CN108957901A - 极化晶体波导器件及其制备方法和应用 - Google Patents

极化晶体波导器件及其制备方法和应用 Download PDF

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许艺斌
李广伟
冯新凯
古克义
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Abstract

本申请公开了一种极化晶体波导器件及其制备方法和应用，所述极化晶体波导器件从上至下依次包括涂覆层II，涂覆层I，质子交换层或金属扩散层和极化晶体。所述波导器件依靠光波导结构的有效折射率差限制住光的散射，从而提高光功率密度，可以通过倍频、和频、差频等光学频率转换方法，获得高转换效率腔外单通激光输出，同时降低整个激光器的体积。

Description

极化晶体波导器件及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及一种极化晶体波导器件及其制备方法和应用，属于激光元器件领域。
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。
常用的极化晶体块状结构，一般在用于腔内频率转换时效率较高，而用在腔外频率转换时效率极低，从而限制其用途。此外现有的掩埋波导器件在制备时需要较为精确的对准技术，波导线条不能存在断线、起伏等情况，光刻工艺难度更大。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种极化晶体波导器件，该解决一些特殊激光器需要腔外频率转换时转换效率较低等缺点，该器件可以有效地提高光功率密度，可以通过倍频、和频、差频等光学频率转换方法，获得高转换效率腔外单通激光输出，同时降低整个激光器的体积。
所述极化晶体波导器件，其特征在于，所述极化晶体波导器件从上至下依次包括涂覆层II，涂覆层I，质子交换层或金属扩散层和极化晶体。
所述质子交换层或金属扩散层为质子交换层或金属扩散层。
可选地，所述极化晶体波导器件从上至下依次为涂覆层II，涂覆层I，质子交换层或金属扩散层和极化晶体。
可选地，所述极化晶体波导器件中所述涂覆层II的折射率最低；
所述涂覆层I的折射率低于所述极化晶体的折射率。
可选地，所述质子交换层或金属扩散层的折射率沿着深度方向递减；
其中，所述深度方向为质子交换层或金属扩散层沿向所述极化晶体的方向。
可选地，所述涂覆层II的厚度为0.5～10μm；
所述涂覆层I的厚度为0.1μm～5μm；
所述质子交换层或金属扩散层的深度为0.5～3μm；
所述极化晶体的厚度为0.1mm～1mm。
可选地，所述涂覆层I的厚度为2μm。
所述极化晶体的厚度为0.5mm。
可选地，所述涂覆层I的形状为光波导回路形状；
所述极化晶体结构选自单周期、多周期、啁啾或级联。
可选地，所述涂覆层I的形状选自条状、马赫增、环形腔中的至少一种。
可选地，所述涂覆层I的形状选自条状、带状、薄膜状中的至少一种。
可选地，所述质子交换层或金属扩散层上制备涂覆层I，起到改变有效折射率的功能，在极化晶体中形成四方限制的光波导。
可选地，在质子交换层或金属扩散层上制备一层条状或其他光波导回路形状的涂覆层，起到改变有效折射率的功能，从而在极化晶体中形成四方限制的光波导。
可选地，所述涂覆层II包括SiO2、MgF中的一种；
所述涂覆层I包括SixNy、Ta2O5、HfO2、Al2O5、ZrO2、Nb2O5中的至少一种；
所述质子交换层包括所述极化晶体经过质子交换，退火获得的薄膜层；
所述金属扩散层包括金属离子进入所述极化晶体表面获得的薄膜层；
所述极化晶体包括周期性极化晶体中的一种。
可选地，所述涂覆层I的折射率略低于极化晶体的折射率。
可选地，所述涂覆层II的折射率最低。
