常用的波导型电光调制器多使用偏硼酸钡(BBO)和铌酸锂(LN) 等非线性光学材料，通过离子交换，离子注入和金属扩散等方式制备而成。 然而，这两种材料的半波电压较高，电光系数较低，而且采用上述制备方法 都需要复杂的工艺和大型的设备，且制备方法的光波导折射率的改变量Δn通 常很小，因此基于这类材料开发的电光调制器件需要更高功率的驱动器，无 法满足电光调制在速度与容量上的高要求。因此，急于开发一种半波电压低， 插入损耗小，带宽高且易于加工的高性能电光调制器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方 法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明利用铁电体的畴转向和双折射 率之差，通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了高 达3％的折射率变化，有效构造了一种结构简单，易于加工制造的光波导结 构。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高性能直波导型电光相位调制器，包括作为介质层的长方体单晶， 单晶的上表面设置有上电极层，单晶的下表面设置有下电极层，所述下电极 层完整覆盖在单晶的下表面，上电极层覆盖在单晶的上表面，且上电极层通 过空白狭缝分割为对称的两部分。
进一步地，所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)体 系弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3 (PIMNT)体系弛豫铁电单晶。
进一步地，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相 或[001]晶向的四方相结构。
进一步地，长方体单晶的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫 米。
一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：晶体加工；选择弛豫铁电单晶无裂纹，结晶完好的区域，三维 定向，并切割成长方体晶体，并对长方体晶体面积最大的平面及与其相邻的 两个平行平面进行研磨并抛光形成光学面；
步骤2：退火；将步骤1中得到的弛豫铁电单晶进行退火处理；
步骤3：光刻镀电极；将步骤2中得到的弛豫铁电单晶面积最大的光学 平面进行光刻镀电极，在其平行平面直接镀电极；
步骤4：单畴化和局部畴转；将步骤3中得到的弛豫铁电单晶进行单畴 化和局部畴转处理即得到高性能直波导型电光相位调制器。
进一步地，步骤1中所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3体系 弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3体系 弛豫铁电单晶，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相 或[001]晶向的四方相结构。
进一步地，步骤1中长方体晶体的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高 为2～4毫米；步骤1中抛光面的平整度小于1微米。
进一步地，步骤2的退火处理过程包括：
步骤2.1：将步骤1得到的弛豫铁电单晶置于气氛炉中，以0.2～4℃/分钟 的速率升温至500～800℃，保温1～30小时；
步骤2.2：将步骤2.1中得到的晶体以0.2～4℃/分钟的速率降温至高于居 里温度5～30℃处，然后再以0.05～1℃/分钟速率降温至低于居里温度5～30℃ 后，自然降温至室温。
进一步地，步骤3的光刻镀电极过程包括：
步骤3.1：在步骤2得到的弛豫铁电单晶面积最大的光学平行平面上涂覆 正性光刻胶，涂覆速度为2000～5000转/分，时间为20～50秒；
步骤3.2：将步骤3.1中所得涂覆光刻胶的晶体在90～120℃温度下烘干 5～60分钟；
步骤3.3：将掩模板覆盖在步骤3.2所得晶体面积最大的光学平面上，掩 膜板中间的隔挡宽度L为0.5～10微米，采用光刻机进行曝光得到曝光后的样 品，光源为193～436纳米的紫外光，曝光时间为20～60秒；
