CN112965269B - 一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器及其制备方法 - Google Patents

一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器及其制备方法，包括自准直空间型电光相位调制器包括电极(1)，掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层(2)和高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层(3)；其中在电极(1)的两极之间设置所述高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层(3)；所述掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层(2)成对地设置于高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层(3)与所述电极(1)形成的空间中。与现有的铌酸锂空间型电光相位调制器相比，本发明具有更低的半波电压、更大的光强承受能力、更低的传输损耗和更高的调制效率；输入光束无需进行准直，减少了系统复杂程度，可直接与大芯径、大模场光纤直接连接，扩展了应用场景。

Description

一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电光转换技术领域，尤其涉及一种自准直空间型电光相位调制器。
背景技术
激光冷却是利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。激光冷却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。近年来利用激光冷却原子实现量子计算是未来最具潜力的应用场景之一。在实现激光冷却的过程中，需要对多束光实现可控的相位调制。这是实现激光冷却的关键环节。因此，空间型相位调制器是激光冷却装置中必不可少的重要器件。目前主流的空间型相位调制器实现方式包括电光调制和声光调制器两种，所使用材料包括液晶，电光晶体等。
铌酸锂晶体是一种性能优异的电光材料，基于铌酸锂电光效应制成的电光调制器已经广泛应用于通信，传感领域。其中空间型铌酸锂电光相位调制器(Qubig GmnH，Germany)已经用于开发原子冷却装置中。相较于液晶空间光调制器，铌酸锂电光相位调制器有着更快的调制速度以及更大的光强承受能力。如图1所示，为现有的空间型铌酸锂电光相位调制器结构示意图。包括金属电极Au，并于金电极两极加载直流电压VDC。在使用时需要对入射光进行非常复杂和严格的准直，并且非常严格的地垂直入射。否者一旦入射光线在晶体内部传输时折射到金属电极Au表面，将会由于金属表面的电荷吸收导致光能量的损失。不同波长的光由金属反射一次损失的能量大约10％～50％不等。多次反射后光能量损失非常大。当然，避免金属电极Au对光吸收的问题可以采用金属电极和晶体材料之间镀制较厚的二氧化硅缓冲层的方法。但由于二氧化硅对整个介电结构的改变以及二氧化硅中残留Na等盐分离子的影响，会导致调制器的调制效率和调制波形等变差，极大地降低了器件的性能。因此需要寻找一种新的方法，解决上述矛盾。
发明内容
为了克服现有传感器所存在的光损耗导致的光信号强度不强、温度灵敏度不太高的不足，基于上述技术问题，本发明提出一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器及其制备方法，实现了一种利用气相传输平衡技术制备的自准直空间型电光相位调制器。
本发明为解决上述问题而采取的技术方案如下：
一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器，该电光相位调制器的结构包括自准直空间型电光相位调制器包括电极1，掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层2和高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层3；其中：
所述电极1的两极之间设置有所述高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层3；所述掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层2成对地设置于高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层3与所述电极1形成的空间中。