可选地，所述的质子交换层为所述极化晶体中Li+或K+等离子与H+交换，并进行退火扩散；金属扩散层则是Ti+或Zn+等进入极化晶体表面，从而形成一层较薄的扩散层，退火质子交换层或金属扩散层的深度为0.5～3μm，折射率nx沿着深度方向递减。
可选地，所述金属离子包括Ti+、Zn+、Ge+中的一种。
可选地，所述极化晶体包括周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)、周期性极化磷酸氧钛钾晶体(PPKTP)、周期性极化钽酸锂晶体(PPLT)、周期性极化锗酸硼锂晶体(PPLBGO)、周期性极化砷酸钛氧铷晶体(PPRTP)、周期性极化元素掺杂铌酸锂晶体、周期性极化元素掺杂钽酸锂晶体。
可选地，所述元素掺杂选自金属元素掺杂中的一种。
可选地，所述掺杂的元素选自Mg、Zn中的至少一种。
可选地，所述极化晶体的崩边≤0.1mm。
可选地，所述极化晶体的两个通光端面进行抛光，所述抛光后的端面上含有增光膜或高反膜。
所述抛光为光学级的晶体抛光。
可选地，所述极化晶体的两个端面都进行了光学级的晶体抛光，其崩边≤0.1mm；所述极化晶体的两端的抛光面镀上增透膜或高反膜。
作为其中一种具体的实施方式，所述极化晶体导波器件包括：所述器件的制作步骤是首先在极化晶体表面制作一层较薄的退火质子交换层或金属扩散层，然后在上面制备一层条状或光波导回路形状的涂覆层，最后在器件的整个上表面再覆盖一层低折射率的涂覆层，并对两个通光端面进行抛光、镀膜。
本申请的又一方面，提供了上述任一项所述的极化晶体波导器件的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在极化晶体表面制备质子交换层或金属扩散层；
(2)在所述质子交换层或金属扩散层表面制备涂覆层I；
(3)在所述涂覆层I表面制备涂覆层II。
可选地，步骤(1)中所述质子交换层或金属扩散层在制备之前，所述极化晶体进行洗净预处理。
可选地，步骤(1)中所述质子交换层的制备方法包括：将所述极化晶体进行质子交换，退火，在所述极化晶体表面获得所述质子交换层。
可选地，步骤(1)中所述金属扩散层的制备方法包括：在500～600℃的条件下，将镀有金属薄膜的极化晶体，进行富氧扩散15～50个小时。
可选地，所述金属薄膜中的金属包括Ti、Zn、Ge中的一种。
可选地，所述金属薄膜的镀制可通过现有技术中的方法获得。
可选地，所述涂覆层I和涂覆层II均可通过现有技术中的方法获得。
可选地，步骤(2)中所述涂覆层I的制备方法包括：通过等离子体气相沉积、电子束蒸发或磁控溅射，光刻，刻蚀得到涂覆层I。
可选地，步骤(3)中所述涂覆层II的制备方法包括：通过等离子体气相沉积、电子束蒸发或磁控溅射得到涂覆层II。
步骤(1)中所述金属扩散层的制备方法包括：在500～600℃的高温下，将镀有Ti、Zn、Ge等金属薄膜的极化晶体晶圆，进行富氧扩散15～50个小时。
步骤(2)中所述涂覆层I的制备方法包括：通过等离子体气相沉积(或电子束蒸发、或磁控溅射)、光刻、刻蚀等工艺流程得到条状或马赫增、环形腔等光波导回路形状的涂覆层I；
步骤(3)中所述涂覆层II的制备方法包括：通过等离子体气相沉积(或电子束蒸发、或磁控溅射)得到涂覆层II。可选地，所述质子交换包括：将所述极化晶体置于弱酸性溶液中，200～250℃质子交换5～8小时。
可选地，质子交换的条件为：220℃质子交换6小时。
可选地，所述弱酸性溶液包括苯甲酸溶液、焦磷酸溶液、草酸溶液中的至少一种。
可选地，所述退火的条件为：富氧条件下退火3～6小时，退火的温度为300～350℃。
可选地，退火的时间为4小时。
可选地，所述方法还包括：
(4)对所述极化晶体的两个通光端面进行抛光，镀制增透膜或高反膜。
可选地，所述极化晶体的两个同光端面均进行抛光，镀制与极化晶体相匹配的波段的增透膜或高反膜。
