局域高摻鉺鈦擴散鈮酸鋰光波導及相關(guān)材料的研究.pdf

1、局域鉺摻雜鈦擴散鈮酸鋰波導器件具有廣闊的應用前景,然而在此類器件的實際使用中發(fā)現(xiàn),由于鉺離子在鈮酸鋰晶體中的溶解度較低,致使信號光在傳輸過程中的增益相對較低,進而限制了器件性能的進一步提高。本文的主要工作是利用氣相輸運平衡(VTE)方法提高鈮酸鋰基底中的鉺離子濃度,在此基礎(chǔ)上,制備局域高摻鉺鈦擴散鈮酸鋰光波導,并表征其相關(guān)性能。
　　具體研究內(nèi)容如下:
　　1.為了解決鈦擴散鈮酸鋰條形波導中模式折射率表征困難的問題,本文中首

2、先制備了密集條波導陣列,結(jié)合棱鏡耦合方法,實現(xiàn)了對條形波導模式折射率表征。另外,還使用該方法成功表征了條形波導嵌于平面波導中的特殊結(jié)構(gòu),為長周期波導光柵的制備奠定基礎(chǔ)。
　　2.研究了影響VTE處理效果的因素,得到以下結(jié)論:缺鋰VTE處理引起的組份變化與VTE處理溫度的關(guān)系符合Arrhenius定律,缺鋰VTE處理引起的組份變化與VTE處理時間的關(guān)系滿足平方根方程;在富鋰VTE時,初始粉末的配比對處理效果的影響較小,而坩堝內(nèi)部容積

3、越大或坩堝已使用時間越長,VTE的效果越差;但在缺鋰VTE處理過程中,兩相坩堝容積、初始粉末的配比和已使用時長對于VTE效果基本沒有影響。
　　3.通過表面拋光與組份表征交替進行的方法,總結(jié)出Li2O組份在深度方向上的分布服從余誤差函數(shù)的積分形式。利用Boltzmann-Matano分析獲得Li+離子擴散系數(shù)與Li2O組份的關(guān)系:擴散系數(shù)隨著Li2O組份的下降而下降。Li+離子的擴散顯示出輕微的各向異性,沿光軸方向的速度較快。結(jié)合

4、之前報道的近化學計量比區(qū)域的結(jié)果,獲得了47-50mol％組份范圍內(nèi)的Li+離子擴散系數(shù)。
　　4.研究了低于同成分點的缺鋰LN晶體中鉺離子的擴散系數(shù)和溶解度。當X切鈮酸鋰晶體表面的Li2O組份從48.0下降至47.0mol%時,鉺離子擴散系數(shù)從(3.3±0.2)×10-2增至(5.7±0.3)×10-2μm2/h,增加了接近一倍;鉺離子溶解度隨晶體Li2O組份的下降而上升,當Li2O組份從48.0降至47.7mol%時,溶解度提

5、高約0.6mol%。進一步研究表明,在X切缺鋰鈮酸鋰基底上制備局域鉺摻雜鈦波導中,深度方向上的鉺離子擴散系數(shù)約為(12.8±0.3)×10-2μm2/h,遠高于同成分基底中的擴散系數(shù)(<7×10-2μm2/h)。
　　5.制備了Z切Y傳和X切Z傳的高摻鉺鈦擴散鈮酸鋰光波導,表面鉺濃度分別為1.33×1020cm-3和1.26×1020cm-3,比制備在同成分鈮酸鋰基底中的鈦擴散波導的表面鉺濃度分別提高了20%和13%。通過實驗和計

6、算,獲得了波導的模場尺寸,發(fā)射、吸收截面和傳輸損耗。
　　分別利用980和1480nm泵浦光,觀察波導中的1547nm小信號光的增強。Z切波導在980nm耦合泵浦光功率為100mW時,獲得了最大的信號增強為:0.9dB/cm(TE),0.7dB/cm(TM);由于光折變效應的影響,泵浦功率繼續(xù)提高時,信號增強開始降低。X切波導的抗光折變能力較強,所以使用980nm光泵浦時,即使耦合泵浦功率提高至200mW,波導中信號增強也沒有出現(xiàn)

7、明顯下降趨勢,此時的信號增強為:1.0dB/cm(TE),1.4dB/cm(TM)。
　　1480nm泵浦光引起的光折變效應較小,所以Z切波導和X切波導在1480nm光泵浦時,信號增強都隨泵浦功率的提高而提高。當耦合泵浦功率提高至18.5mW時,信號增強分別為:Z切:1.1dB/cm(TE),1.4dB/cm(TM),X切:1.8dB/cm(TE),2.2dB/cm(TM)。
　　最后,對波導在980nm和1480nm光泵浦

8、下的信號光放大性能進行了模擬。其中,Z切波導在980nm和1480nm光泵浦下的TM模式最大增益系數(shù)分別為2.4dB/cm和2.5dB/cm,與之前報道的Z切局域鉺摻雜鈦擴散鈮酸鋰波導相比分別提高了至少1.0dB/cm和0.7dB/cm。
　　本論文的研究工作中具有如下的創(chuàng)新點:(1)首次全面研究了影響氣相輸運平衡處理效果的因素(2)首次全面研究了鈮酸鋰晶體在缺鋰狀態(tài)時鋰離子的擴散系數(shù)與晶體中氧化鋰組份的關(guān)系(3)率先制備出局域高