一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器制的备方法，该方法具体步骤如下：
步骤1、选择采用商业化的标准的0.5～3mm厚的Z切离子浓度为5mol％的镁掺杂铌酸锂晶片作为起始晶体材料；
步骤2、使用气相传输平衡法处理5mol％镁掺杂铌酸锂晶片：将这些镁掺杂铌酸锂晶片用铂丝包裹，置于具有富锂气氛的密闭两相坩埚中；然后，用同样由两相粉末制成的盖子密封坩埚；随后，将坩埚加热到目标温度1100℃，依据所需折射率加热时间，直至获得所需的折射率的晶体表面，获得约10～50微米厚的折射率渐变层；
步骤3、将步骤2处理过的镁掺杂铌酸锂晶片进行切割抛光打磨：把晶片切割成目标大小的晶棒，切割面使用化学机械抛光技术进行光学级的抛光，获得光学级平面；
步骤4、在折射率渐变层表面用蒸空镀膜的方式制作金电极；
步骤5、最后进行外壳封装，完成电光相位调制器器件的制作。
与现有的铌酸锂空间型电光相位调制器相比，本发明的一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器存在以下有益效果：
1)该调制器具有更低的半波电压，更大的光强承受能力，更低的传输损耗，更高的调制效率；
2)输入光束无需进行准直，减少了系统复杂程度，提高了可靠性，可直接与大芯径、大模场光纤直接连接，扩展了应用场景。
附图说明
图1是为现有的空间型铌酸锂电光相位调制器结构示意图；
图2是本发明的一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器结构示意图；
附图标记：1、电极，2、掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层，3、高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
本发明所基于的原理如下：通过采用某种方法改变电极下的晶棒近表层区域折射率，形成由晶棒内部到表面折射率逐渐降低的渐变分布，入射到晶棒内部的光如果进入到该折射率渐变的区域，光路将会发生弯折，光束始终趋向于由低折射率区域向高折射率区域偏折，光线将会由晶棒近表层区域又自动回到晶棒内部芯层，达到自准直的效果。例如，高斯光束入射到晶棒内部时，由高斯光束的表达式得到入射光的表达式如下：
Figure BDA0002964962870000031
将光束截面内，振幅下降到最大值的
Figure BDA0002964962870000032
时，离光轴的距离r＝ω(z)定义为该处的光束半径，ω0为光束的束腰，当光束从束腰传播到z＝±z0处时，光束半径
Figure BDA0002964962870000033
从束腰到该处的长度称为高斯光束的瑞利长度。在瑞利长度之外，高斯光束迅速发散，定义当z→∞时高斯光束振幅减小到最大值
Figure BDA0002964962870000041
处于z轴的夹角为光束的远场发散角(半角)表达式如下：
Figure BDA0002964962870000042
此时光线以θ0(θ0＝90°-θ)角度入射到折射率渐变层，由于该层有折射率梯度分布，由内而外逐渐降低。此时渐变层可以等效于k层不同折射率的薄层组成。其中第i层折射率为ni。低i+1层折射率ni+1<ni。假设高折射率芯层晶体折射率为n0，最靠近芯层的渐变层为第1层，其折射率为n1。光线由芯层进入第1渐变层线满足折射定律：
Figure BDA0002964962870000043
其中，θ1为光线进去第1渐变层的折射角。由于n1<n0，则θ1>θ0。该光线在第1渐变层对应的发散角(90-θ1)比初始θ更小了。以此类推，当光线进入到第i层时，发散角逐渐减小。可以通过控制折射率分布，最终使得光线经过一段渐变层后发散角趋近于0。在此过程中，光线依然在介质中传播，传输损耗与在芯层传输无异。
总之，由于折射率渐变层的引入，对入射光的准直度和入射角度的要求都降低了。特别是一些大芯茎、大模场的光纤激光器的输出光，尽管其端面出射的光束为为高斯光束，具有一定的发散角，仍然可以由光纤端面直接照射到调制器的晶棒端面，中间省去了复杂的准直光路，降低了系统的复杂度，提高了稳定性。
本发明的难点在于采取何种方法改变所述铌酸锂(特别是重掺5mol％MgO)晶棒近表面区域的折射率分布。本领域研究人员所熟知的能够降低铌酸锂晶体折射率，又能较好保留铌酸锂本身的电光性能的方法只有两种：一种是对铌酸锂进行富锂气相输运平衡(VTE)处理，增加晶体中的Li浓度，但这种方法可以减小晶体的e光折射率，VTE处理后的O光折射率几乎不会发生变化，甚至略有升高；另一种是对铌酸锂进行Mg掺杂。但由于本领域所使用的晶体材料多为5mol％镁掺杂铌酸锂，其镁掺杂浓度已经很高，通过外界再次掺入Mg2+离子非常困难，很容易破坏晶体原有结构。因此，上述两种方法并不可行。对镁掺杂铌酸锂晶体进行VTE处理时，处理初期会诱导晶体内部的Mg2+离子向晶体表面移动。晶体在富锂VTE处理过程中，外部锂离子迅速扩散到晶体中，为了维持电荷平衡，一些Mg2+离子被驱离它们自己的位置，剩下的空位也由Li+离子填补，当温度升高，镁离子反扩散到晶体表面，随着处理时间的增加Mg2+离子的浓度持续上升。晶体表面的Mg2+离子浓度C(Mg)与折射率ni的线性表达式为：