作为其中一种具体的实施方式，所述方法包括：
极化晶体表面制作一层较薄的退火质子交换层或金属扩散层，然后在上面制备一层条状或光波导回路形状的涂覆层，最后在器件的整个上表面再覆盖一层低折射率的涂覆层，并对两个通光端面进行抛光、镀膜。
本申请的又一方面，提供了上述任一项所述的极化晶体导波器件、根据上述任一项所述的方法制备得到的极化晶体导波器件中的至少一种采用1064nm激光器通过耦合棱镜调节进入波导，获得532nm的绿光输出；或
采用1064nm激光器和1310nm激光器通过耦合棱镜调节进入波导，获得589nm的黄光输出。
本申请中，上述任一项所述的极化晶体导波器件、根据上述任一项所述的方法制备得到的极化晶体导波器件中的至少一种获得超过16％的高转换效率的激光输出。
本申请中，上述任一项所述的极化晶体导波器件、根据上述任一项所述的方法制备得到的极化晶体导波器件中的至少一种获得超过35％的高转换效率的激光输出。
本申请中，“富氧”，是指氧气体积分数超过21％的含氧气氛。
本申请中，“SixNy”为硅氮化物，包括多种由硅元素和氮元素组成的化合物及其任意组合形成的混合物，如SiN2、Si2N5等。
本申请能产生的有益效果包括：
1)该波导器件依靠光波导结构的有效折射率差限制住光的散射，从而提高光功率密度，可以通过倍频、和频、差频等光学频率转换方法，获得高转换效率腔外单通激光输出，同时降低整个激光器的体积。
2)本发明所提供的一种高转换效率极化晶体波导器件，采用1064nm等波段的激光器直接进行腔外泵浦该器件，可以获得高转换效率的激光输出。
附图说明
图1为本申请提供的一种高转换效率极化晶体波导器件；其中，(a)为端面示意图，(b)为三维剖视图。
部件和附图标记列表：
1为周期极化晶体，2为退火质子交换层或金属扩散层，3为条状或光回路形状的涂覆层I，4为最上表面的涂覆层II。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均可以通过商业途径购买。其中，掺镁铌酸锂晶体的来源为Yamaju公司；
本申请中提供的极化晶体波导器件，所述极化晶体波导器件从上至下依次包括涂覆层II，涂覆层I，质子交换层或金属扩散层和极化晶体。
作为其中一种具体的实施方式，所述极化晶体波导器件中所述涂覆层II的折射率最低；
所述涂覆层I的折射率低于所述极化晶体的折射率。
作为其中一种具体的实施方式，所述质子交换层或金属扩散层的折射率沿着深度方向递减；
其中，所述深度方向为质子交换层或金属扩散层沿向所述极化晶体的方向。
作为其中一种具体的实施方式，所述涂覆层II的厚度为0.5～10μm；
所述涂覆层I的厚度为0.1-5μm；
所述质子交换层或金属扩散层的深度为0.5～3μm；
所述极化晶体的厚度为0.1mm～1mm。
作为其中一种具体的实施方式，所述涂覆层I的形状为条状或光波导回路形状；
所述极化晶体结构选自单周期、多周期、啁啾或级联。
作为其中一种具体的实施方式，所述涂覆层II包括SiO2、MgF中的一种；
所述涂覆层I包括SixNy、Ta2O5、HfO2、Al2O5、ZrO2、Nb2O5中的一种或几种混合；
所述质子交换层包括所述极化晶体经过质子交换，退火获得的物质；
所述金属扩散层包括金属离子进入所述极化晶体表面获得的物质。
优选地，所述金属离子选自Ti+、Zn+、Ge+中的一种；
所述极化晶体包括周期性极化晶体中的一种。
优选地，所述极化晶体包括周期性极化铌酸锂晶体、周期性极化磷酸氧钛钾晶体、周期性极化钽酸锂晶体、周期性极化锗酸硼锂晶体、周期性极化砷酸钛氧铷晶体、周期性极化元素掺杂铌酸锂晶体、周期性极化元素掺杂磷酸氧钛钾晶体、周期性极化元素掺杂钽酸锂晶体、周期性极化元素掺杂锗酸硼锂晶体或周期性极化元素掺杂砷酸钛氧铷晶体。
优选地，所述极化晶体的崩边≤0.1mm。