步骤3.4：将曝光后的样品用显影溶液进行显影，显影溶液是由显影液与 去离子水按照1：1～3：1的体积比配制得到，具体为将曝光后的样品放入显 影溶液中，使感光部分的光刻胶溶掉，留下未感光部分的胶膜，从而显现出 所需要的图形，显影时间15-40秒；
步骤3.5：对经步骤3.4显影后的晶体进行干燥，干燥温度为80～120℃， 时间为0.5～5分钟；
步骤3.6：在步骤3.5得到的晶体面积最大的光学平面上溅射电极，所述 电极为金电极或铝电极，电极厚度为100～250纳米；
步骤3.7：将步骤3.6得到的单畴态弛豫铁电晶体置于丙酮中，经过超声 清洗，将未曝光的光刻胶及其电极溶解，最后在此抛光表面上得到共面电极， 其平行平面覆盖全电极。
进一步地，步骤4的单畴化和局部畴转过程包括：
步骤4.1：将步骤3得到的晶体在硅油浴中加热至40～250℃，升温速率 为0.5～2℃/分钟，保温0～60分钟；
步骤4.2：在步骤4.1得到的晶体上施加沿[001]、[110]或[111]方向直流 电场，电场强度0.3～2千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压10～30分 钟；
步骤4.3：将步骤4.2中直流电场强度降低至原电场强度的4/5～1/5，降 压速率为3～50伏/分，同时晶体以0.5～2℃/分钟的速度降温至室温，取出晶 体，即获得单畴态弛豫铁电晶体；
步骤4.4：在步骤4.3得到的晶体的共面电极上施加电场，电场强度为 0.3～1千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压5～30分钟，使局部的电畴 向水平方向反转，获得直波导型电光调制器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的直波导型电光相位调制器具有平板电容型结构，包括相当于介 质层的单晶与单晶上下表面的电极层，是基于PMNT体系与PIMNT体系弛 豫铁电单晶开发的直波导型相位调制器，铁电晶体畴转向和双折射率之差， 通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了高达3％的 折射率变化，有效构造了一种结构简单，易于加工制造，具有极低的半波电 压、低的插入损耗、高的带宽和优异的相位调制能力，将铁电性和强光学非 线性结合，还可以设计多种光信息转换器件，用于多种光通信量子保密通信 以及微波光子学雷达系统，通过进一步提高器件性能，甚至有可能实现量子 水平的光信息转换。
本发明方法基于弛豫铁电体的微畴和极性微区特性，畴的尺寸依赖于材 料组成和外界温度以及电学边界条件，非本征的微区结构变化将产生巨大的 折射率改变。巧妙地利用铁电体的畴转向和双折射率之差，通过加在共面电 极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了可达3％的折射率变化，有 效构造了一种易于加工制造的光波导结构。基于PMNT体系与PIMNT体系 弛豫铁电单晶开发的直波导型电光相位调制器将具有远优于BBO和LN类似 器件的性能参数，半波电压减小、插入损耗降低、带宽提升，可用于光通信、 量子保密通信以及微波光子学雷达系统。
附图说明
图1是本发明所述直波导电光相位调制器的晶体结构示意图；
图2是本发明所述掩膜板示意图；
图3至图6是本发明所述直波导电光相位调制器制作过程示意图；
图7是本发明直波导电光相位调制器的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
一种高性能直波导型电光相位调制器，具有平板电容型结构，包括作为 介质层的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫米的长方体单晶，单 晶的上表面设置有上电极层，单晶的下表面设置有下电极层，所述下电极层 完整覆盖在单晶的下表面，上电极层覆盖在单晶的上表面，且上电极层通过 空白狭缝分割为对称的两部分，所述单晶为二元PMNT体系弛豫铁电单晶或 三元PIMNT体系弛豫铁电单晶，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、 [110]晶向的正交相或[001]晶向的四方相结构。