ni＝2.28792-0.00218*C(Mg)@633nm
通过控制VTE处理时间可以获得理想的表面层Mg2+离子浓度分布，形成一个由表面向晶体内部方向Mg2+离子浓度逐渐降低的薄层，同时VTE过程本身也会降低晶体表面e光折射率。最终形成的表面折射率梯度足以实现本发明中所述的改变光线传播路径，减小发散角的效果。
不仅如此，有研究表明使用富锂VTE处理后的掺镁铌酸锂晶体，其电光系数会提高，且Li+离子的进入会减小晶体内部的缺陷结构，从而减小晶体的散射损耗。更为重要的是，富锂VTE处理过的镁掺杂晶体具有更高的抗光损伤能力。因此能够承受更大功率的输入光照射。
如图2所示，为本发明的自准直空间型电光相位调制器的结构示意图，该调制器的结构包括电极1，掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层2和高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层3。所述高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层3采用离子浓度为5mol％的镁掺杂铌酸锂晶体。所述掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层2设置在高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层3与电极1之间。所述掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层2为深度10～50微米左右的经过VTE处理后的掺镁铌酸锂晶体。所述电极1采用金等材料。该电光相位调制器的剖面结构为上下表面金电极、掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层、高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层。掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层，其折射率由内而外逐渐减小，且都小于高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层折射率n0。
利用气相传输平衡技术制备出的掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层2为在富锂VTE处理的离子浓度为5mol％镁掺杂铌酸锂晶体。
本发明的一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器，具体制备步骤如下：
步骤1、选择材料：本发明选择的起始晶体可采用商业化的标准的0.5～3mm厚的Z切离子浓度为5mol％的镁掺杂铌酸锂晶片；
步骤2、使用气相传输平衡法处理5mol％镁掺杂铌酸锂晶片：将这些镁掺杂铌酸锂晶片用铂丝包裹，置于具有富锂气氛的密闭两相坩埚中，包裹处理是为了避免与待处理晶板之前的两相坩埚中所含的两相粉末接触；然后，用同样由两相粉末制成的盖子密封坩埚；随后，将坩埚加热到目标温度(1100℃)，加热时间依据所需折射率从10-50小时不等；直至获得所需的折射率的晶体表面，由于经过气相传输平衡处理的铌酸锂晶体在10～50微米的深度上折射率近似均匀，所以可以获得约10～50微米厚的折射率渐变层；
其中：两相坩埚的烧结由Li2NO3和粉末均Nb2O5匀混合形成富含锂的混合物，起始化学品Li2NO3和Nb2O5的纯度相同均为99.99％、摩尔比为68mol％(Li2NO3):32mol％(Nb2O5)；将富含锂的混合物加压并模压成内径为6cm、高度为4cm的坩埚模型，1000℃预焙烧10小时，1100℃进一步焙烧1小时，得到富锂气氛的两相坩埚；
步骤3、将步骤2处理过的镁掺杂铌酸锂晶片进行切割抛光打磨：把晶片切割成目标大小的晶棒，切割面使用化学机械抛光技术进行光学级的抛光，获得光学级平面；
步骤4、在折射率渐变层表面用蒸空镀膜的方式制作金电极；
步骤5、最后进行外壳封装，完成相位调制器器件的制作。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
