[发明专利]一种光波导及其制备方法和一种波长转换器

说明书

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种光波导及其制备方法和一种波长转换器。

背景技术

在密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength-Division Multiplexing)波长路由网络中，全光波长转换技术可以实现波长的再利用，降低网络的阻塞率，分散网络的管理，提高网络的灵活性、可靠性以及可扩充性。全光波长转换成为下一代高速大容量光通信网络中实现波长路由、信号再生以及信号处理的关键基础性功能，具有极为广阔的应用前景。目前常用的全光波长转换技术主要包括：交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)、非线性光学环形腔(NOLM)、激光器增益饱和效应、四波混频(FWM)、二阶非线性效应等。在这些方案中，基于周期极化反转铌酸锂(PPLN)光波导二阶非线性效应的波长转换技术以其独到的优势，如飞秒(fs)量级的非线性作用响应速度、严格意义上的对信号光速率和调制形式完全透明，独特的多波长同时转换能力、转换过程噪声指数极低等，近年来受到越来越多国内外研究者的重视。

目前为止，制备LiNbO₃(铌酸锂)光波导的技术主要有Ti扩散法、退火质子交换法(APE)和液相外延薄膜法(LPE)，但是这三种制备工艺对于实现抗光折变效应、降低偏振相关性以及高转换效率的PPLN光波导来说都还存在着一些缺陷。对于Ti扩散法制备LiNbO₃光波导而言，尽管能够获得低损耗的光波导，但由于弱的光场限制和可见光范围内的光致折变效应影响，其波长转换效率较低。APE法制备的光波导与Ti扩散法相比具有波导制作温度低，形成波导速度快，抗光折变能力比Ti扩散波导至少强四个量级等优点，但是它也有一些缺点：首先利用APE方法制备的LiNbO₃光波导，弱小的光折变效应仍会引起准相位匹配条件的偏离，即使采用Mg或Zn掺杂的LiNbO₃光波导，还是需要高的工作温度来抑制光致折变效应的产生；其次，由于质子在波导内的移动，必须使用低温工作的掺杂的LiNbO₃晶体的衬底，当工作温度升高时，让质子扩散到衬底中；最后，退火质子交换后的光波导其电光效应和二阶非线性效应与大体积LiNbO₃晶体相比降低很多，而且对于Z-切的LiNbO₃晶体而言，APE法制备的光波导只是提高了异常光的折射率，而寻常光的折射率反而略有降低，因此，APE法制备的Z-切光波导只能传输TM模式的光，即APE法制备的光波导本身为偏振相关性的波导。LPE法制备的光波导，能够同时提高异常光和寻常光的折射率，即能够同时存在TE模和TM模，但是它也存在一些问题：首先生长一块制作波导层的厚度超过5um的薄膜非常困难，而且由于生长速度和薄膜生长过程中的缺陷会导致生长出来的薄膜质量不好，其次厚度小于5um的薄膜制成的光波导与光纤耦和的效率低。

因此，用现有制备工艺制备的LiNbO₃光波导的转换效率低、抗光折变性较差、偏振敏感性以及泵浦带宽太窄，导致LiNbO₃的全光波长转换器无法满足光通信系统实际应用。世界各地的研究者用各种办法来解决这些问题，如改善波导结构、改善波导制作方法、加入掺杂增加等，但都未得到令人十分满意的实验结果。

作为一例子，现有技术使用5-mol％ZnO掺杂的LN作为波导层，5mol％MgO掺杂的LN作为衬底，采用直接键合工艺完成波导层与衬底的结合，并做成波导层厚6.2um、宽10um、长50mm、极化周期为18um的波导结构。在此波导结构中，一方面利用Zn:LiNbO₃很好地抑制光致折变效应，一方面利用波导层与衬底的折射率差，实现对光波导内传输的光信号的抑制作用；另一方面此方法制得的波导结构能同时传输TE和TM模，在此基础上可以解决偏振相关的问题。

在实施本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有技术方案制备的LiNbO₃光波导泵浦响应带宽窄，仅为0.15nm，不能够实现对泵浦光的可调谐；波导层与衬底的折射率相差较小，仅为0.0042，不能很好地抑制光信号在光波导中的传输；掺锌铌酸锂晶体在高强激光照射下，光通过的地方会变为暗棕色，形成覆盖可见光区域的宽吸收带，导致晶体在倍频效应时对倍频光吸收增强，极大降低了转换效率。

发明内容