一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，包括以下步骤：
1、晶体加工
1.1、将[001]晶向的四方相、[110]晶向的正交相或[111]晶向的三方相 PMNT体系或PIMNT体系弛豫铁电单晶选择无裂纹，结晶完好的区域，三 维定向，并切割成实验所需的形状(4～10)*(4～10)*(2～4)毫米(a*b*c)，将平 面1，平面2及其平行平面进行研磨并抛光，如图1所示。用砂纸轻轻研磨 至无明显划痕，然后在抛光机上进行抛光至接近光学平面(平整度小于1微 米)，得到实验所需样品。
2、退火
2.1、将步骤1中所述[001]晶向的四方相、[110]晶向的正交相或[111]晶 向的三方相PMNT体系和PIMNT体系弛豫铁电单晶样品进行退火处理，消 除其在生长、切割、抛光以及铁电相形成时所产生的应力。将晶体置于气氛 炉中，以每分钟0.2～4℃/分钟的速率升温至500～800℃，保温1～30小时。
2.2、将步骤2.1中所述晶体以0.2～4℃/分钟的速率降温至高于居里温度 5～30℃处，以0.05～1℃/分钟速率降温通过顺电-铁电相变，消除晶体内部新 相形成时的自发应变，降温至低于居里温度5～30℃后，自然降温至室温。
3、光刻镀电极
3.1、在上述步骤2中所得晶体平面1上涂覆正性光刻胶，涂覆速度为 2000～5000转/分，时间为20～50秒，要求胶膜均匀，与晶体表面粘附良好， 无灰尘，无杂质。
3.2、将步骤3.1中所得涂覆光刻胶的晶体放入烘箱中进行加热处理促使 胶膜体内的溶剂充分挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与样品的粘附性和胶膜 的耐磨性，烘干的温度为90～120℃，时间为5～60分钟。
3.3、将特制掩模板(如图2所示)覆盖在步骤3.2中所得晶体平面1上， 掩膜板中间隔板宽度L为0.5～10微米，采用光刻机进行曝光，光源为193～436 纳米的紫外光，曝光时间为20～60秒。
3.4、将步骤3.3中所述晶体样品用显影液进行显影。显影溶液进行显影， 显影溶液是由显影液与去离子水按照(1/1)～(3/1)的体积比配制得到，将曝光后 的样品放入用有机溶剂配制的显影溶液中，显影时间15～40秒，使感光部分 的光刻胶溶掉，留下未感光部分的胶膜，从而显现出所需要的图形，如图3 所示。
3.5、步骤3.4中所述晶体经过显影后，胶膜会发生软化和膨胀，影响胶 膜抗腐蚀能力。因此在显影之后，对晶体进行干燥，去除显影液和水分，使 胶膜坚固，温度为80～120℃，时间为0.5～5分钟。
3.6、在步骤3.5中所述晶体平面1与其平行平面(即垂直[001]、[110] 或[111]方向的平面)溅射电极，包括金电极和铝电极，厚度为100～250纳米 左右。
3.7、将步骤3.6中所述单畴态晶体置于丙酮中，经过超声清洗，将未曝 光的光刻胶及其电极溶解(即空白狭缝)，最后在晶体平面1得到如图4所示 电极2和电极3，其平行平面覆盖全电极1。
4、单畴化和局部畴转
4.1、将上述步骤3中所述晶体置于自行搭建的极化装置中，以0.5～2℃/ 分钟的速度，晶体在加热至40～170℃，保温0～10分钟。
4.2、在上述步骤4.1中所述晶体上施加沿[001]、[110]或[111]方向直流电 场，电场强度0.3～2千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压10～30分钟。
4.3、将步骤4.2中所述直流电场降低至原电场的4/5～1/5，降压速率为 3～50伏/分，同时晶体以0.5～2℃/分钟的速度缓慢降温至室温，取出晶体，获 得单畴态弛豫铁电晶体，如图5所示。
4.4、在步骤4.3中所述晶体的电极2(共面电极)上施加电场极化。电 场强度0.3～1千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压5～30分钟，使局部 的电畴向水平方向反转，如图6所示。
通过以上步骤，可获得新型高性能直波导电光相位调制器，如图7所示。