优选地，所述极化晶体包括两个抛光端面，所述抛光端面上含有增光膜或高反膜。
实施例1
本实施例中提出一种高转换效率极化铌酸锂晶体波导器件，可用来获得波长为532nm的绿光。具体如下：
首先对的掺镁铌酸锂晶体进行周期性极化工艺处理，晶体长度为50mm长，宽度为8mm，厚度为0.5mm，极化周期为7.0μm；将极化掺镁铌酸锂晶体1的﹢z面洗净，然后放入高纯度苯甲酸溶液(纯度为99.5％)中，在220℃下，进行6小时质子交换，接着在富氧情况下，320℃的条件下退火4个小时，获得高质量的退火质子交换层2；在退火质子交换层2上制备一层条状的Ta2O5涂覆层，其宽度为6μm，高度为2μm；最后在最上表面制作SiO2涂覆层，具体结构参见图1((a)为端面示意图，(b)为三维剖视图)。对通光方向的两面进行抛光(崩边≤0.1mm)，并通过电子束蒸发镀上1064nm和532nm增透膜(R≤0.1％)。
其中，所述Ta2O5涂覆层的制备方法为：通过等离子体气相沉积，光刻，刻蚀得到条状的Ta2O5涂覆层。
所述SiO2涂覆层的制备方法：通过等离子体气相沉积得到SiO2涂覆层。
所述SiO2涂覆层的厚度为3μm。
用1064nm激光器通过耦合棱镜，并由调整架调节进入波导，在输出端用光功率计接收，获得超过35％的高转换效率的532nm激光输出。
实施例2
本实施例中提出一种高转换效率极化铌酸锂晶体波导器件，可用来获得波长为589nm的黄光。具体如下：
首先对的掺镁铌酸锂晶体进行周期性极化工艺处理，晶体长度为50mm长，宽度为8mm，厚度为0.5mm，极化周期为10.3μm；将极化掺镁铌酸锂晶体1的﹢z面洗净，在其上镀上100nm厚度的Ti金属层，然后放入在富氧情况下，设置温度为550℃，金属扩散30个小时，获得高质量的金属扩散层2；在金属扩散层2上制备一层条状的Ta2O5涂覆层，其宽度为6.5μm，高度为2μm；最后在最上表面制作SiO2涂覆层，具体结构参见图1((a)为端面示意图，(b)为三维剖视图)。对通光方向的两面进行抛光，并通过电子束蒸发镀上1064nm、1310nm和589nm增透膜(R≤0.1％)。
其中，所述Ta2O5涂覆层的制备方法为：通过磁控溅射，光刻，刻蚀得到条状Ta2O5涂覆层。
所述SiO2涂覆层的制备方法：通过电子束蒸发得到SiO2涂覆层。
所述SiO2涂覆层的厚度为3μm。
用1064nm激光器和1310nm激光器通过光纤耦合、合束器、耦合棱镜，并由调整架调节进入波导，在输出端用光功率计接收，获得超过16％的高转换效率的589nm激光输出。
实施例3
本实施例中提出一种高转换效率极化铌酸锂晶体波导器件，制备方法与实施例1类似，区别之处在于：
质子交换层的制备过程中：质子交换的温度为200℃，时间为8小时；退火温度为300℃，退火6小时。
其余条件参数与实施例1相同。
实施例4
本实施例中提出一种高转换效率极化铌酸锂晶体波导器件，制备方法与实施例1类似，区别之处在于：
质子交换层的制备过程中：质子交换的温度为250℃，时间为5小时；退火温度为350℃，退火3小时。
其余条件参数与实施例1相同。
实施例5
本实施例中提出一种高转换效率极化铌酸锂晶体波导器件，制备方法与实施例2类似，区别之处在于：
金属扩散层的制备过程中：金属层为Zn层，扩散的温度为500℃，时间为50小时。
其余条件参数与实施例2相同。
实施例6
本实施例中提出一种高转换效率极化铌酸锂晶体波导器件，制备方法与实施例2类似，区别之处在于：
金属扩散层的制备过程中：金属层为Ge层，扩散的温度为600℃，时间为15小时。
其余条件参数与实施例2相同。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种极化晶体波导器件，其特征在于，所述极化晶体波导器件从上至下依次包括涂覆层II，涂覆层I，质子交换层或金属扩散层和极化晶体。