本发明具体实施例具体描述如下：
该电光相位调制器的核心部件是一块长约1-5cm，截面尺寸为1×1mm至3×3mm的铌酸锂晶体棒。该部件折射率均匀分布，非准直光或非垂直入射的光很容易折射到晶体表面。在非镀制电极表面将有可能发生全反射，又重新回到晶棒内部。但在镀制了电极的晶棒表面，光将在金属界面发生反射。每次反射回晶棒内部的光的能量会有很大损失。利用气相传输平衡技术制备的本发明的一种自准直空间型铌酸锂电光相位调制器：通过选择一定厚度的z切离子浓度为5mol％的镁掺杂铌酸锂晶片，置于富锂气氛中进行气相平衡处理，使得晶体内部Mg2+离子向晶体表面运动，降低了晶体近表面层折射率，形成晶体近表面折射率渐变层，通过控制气相平衡处理时间来获得折射率渐变层的目标折射率分布。处理后的晶片被切割成目标尺寸的晶棒后，用化学机械抛光方法抛光切割面；然后在折射率渐变层外表面制作金电极。

Claims (6)

1.一种利用气相传输平衡技术制备的自准直空间型铌酸锂电光相位调制器，其特征在于，该电光相位调制器的结构包括自准直空间型电光相位调制器包括电极(1)，掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层(2)和高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层(3)；其中：
所述电极(1)的两极之间设置有所述高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层(3)；所述掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层(2)成对地设置于高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层(3)与所述电极(1)形成的空间中，
光线以θ0角度入射到折射率渐变层，渐变层等效于k层不同折射率的薄层组成，其中第i层折射率为ni，第i+1渐变层折射率ni+1<ni，高折射率芯层晶体折射率为n0，最靠近芯层的渐变层为第1渐变层，其折射率为n1，光线由芯层进入第1渐变层线满足折射定律：
Figure FDA0003733067270000011
其中，θ1为光线进去第1渐变层的折射角；
当光线进入到第i渐变层时，发散角逐渐减小，通过控制折射率分布，使得光线经过一段渐变层后发散角趋近于0，在此过程中，光线依然在介质中传播，传输损耗与在芯层传输无异。
2.如权利要求1所述的自准直空间型铌酸锂电光相位调制器，其特征在于，所述掺镁铌酸锂晶体近表面折射率渐变层(2)选择深度10-50微米的经过气相传输平衡处理后的掺镁铌酸锂晶体，其Mg2+离子浓度由表面向晶体内部逐渐升高；对应的，折射率由表面向晶体内部逐渐升高。
3.如权利要求1所述的自准直空间型铌酸锂电光相位调制器，其特征在于，所述高折射率掺镁铌酸锂晶体芯层(3)的厚度为0.5mm～3mm，长度为1cm～5cm。
4.如权利要求1所述的自准直空间型铌酸锂电光相位调制器，其特征在于，其中的掺镁铌酸锂晶体为离子浓度5mol％的镁掺杂铌酸锂晶体。
5.如权利要求1所述的自准直空间型铌酸锂电光相位调制器的制备方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
步骤1、选择采用商业化的标准的0.5～3mm厚的Z切离子浓度为5mol％的镁掺杂铌酸锂晶片作为起始晶体材料；
步骤2、使用气相传输平衡法处理5mol％镁掺杂铌酸锂晶片：将这些镁掺杂铌酸锂晶片用铂丝包裹，置于具有富锂气氛的密闭两相坩埚中；然后，用同样由两相粉末制成的盖子密封坩埚；随后，将坩埚加热到目标温度1100℃，依据所需折射率加热时间，直至获得所需的折射率的晶体表面，获得10～50微米厚的折射率渐变层；
步骤3、将步骤2处理过的镁掺杂铌酸锂晶片进行切割抛光打磨：把晶片切割成目标大小的晶棒，切割面使用化学机械抛光技术进行光学级的抛光，获得光学级平面；
步骤4、在折射率渐变层表面用蒸空镀膜的方式制作金电极；
步骤5、最后进行外壳封装，完成电光相位调制器器件的制作。
6.如权利要求5所述的自准直空间型铌酸锂电光相位调制器的制备方法，其特征在于，其中两相坩埚的具体制备过程如下：
两相坩埚的烧结由Li2NO3和粉末均Nb2O5匀混合形成富含锂的混合物，起始化学品Li2NO3和Nb2O5的纯度相同均为99.99％、Li2NO3/Nb2O5的摩尔比为68mol％:32mol％；将富含锂的混合物加压并模压成内径为6cm、高度为4cm的坩埚模型，1000℃预焙烧10小时，1100℃进一步焙烧1小时，得到富锂气氛的两相坩埚。
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