弛豫铁电体具有微畴和极性微区，其尺寸依赖于材料组成和外界温度以 及电学边界条件，非本征的微区结构变化将产生巨大的折射率改变。因此基 于二元PMNT体系或三元PIMNT体系弛豫铁电单晶具有较高的光学透过率 (70％)，显著的电光系数(γPMNT＝182pm/V和γPIMNT＝204pm/V)以及较低的 半波电压(VPMNT＝202V和VPIMNT＝188V)。另外，铁电晶体畴转向和双折射 率之差，通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了高 达3％的折射率变化(0.24PIN-0.46PMN-0.30PT：no＝2.515，ne＝2.580)，基于 该材料开发的电光调制器、混频器、参量放大器等器件结构简单，易于加工 制造。对于LN晶体，其半波电压(VLN＝2.8kV)很高而电光系数(γLN＝30pm/V) 较小，基于这类材料的器件需要更高功率的驱动器，不能满足电光调制在速 度与容量上的高要求，因此，基于弛豫铁电单晶开发的电光调制器具有远优 于LN器件的性能参数，半波电压低、插入损耗小、带宽高，可用于光通信、 量子保密通信以及微波光子学雷达系统。通过进一步提高器件性能，甚至有可能实现量子水平的光信息转换。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
1、晶体加工
1.1、将[001]晶向的四方相PMNT体系弛豫铁电单晶选择无裂纹，结晶 完好的区域，三维定向，并切割成实验所需的形状4*10*2毫米(a*b*c)，将 平面1，平面2及其平行平面进行研磨并抛光，如图1所示。用砂纸轻轻研 磨至无明显划痕，然后在抛光机上进行抛光至接近光学平面(平整度小于1 微米)，得到实验所需样品。
2、退火
2.1、将步骤1中所述[001]晶向的四方相PMNT体系弛豫铁电单晶样品 进行退火处理，消除其在生长、切割、抛光以及铁电相形成时所产生的应力。 将晶体置于气氛炉中，以每分钟0.2℃/分钟的速率升温至800℃，保温30小 时。
2.2、将步骤2.1中所述晶体以0.2℃/分钟的速率降温至高于居里温度 15℃处，以0.05℃/分钟速率降温通过顺电-铁电相变，消除晶体内部新相形 成时的自发应变，降温至低于居里温度15℃后，自然降温至室温。
3、光刻镀电极
3.1、在上述步骤2中所得晶体平面1上涂覆正性光刻胶，涂覆速度为4000 转/分，时间为35秒，要求胶膜均匀，与晶体表面粘附良好，无灰尘，无杂 质。
3.2、将步骤3.1中所得涂覆光刻胶的晶体放入烘箱中进行加热处理促使 胶膜体内的溶剂充分挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与样品的粘附性和胶膜 的耐磨性，烘干的温度为100℃，时间为30分钟。
3.3、将特制掩模板(如图2所示)覆盖在步骤3.2中所得晶体平面1上， 掩膜板中间的隔挡宽度L为0.5微米，采用光刻机进行曝光，光源为193纳 米左右的紫外光，曝光时间为60秒。
3.4、将步骤3.3中所述晶体样品用显影溶液进行显影，显影溶液是由显 影液与去离子水按照1：1的体积比配制得到，曝光后的样品放入用有机溶剂 配制的显影液中，显影时间40秒，使感光部分的光刻胶溶掉，留下未感光部 分的胶膜，从而显现出所需要的图形，如图3所示。
3.5、步骤3.4中所述晶体经过显影后，胶膜会发生软化和膨胀，影响胶 膜抗腐蚀能力。因此在显影之后，对晶体进行干燥，去除显影液和水分，使 胶膜坚固，温度为90℃，时间为1分钟。
3.6、在步骤3.5中所述晶体平面1与其平行平面(即垂直[001]方向的平 面)溅射电极，包括金电极和铝电极，厚度为100纳米左右。
3.7、将步骤3.6中所述单畴态晶体置于丙酮中，经过超声清洗，将未曝 光的光刻胶及其电极溶解(即空白狭缝)，最后在晶体平面1得到如图4所示 电极2和电极3，其平行平面覆盖全电极1。
4、单畴化和局部畴转
4.1、将上述步骤3中所述晶体置于自行搭建的极化装置中，晶体在硅油 浴中加热至170℃，升温速率为0.5℃/分钟，保温10分钟。
4.2、在上述步骤4.1中所述晶体上施加沿[001]方向直流电场，电场强度 0.5千伏/毫米，加压速率为3伏/分钟，保压30分钟。
4.3、将步骤4.2中所述直流电场降低至原电场的1/5，降压速率为3伏/ 分，同时晶体以0.5℃/分钟的速度缓慢降温至室温，取出晶体，获得单畴态 弛豫铁电晶体如图5所示。