2.根据权利要求1所述的极化晶体波导器件，其特征在于，所述极化晶体波导器件中所述涂覆层II的折射率最低；
所述涂覆层I的折射率低于所述极化晶体的折射率。
3.根据权利要求1所述的极化晶体波导器件，其特征在于，所述质子交换层或金属扩散层的折射率沿着深度方向递减；
其中，所述深度方向为质子交换层或金属扩散层沿向所述极化晶体的方向。
4.根据权利要求1所述的极化晶体波导器件，其特征在于，所述涂覆层II的厚度为0.5～10μm；
所述涂覆层I的厚度为0.1μm～5μm；
所述质子交换层或金属扩散层的深度为0.5～3μm；
所述极化晶体的厚度为0.1mm～1mm。
5.根据权利要求1所述的极化晶体波导器件，其特征在于，所述涂覆层I的形状为光波导回路形状；
所述极化晶体结构选自单周期、多周期、啁啾或级联；
优选地，所述涂覆层I的形状选自条状、马赫增、环形腔中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的极化晶体波导器件，其特征在于，所述涂覆层II包括SiO2、MgF中的一种；
所述涂覆层I包括SixNy、Ta2O5、HfO2、Al2O5、ZrO2、Nb2O5中的至少一种；
所述质子交换层包括所述极化晶体经过质子交换，退火获得的薄膜层；
所述金属扩散层包括金属离子进入所述极化晶体表面获得的薄膜层；
优选地，所述金属离子包括Ti+、Zn+、Ge+中的一种；
所述极化晶体包括周期性极化晶体中的一种；
优选地，所述极化晶体包括周期性极化铌酸锂晶体、周期性极化磷酸氧钛钾晶体、周期性极化钽酸锂晶体、周期性极化锗酸硼锂晶体、周期性极化砷酸钛氧铷晶体、周期性极化元素掺杂铌酸锂晶体、周期性极化元素掺杂钽酸锂晶体；
优选地，所述掺杂的元素选自Mg、Zn中的至少一种；
优选地，所述极化晶体的崩边≤0.1mm；
优选地，所述极化晶体的两个通光端面进行抛光，所述抛光后的端面上含有增光膜或高反膜。
7.权利要求1至6任一项所述的极化晶体波导器件的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在极化晶体表面制备质子交换层或金属扩散层；
(2)在所述质子交换层或金属扩散层表面制备涂覆层I；
(3)在所述涂覆层I表面制备涂覆层II。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述质子交换层的制备方法包括：将所述极化晶体进行质子交换，退火，在所述极化晶体表面获得所述质子交换层；
优选地，所述质子交换包括：将所述极化晶体置于弱酸性溶液中，200～250℃质子交换5～8小时；
优选地，所述退火的条件为：富氧条件下退火3～6小时，退火的温度为300～350℃；
步骤(1)中所述金属扩散层的制备方法包括：在500～600℃的条件下，将镀有金属薄膜的极化晶体，进行富氧扩散15～50个小时；
优选地，所述金属薄膜中的金属包括Ti、Zn、Ge中的一种；
步骤(2)中所述涂覆层I的制备方法包括：通过等离子体气相沉积、电子束蒸发或磁控溅射，光刻，刻蚀得到涂覆层I；
步骤(3)中所述涂覆层II的制备方法包括：通过等离子体气相沉积、电子束蒸发或磁控溅射得到涂覆层II。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
(4)对所述极化晶体的两个通光端面进行抛光，镀制增透膜或高反膜。
10.权利要求1至6任一项所述的极化晶体导波器件、根据权利要求7至9任一项所述的方法制备得到的极化晶体导波器件中的至少一种采用1064nm激光器通过耦合棱镜调节进入波导，获得532nm的绿光输出；或
采用1064nm激光器和1310nm激光器通过耦合棱镜调节进入波导，获得589nm的黄光输出。
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