离子注入铌酸锂脊形光波导的倍频效应研究

摘要

随着集成光学领域理论和实验技术的进步，基于铌酸锂晶体及波导的集成光子器件在科研和工程上的应用受到人们越来越多的关注。
　　铌酸锂(Lithium niobate，LiNbO3,LN)是一种铁电氧化物晶体，它在可见光到中红外波段具有优异的电光、声光及非线性光学性能，是一种常用的集成光学光波导材料。铌酸锂可以通过电场极化在晶体中形成周期极化翻转结构，避免相位匹配中不同偏振光的走离效应，提高非线性过程的转换效率。周期极化反转结构与铌酸锂二维条形光波导结合可以制备出高转换效率的非线性器件，在许多领域，如量子信息处理、激光波长转换等都具有应用价值。本文主要研究碳离子注入周期性极化铌酸锂(Periodically Poled LiNbO3,PPLN)脊形波导的非线性产生及其性能。
　　离子注入(Ion Implantation)可以在铌酸锂晶体上制备出平面光波导。注入离子可以调制铌酸锂晶体注入区域的折射率，从而形成多种光波导结构。在已经发表的有关离子注入铌酸锂波导二阶非线性的研究结果中，氧(O)离子注入铌酸锂条形波导在980nm波长附近实现了二次谐波产生，但是具有很高的传输损耗，波导的归一化系数为34.5％/(W.cm2)。由离子注入造成的样品晶格损伤可通过后续的退火处理来降低，从而达到进一步提高样品非线性转换效率的目的。
　　脊形波导结构因为良好的限光能力和较小的模式体积而具备高的转换效率。铌酸锂中制备脊形波导结构主要通过湿法刻蚀、干法刻蚀等方法实现。湿法腐蚀利用了铌酸锂在氢氟酸溶液中的各向异性腐蚀特性，通过掩膜遮挡实现高质量的微结构制备。干法刻蚀主要有离子束铣(Ion Beam Milling)、反应离子蚀刻(Reactive Ion Beam Etching)以及聚焦离子束刻蚀(Focused Ion Beam Etching)等方法。最近十几年的研究表明金刚石刀精密切割技术(Precise Blade Dicing)也可以在铌酸锂晶体表面制备出低损耗的脊形波导结构。这也是本文所采用的方法。
　　本论文研究高能碳离子注入和金刚石刀切割法在周期性极化铌酸锂晶体上形成脊形光波导，通过光纤波导耦合研究铌酸锂波导的二次谐波产生效率和传输损耗，为铌酸锂集成光器件的发展提供新的研究思路。主要研究结果如下:
　　1、15MeV碳离子注入的周期性极化铌酸锂波导
　　选用碳(C)离子作为注入离子，注入能量15MeV。利用金刚石切割法在掺镁的铌酸锂晶体上制备出周期性极化铌酸锂波导。搭建光纤波导耦合平台，系统研究了不同退火条件后波导的二次谐波波长、转换效率以及波导的损耗。
　　研究结果表明脊形波导在1600nm（基频光）附近产生二次谐波，测量得到的脊形波导的最高转换效率为77.9％/W/cm2，这个效率已经可以与商用质子交换铌酸锂器件相媲美。
　　2、4/7.5MeV碳离子注入的周期性极化铌酸锂波导
　　选取4MeV和7.5MeV的C离子同时注入铌酸锂样品内，再通过金刚石切割技术制备周期极化铌酸锂脊形波导。通过反射法测量了波导二阶非线性系数（d33）在深度方向上的分布。测试结果表明波导区域内准相位匹配的二次谐波产生最高转换效率为30.4％/W/cm2，对应波导宽度为6.9μtm。

目录

声明

论文说明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景、意义与研究现状

1．2 本文主要研究内容

参考文献

第二章 基本理论和实验方法

2．1 铌酸锂晶体

2．2 铌酸锂波导的制备方法

2．3 波导中的三波耦合方程

2．4 准相位匹配

2．5 波导损耗

2．6 二维波导的制备方法Precise Blade Dicing

2．7 端面耦合

参考文献

第三章 15MeV碳离子注入周期性极化铌酸锂脊形光波导的导波及倍频特性研究

3．1 波导的制备

3．2 PPLN脊形光波导的倍频效应研究

3．3 本章小结

参考文献

第四章 4．5MeV／7MeV碳离子注入周期性极化铌酸锂脊形光波导的光学特性研究

4．1 波导的制备

4．2 4．5MeV／7MeV注入PPLN波导的倍频研究

4．3 本章小结

参考文献

第五章 总结

5．1 主要工作内容

5．2 主要创新点

攻读硕士学位期间发表的论文及获得的奖励

致谢

附录