4.4、在步骤4.3中所述晶体的电极2(共面电极)上施加电场极化。电 场强度0.3千伏/毫米，加压速率为3伏/分钟，保压30分钟，使局部的电畴 向水平方向反转，如图6所示。
通过以上步骤，可获得新型高性能直波导电光相位调制器，如图7所示。
实施例2
1、晶体加工
1.1、将[110]晶向的正交相PIMNT体系弛豫铁电单晶选择无裂纹，结晶 完好的区域，三维定向，并切割成实验所需的形状10*4*3毫米(a*b*c)，将 平面1，平面2及其平行平面进行研磨并抛光，如图1所示。用砂纸轻轻研 磨至无明显划痕，然后在抛光机上进行抛光至接近光学平面(平整度小于1 微米)，得到实验所需样品。
2、退火
2.1、将步骤1中所述[110]晶向的正交相PIMNT体系弛豫铁电单晶样品 进行退火处理，消除其在生长、切割、抛光以及铁电相形成时所产生的应力。 将晶体置于气氛炉中，以每分钟4℃/分钟的速率升温至500℃，保温15小时。
2.2、将步骤2.1中所述晶体以4℃/分钟的速率降温至高于居里温度5℃ 处，以0.1℃/分钟速率降温通过顺电-铁电相变，消除晶体内部新相形成时的 自发应变，降温至低于居里温度5℃后，自然降温至室温。
3、光刻镀电极
3.1、在上述步骤2中所得晶体平面1上涂覆正性光刻胶，涂覆速度为2000 转/分，时间为50秒，要求胶膜均匀，与晶体表面粘附良好，无灰尘，无杂 质。
3.2、将步骤3.1中所得涂覆光刻胶的晶体放入烘箱中进行加热处理促使 胶膜体内的溶剂充分挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与样品的粘附性和胶膜 的耐磨性，烘干的温度为90℃，时间为60分钟。
3.3、将特制掩模板(如图2所示)覆盖在步骤3.2中所得晶体平面1上， 掩膜板中间的隔挡宽度L为5微米，采用光刻机进行曝光，光源为436纳米 左右的紫外光，曝光时间为20秒。
3.4、将步骤3.3中所述晶体样品用显影溶液进行显影，显影溶液是由显 影液与去离子水按照2：1的体积比配制得到，曝光后的样品放入用有机溶剂 配制的显影液中，显影时间20秒，使感光部分的光刻胶溶掉，留下未感光部 分的胶膜，从而显现出所需要的图形，如图3所示。
3.5、步骤3.4中所述晶体经过显影后，胶膜会发生软化和膨胀，影响胶 膜抗腐蚀能力。因此在显影之后，对晶体进行干燥，去除显影液和水分，使 胶膜坚固，温度为80℃，时间为5分钟。
3.6、在步骤3.5中所述晶体平面1与其平行平面(即垂直[110]方向的平 面)溅射电极，包括金电极和铝电极，厚度为250纳米左右。
3.7、将步骤3.6中所述单畴态晶体置于丙酮中，经过超声清洗，将未曝 光的光刻胶及其电极溶解(即空白狭缝)，最后在晶体平面1得到如图4所示 电极2和电极3，其平行平面覆盖全电极1。
4、单畴化和局部畴转
4.1、将上述步骤3中所述晶体置于自行搭建的极化装置中，晶体在硅油 浴中加热至120℃，升温速率为2℃/分钟，保温5分钟。
4.2、在上述步骤4.1中所述晶体上施加沿[110]方向直流电场，电场强度 2千伏/毫米，加压速率为20伏/分钟，保压15分钟。
4.3、将步骤4.2中所述直流电场降低至原电场的2/5，降压速率为25伏 /分，同时晶体以2℃/分钟的速度缓慢降温至室温，取出晶体，获得单畴态弛 豫铁电晶体，如图5所示。
4.4、在步骤4.3中所述晶体的电极2和电极3上施加电场极化。电场强 度1千伏/毫米，加压速率为25伏/分钟，保压15分钟，使局部的电畴向水 平方向反转，如图6所示。
通过以上步骤，可获得新型高性能直波导电光相位调制器，如图7所示。
实施例3
1、晶体加工
1.1、将[111]晶向的三方相PMNT体系弛豫铁电单晶选择无裂纹，结晶 完好的区域，三维定向，并切割成实验所需的形状6*4*4毫米(a*b*c)，将 平面1，平面2及其平行平面进行研磨并抛光，如图1所示。用砂纸轻轻研 磨至无明显划痕，然后在抛光机上进行抛光至接近光学平面(平整度小于1 微米)，得到实验所需样品。
2、退火
2.1、将步骤1中所或[111]晶向的三方相PMNT体系弛豫铁电单晶样品 进行退火处理，消除其在生长、切割、抛光以及铁电相形成时所产生的应力。 将晶体置于气氛炉中，以每分钟2℃/分钟的速率升温至700℃，保温1小时。
