外加電場(chǎng)和溫度對(duì)鈮酸鋰器件光學(xué)性質(zhì)的影響.pdf

1、基于鈮酸鋰晶體的集成光學(xué)器件具有良好的光學(xué)性質(zhì)。鈦擴(kuò)散鈮酸鋰光波導(dǎo)的損耗低、導(dǎo)波性能良好，摻鉺鈮酸鋰晶體具有很好的光吸收和發(fā)射特性。從電光以及溫度感應(yīng)器件的角度來(lái)講，鈮酸鋰器件通常工作在外加電場(chǎng)或者溫度不斷變化的環(huán)境中，因此研究環(huán)境電場(chǎng)與溫度對(duì)鈮酸鋰器件光學(xué)性質(zhì)的影響具有一定理論以及實(shí)踐意義。本論文首先研究了z切同成分鈦擴(kuò)散鈮酸鋰條形光波導(dǎo)在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，光波導(dǎo)的傳輸特性。其次，探討了x切摻鉺鈮酸鋰晶體在不同的溫度作用下，鉺離子

2、的頻率上轉(zhuǎn)換熒光特性。
　　本論文主要有以下工作：
　　一、搭建測(cè)量系統(tǒng)，表征外加電場(chǎng)作用下電場(chǎng)強(qiáng)度幅值與光波導(dǎo)傳輸特性之間的關(guān)系。首先運(yùn)用功率計(jì)記錄在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下光強(qiáng)的輸出值，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：電場(chǎng)強(qiáng)度從0到150V/mm變化的過(guò)程中，輸出光強(qiáng)從-30dBm衰減到環(huán)境噪聲量級(jí)，此時(shí)在電場(chǎng)的反方向調(diào)整耦合光纖位置，可以使輸出光強(qiáng)逐漸恢復(fù)至-30dBm附近。運(yùn)用端面耦合系統(tǒng)結(jié)合CCD記錄在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下光波導(dǎo)的近場(chǎng)模式圖樣，發(fā)現(xiàn)

3、如下現(xiàn)象：電場(chǎng)強(qiáng)度從0到150V/mm變化的過(guò)程中，模斑強(qiáng)度不斷減弱直至消失，此時(shí)在電場(chǎng)的反方向上調(diào)整耦合光纖位置，可以重新觀測(cè)到模斑，模斑強(qiáng)度接近在無(wú)電場(chǎng)作用下的模斑強(qiáng)度，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)這時(shí)的模場(chǎng)分布仍然保持深度上的厄密高斯分布、寬度上的高斯分布。分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得知在外加電場(chǎng)的作用下，鈮酸鋰晶體表面發(fā)生了逆壓電效應(yīng)，導(dǎo)致光波導(dǎo)的模場(chǎng)分布在電場(chǎng)的反方向上不斷發(fā)生平移，同時(shí)它的分布形式與模場(chǎng)尺寸保持不變，這種平移導(dǎo)致耦合光纖與光波導(dǎo)的模場(chǎng)匹配

4、程度減小，造成耦合損耗增加，因而模斑強(qiáng)度下降。當(dāng)在電場(chǎng)的反方向上調(diào)整端面耦合系統(tǒng)時(shí)，耦合光纖與光波導(dǎo)的模場(chǎng)重新匹配，達(dá)到最佳耦合，因此模斑強(qiáng)度得以恢復(fù)。
　　二、搭建測(cè)量系統(tǒng)，研究溫度對(duì)鉺離子的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度的影響。分析摻鉺鈮酸鋰晶體980nm的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜圖樣，得知隨著溫度的升高，摻鉺鈮酸鋰晶體的峰值與積分上轉(zhuǎn)換光強(qiáng)均會(huì)發(fā)生衰減，在溫度從21℃到57℃的變化過(guò)程中，對(duì)于所發(fā)射的波長(zhǎng)為530nm，560nm和670nm的光來(lái)說(shuō)，

5、上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度分別下降了26％，42%，34%，對(duì)溫度具有較高的敏感性。這說(shuō)明利用所發(fā)射的530nm,560nm和670nm光設(shè)計(jì)溫度傳感器是可行的。此后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了摻鉺鈮酸鋰晶體的中紅外發(fā)射光光強(qiáng)與溫度變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在溫度從24℃到54℃的變化過(guò)程中，峰值發(fā)射強(qiáng)度減少了約78%，是綠色上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射強(qiáng)度變量的一倍，說(shuō)明摻鉺鈮酸鋰晶體的中紅外發(fā)射具有更好的溫度敏感特性，中紅外發(fā)射強(qiáng)度隨溫度改變量較大，因此比綠色上轉(zhuǎn)換熒光更適合用于制

6、作溫度傳感器。
　　通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，在外加電場(chǎng)的作用下，光波導(dǎo)的模場(chǎng)分布會(huì)沿著平行于外加電場(chǎng)的方向發(fā)生平移。此外，通過(guò)改變光波導(dǎo)的外加電場(chǎng)強(qiáng)度幅值，同時(shí)保持端面耦合系統(tǒng)中耦合光纖與光波導(dǎo)的相對(duì)位置，可以實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)輸出從最大值到趨近于零的調(diào)制，使光強(qiáng)趨近于零所需的最低外加電場(chǎng)強(qiáng)度是150V/mm，這種光強(qiáng)調(diào)制過(guò)程類(lèi)似于光開(kāi)關(guān)效應(yīng)，因此通過(guò)改變光波導(dǎo)的外加電場(chǎng)來(lái)制作光開(kāi)關(guān)器件在一定程度上是可行的，本課題對(duì)于未來(lái)進(jìn)一步探究光波導(dǎo)型強(qiáng)度調(diào)