单晶铌酸锂薄膜的周期性极化及其应用

摘要

集成光学从20世纪末开始迅速发展，它将一系列微纳光学器件集成在同一块基底材料上，在通信、环境、传感等领域有重要的应用。
　　铌酸锂具有十分优异的电光、声光、光折变、非线性光学、铁电、压电等特性，广泛应用在集成光学以及光电子学中。近年来，使用离子注入和直接键合制备的单晶铌酸锂薄膜（lithium niobate on insulator, LNOI）为集成光学提供了重要的基底材料。因为铌酸锂薄膜与二氧化硅隔离层之间的折射率差比较大，在LNOI上的光波导及光电器件可以拥有更小的尺寸和弯曲半径，可以极大的提高器件的集成度，降低器件体积、功耗和阈值。目前，在LNOI的基底上报导了许多新型的光电器件，如电光调制器，微盘谐振腔，滤波器等。
　　周期性极化铌酸锂(periodically poled LN，PPLN)利用准相位匹配，能实现高效的非线性光学转换，在非线性光学领域具有重要应用。目前，用外加电场法在铌酸锂体材料上制备周期性铁电体畴的技术比较成熟。如果在LNOI中实现周期性极化，就能利用倍频、差频、和频等非线性效应，实现高集成度高效的非线性光学器件，应用在光信号处理、全光通信等领域。薄膜的极化也可以应用在铁电存储器上。X切铌酸锂薄膜下方不需要加金属电极，材料制备工艺比较简单，而Z切铌酸锂薄膜下方一般需要加金属电极，材料制备工艺相对复杂，并且金属电极可能会对光有吸收，影响光传播的效率。目前，在X切单晶铌酸锂薄膜上有关极化反转的工作还比较少，仅有德国帕德伯恩大学、美国加州大学圣芭芭拉分校、中佛罗里达大学等几个单位实现了X切铌酸锂单晶薄膜的周期性极化反转。
　　本论文在X切的单晶铌酸锂薄膜上利用外加电场法，实现了周期性的极化反转，利用选择性刻蚀法、压电力显微镜等手段研究了铁电体畴的物理性质，优化了实验条件，得到了结构完整均匀的铁电体畴。设计了倍频波导器件，分别在质子交换法和二氧化钛加载条方法形成的光波导中，模拟了波导模式分布、有效折射率等参数，计算了倍频器件的极化周期。主要研究结果如下:
　　1.搭建了脉冲电场极化装置，利用外加电场法，对X切单晶铌酸锂薄膜成功进行了周期性极化。极化周期为20μm，极化反转畴沿Z方向的长度为10μm。
　　2.利用选择性刻蚀法(HF∶ HNO3=1∶2)，观察到周期性极化的铁电体畴。利用压电力显微镜(piezoelectric force microscope，PFM)，分别研究了极化时间、极化电压、退火温度等参数对极化反转铁电畴的影响。发现随着极化电压加载时间的增长，极化反转铁电体畴的完整性增加。当极化完成后，对样品退火至400℃，可以进一步提高极化反转铁电畴的完整性和均匀性。
　　3.设计了具有周期性极化铁电体畴结构的波导倍频器件。分别在质子交换波导和二氧化钛加载条波导中，模拟了波导模式分布、有效折射率等参数，计算了基频光1260nm至1620nm的范围内，实现倍频所需要的极化周期。在质子交换波导中，极化周期为3.44～4.08μm，在二氧化钛加载条波导中，极化周期为3.94～4.21μm。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 本文主要研究内容

参考文献

第二章 基本原理及实验方法

2．1 单晶铌酸锂薄膜

2．2 光波导模式理论

2．3 微纳加工技术

2．4 准相位匹配理论

参考文献

第三章 单晶铌酸锂薄膜周期性极化反转与铁电畴性质研究

3．1 周期性极化反转原理

3．2 单晶铌酸锂薄膜的周期性极化

3．3 周期性铁电畴的选择性刻蚀法观测

3．4 周期性铁电畴的压电力显微镜研究

3．5 周期性铁电畴的特性研究

参考文献

第四章 单晶铌酸锂薄膜周期性极化波导倍频器件的设计

4．1 质子交换波导和二氧化钛加载条波导

4．2 质子交换周期性极化波导倍频器件的模拟和设计

4．3 二氧化钛加载条周期性极化波导倍频器件的模拟和设计

参考文献

第五章 总结

5．1 主要研究结果

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