2.2、将步骤2.1中所述晶体以2℃/分钟的速率降温至高于居里温度30℃ 处，以1℃/分钟速率降温通过顺电-铁电相变，消除晶体内部新相形成时的自 发应变，降温至低于居里温度30℃后，自然降温至室温。
3、光刻镀电极
3.1、在上述步骤2中所得晶体平面1上涂覆正性光刻胶，涂覆速度为5000 转/分，时间为20秒，要求胶膜均匀，与晶体表面粘附良好，无灰尘，无杂 质。
3.2、将步骤3.1中所得涂覆光刻胶的晶体放入烘箱中进行加热处理促使 胶膜体内的溶剂充分挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与样品的粘附性和胶膜 的耐磨性，烘干的温度为120℃，时间为5分钟。
3.3、将特制掩模板(如图2所示)覆盖在步骤3.2中所得晶体平面1上， 掩膜板中间的隔挡宽度L为10微米，采用光刻机进行曝光，光源为365纳 米左右的紫外光，曝光时间为40秒。
3.4、将步骤3.3中所述晶体样品用显影溶液进行显影，显影溶液是由显 影液与去离子水按照3：1的体积比配制得到，曝光后的样品放入用有机溶剂 配制的显影液中，显影时间15秒，使感光部分的光刻胶溶掉，留下未感光部 分的胶膜，从而显现出所需要的图形，如图3所示。
3.5、步骤3.4中所述晶体经过显影后，胶膜会发生软化和膨胀，影响胶 膜抗腐蚀能力。因此在显影之后，对晶体进行干燥，去除显影液和水分，使 胶膜坚固，温度为120℃，时间为0.5分钟。
3.6、在步骤3.5中所述晶体平面1与其平行平面(即垂直[111]方向的平 面)溅射电极，包括金电极和铝电极，厚度为150纳米左右。
3.7、将步骤3.6中所述单畴态晶体置于丙酮中，经过超声清洗，将未曝 光的光刻胶及其电极溶解(即空白狭缝)，最后在晶体平面1得到如图4所示 电极2和电极3，其平行平面覆盖全电极1。
4、单畴化和局部畴转
4.1、将上述步骤3中所述晶体置于自行搭建的极化装置中，晶体在硅油 浴中加热至40℃，升温速率为1℃/分钟，保温0分钟。
4.2、在上述步骤4.1中所述晶体上施加沿[111]方向直流电场，电场强 度0.3千伏/毫米，加压速率为50伏/分钟，保压10分钟。
4.3、将步骤4.2中所述直流电场降低至原电场的4/5，降压速率为50伏 /分，同时晶体以1℃/分钟的速度缓慢降温至室温，取出晶体，获得单畴态弛 豫铁电晶体，如图5所示。
4.4、在步骤4.3中所述晶体的电极2和电极3上施加电场极化。电场强 度0.5千伏/毫米，加压速率为50伏/分钟，保压5分钟，使局部的电畴向水 平方向反转，如图6所示。
通过以上步骤，可获得新型高性能直波导电光相位调制器，如图7所示。

Claims (10)

1.一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，包括作为介质层的长方体单晶，单晶的上表面设置有上电极层，单晶的下表面设置有下电极层，所述下电极层完整覆盖在单晶的下表面，上电极层覆盖在单晶的上表面，且上电极层通过空白狭缝分割为对称的两部分。
2.根据权利要求1所述的一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3体系弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3体系弛豫铁电单晶。
3.根据权利要求2所述的一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相或[001]晶向的四方相结构。
4.根据权利要求1所述的一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，长方体单晶的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫米。
5.一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：晶体加工；选择弛豫铁电单晶无裂纹，结晶完好的区域，三维定向，并切割成长方体晶体，并对长方体晶体面积最大的平面及与其相邻的两个平行平面进行研磨并抛光形成光学面；
步骤2：退火；将步骤1中得到的弛豫铁电单晶进行退火处理；
步骤3：光刻镀电极；将步骤2中得到的弛豫铁电单晶面积最大的光学平面进行光刻镀电极，在其平行平面直接镀电极；
