[发明专利]二维质子交换MgO:PPLN脊波导的制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种PPLN光波导制备方法，尤其是二维质子交换MgO:PPLN脊波导的制备方法。

背景技术

LiNbO₃晶体具有良好的物理机械性能、较高的非线性光学系数、透光范围宽、透过率高等优良特性，已成为集成光学最常用的无机介电晶体材料。特别是，采用周期极化技术制备的周期极化LiNbO₃（PPLN）晶体可通过控制参与相互作用的激光偏振态实现高效的非线性光频变换，常见的有倍频、和频和差频变换。然而，对基于块状PPLN晶体的非线性频率变换而言，由于光斑尺寸与晶体长度之间存在制约，这使得激光转换效率较低。由描述非线性频率变换的耦合模理论可知，参与非线性作用的激光光斑尺寸及其模场耦合系数是影响激光频率转换效率的关键因素。若将PPLN晶体做成波导结构，波导的模式效应将激光光束约束在截面积很小的区域内传输，可极大地提高光功率密度和光场的耦合系数，相应的激光频率转换效率比采用块状晶体可高2-3个数量级。

目前的PPLN波导从结构角度主要分为掩埋波导和脊形波导两类：第一类波导在制备过程中主要是基于金属离子，如Ti、Ni、Zn等的扩散法或退火质子交换法(APE)，通过掩膜技术使PPLN晶体中局部区域折射率升高，从而形成掩埋的条形波导。长期以来，人们对于离子掺杂LiNbO₃波导是否适合于高功率情形下的光频转换一直存在争议，现有的研究结果显示Ti扩散PPLN波导在高功率密度条件下会出现严重的光折变效应，波导性能劣化明显。实验发现，在LiNbO₃ 晶体生长时掺入一定摩尔比的MgO，形成MgO:LiNbO₃ 晶体，可提高晶体的抗光损伤阈值，其抗光损伤能力比LiNbO₃增强了约100 倍，能适应波导器件对高光功率密度承受能力的要求，且Y 切MgO:LiNbO₃ 并不存在Y 切LiNbO₃ 在大部分酸中出现的表面损伤现象。但是，尽管APE PPLN波导在很大程度上克服了光折变效应，但由于波导与衬底的折射率对比度低，对激光光束的约束能力较弱，相应的非线性光频转换效率受到了一定的限制。与前者不同，脊形波导由于波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。

对于PPLN脊波导的制备，可采用半导体工艺中常用的干法/湿法刻蚀技术，但LiNbO₃独特的晶体结构和化学特性使得运用该类方法时也面临许多问题，比如，湿法刻蚀在LiNbO₃晶体±z轴向具有不同的刻蚀速度，被刻蚀的PPLN晶体表面会呈现类似光栅形状；干法刻蚀也存在工艺过程复杂、成本高、晶体表面粗糙度控制困难等问题。为寻求新的PPLN脊波导制备方法，近年来，人们又提出将不同材料的晶片，如LiNbO₃和LiTaO₃，通过光学环氧胶或将晶片表面离子化处理后直接粘结（Direct Bonding），然后经过机械打磨、抛光、切割等工艺制成脊波导。这种PPLN脊波导对激光光束具有很强的约束能力和较低的传输损耗，非常有利于提高激光变频效率。尽管直接粘结型脊波导具有优良的性能，但其独特的器件结构和制备工艺也决定了其存在一些固有的不足：首先，该波导需要两种不同的晶体材料，比如LiNbO₃和LiTaO₃，这将大大提高器件的材料成本；其次，由于波导的高度一般为6-20μm，这就要求PPLN晶片需通过打磨和抛光减小至原先厚度的1%左右，相应的机械控制精度至少应在微米/亚微米量级，大大增加了制备工艺的难度和成本；此外，波导和衬底不同的热膨胀系数以及打磨过程中存在的剩余应力，都会对波导性能和器件稳定性构成威胁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了二维质子交换MgO:PPLN脊波导的制备方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

       二维质子交换MgO:PPLN脊波导的制备方法，包括如下步骤；

       步骤1，抛光晶体端面；

       步骤2，切割晶体+z表面形成脊波导，所述脊波导的宽度为8-20μm，切割深度为30μm；

       步骤3，在衬底上，脊波导上表面、两个侧面上镀金属保护膜；