步骤4：单畴化和局部畴转；将步骤3中得到的弛豫铁电单晶进行单畴化和局部畴转处理即得到高性能直波导型电光相位调制器。
6.根据权利要求5所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤1中所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3体系弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3体系弛豫铁电单晶，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相或[001]晶向的四方相结构。
7.根据权利要求5所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤1中长方体晶体的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫米；步骤1中抛光面的平整度小于1微米。
8.根据权利要求5所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤2的退火处理过程包括：
步骤2.1：将步骤1得到的弛豫铁电单晶置于气氛炉中，以0.2～4℃/分钟的速率升温至500～800℃，保温1～30小时；
步骤2.2：将步骤2.1中得到的晶体以0.2～4℃/分钟的速率降温至高于居里温度5～30℃处，然后再以0.05～1℃/分钟速率降温至低于居里温度5～30℃后，自然降温至室温。
9.根据权利要求5所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤3的光刻镀电极过程包括：
步骤3.1：在步骤2得到的弛豫铁电单晶面积最大的光学平行平面上涂覆正性光刻胶，涂覆速度为2000～5000转/分，时间为20～50秒；
步骤3.2：将步骤3.1中所得涂覆光刻胶的晶体在90～120℃温度下烘干5～60分钟；
步骤3.3：将掩模板覆盖在步骤3.2所得晶体面积最大的光学平面上，掩膜板中间的隔挡宽度L为0.5～10微米，采用光刻机进行曝光得到曝光后的样品，光源为193～436纳米的紫外光，曝光时间为20～60秒；
步骤3.4：将曝光后的样品用显影溶液进行显影，显影溶液是由显影液与去离子水按照1：1～3：1的体积比配制得到，具体为将曝光后的样品放入显影溶液中，使感光部分的光刻胶溶掉，留下未感光部分的胶膜，从而显现出所需要的图形，显影时间15-40秒；
步骤3.5：对经步骤3.4显影后的晶体进行干燥，干燥温度为80～120℃，时间为0.5～5分钟；
步骤3.6：在步骤3.5得到的晶体面积最大的光学平面上溅射电极，所述电极为金电极或铝电极，电极厚度为100～250纳米；
步骤3.7：将步骤3.6得到的单畴态弛豫铁电晶体置于丙酮中，经过超声清洗，将未曝光的光刻胶及其电极溶解，最后在此抛光表面上得到共面电极，其平行平面覆盖全电极。
10.根据权利要求9所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤4的单畴化和局部畴转过程包括：
步骤4.1：将步骤3得到的晶体在硅油浴中加热至40～250℃，升温速率为0.5～2℃/分钟，保温0～60分钟；
步骤4.2：在步骤4.1得到的晶体上施加沿[001]、[110]或[111]方向直流电场，电场强度0.3～2千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压10～30分钟；
步骤4.3：将步骤4.2中直流电场强度降低至原电场强度的4/5～1/5，降压速率为3～50伏/分，同时晶体以0.5～2℃/分钟的速度降温至室温，取出晶体，即获得单畴态弛豫铁电晶体；
步骤4.4：在步骤4.3得到的晶体的共面电极上施加电场，电场强度为0.3～1千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压5～30分钟，使局部的电畴向水平方向反转，获得直波导型电光调制器。
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