近化学计量比低掺杂Mg:PPLN全光波长转换器制作方法

近化学计量比低掺杂Mg:PPLN全光波长转换器制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种光通信技术领域，特别是设及一种全光波长转换器的制造方法。
【背景技术】
[0002] 现有的波长转换器件主要有基于半导体光放大器（SOA)的交叉增益调制和交叉 相位调制波长转换器、Mach-Zehnder波长转换器，但它们对输入信号的幅度、频率和相位都 存在不完全透明转换；而基于SOA或无源波导的波长转换器；如光纤的四波混频虽是完全 透明的全光转换，但由于它是=阶非线性过程，所W存在转换效率低下的问题；另外该种波 长转换器噪声大，容易造成串扰，其应用有限。一般情况下，二阶非线性过程比=阶过程效 率高得多，因此基于半导体（如AlGaAs)或铁电晶体波导结构中的差频或级联效应的波长 转换器，逐渐成为宽带全光波长转换器的发展方向。基于二阶非线性差频或级联效应的全 光波长转换器件对信息透明，它仅是一个纯光学过程，克服了电光器件的速度瓶颈；另外， 它还具备低噪声、宽调节波长范围和可W同时转换多波长的特点。基于半导体或铁电畴反 转波导差频或级联波长转换器是唯一全透明的方案，与其它波长转换器方案比具有明显的 优势。而基于级联效应的波长转换器与基于差频效应的波长转换器相比，累浦波长仍然在 1. 5ym通信波段，解决了波导传输模式问题，并且可W获得更宽的带宽。虽然基于半导体 (如AlGaAs)的差频波长转换器已有演示，但目前存在困难是难W实现两束光的相位匹配， 另外由于波导的散射损耗，均导致转换效率低下，因而目前应用较少。
[0003] 目前，基于周期极化魄酸裡（PPLN)波导的波长转换相位匹配条件极大抑制了多 波长信道间的串扰，使得基于周期性极化魄酸裡波导的波长变换器成为目前唯一能实现组 波长转换的技术，也是唯一能实现NXM广播功能的全光波长转换技术。基于周期性极化魄 酸裡波导的波长变换器所用的二次级联效应分为两类；一是单累浦倍频与差频级联效应； 二是双累浦和频与差频级联效应。
[0004] 经对现有技术的文献检索发现，中国专利《波长可调宽带全光波长转换器的制作 方法》（专利号；ZL200510027943.4)属于单累浦倍频与差频级联效应，存在W下缺点：一是 倍频非线性系数不大，需要很高的累浦光功率才能得到可观的转换效率，与光通信中所要 求的低累浦功率阔值不符；二是信号光和转换光分布在累浦光两侧，因此至少有一个波长 信道被占用，不利于通信波段的充分利用；再者，单累浦波长转换方案中，当信号光波长趋 近于累浦光波长时，转换效率会出现凹陷，因此不得不舍弃累浦光波长附近的一些信道。
[0005] 检索中还发现，2004年C.Q.Xu等人在《OpticsLetters》（29, 2004)上 "Cascadedwavelengthconversionsbasedonsum-frequencygenera铁on anddifference-frequen巧genera铁on"(《基于和频和差频级联效应的波长转换》）一文， 该文介绍了在周期性准相位匹配晶体中，与倍频差频级联相比，和频差频级联有个优点；一 是双累浦每一个累浦光功率只需单累浦光功率的一半就能得到同样的转换效率，降低了功 2/6页率阔值；二是两累浦光波长可W选择在通信波段的两边，从而空出中间的波段加W 利用。该文中所阐述的是基于邸6窄带和频与差频的波长转换，EEE和频是指参与和频的两 个累浦光W及和频光在PPLN晶体里都是W非常光，即E光巧xtraordinary)入射或传播。 该窄带波长转换的信号光有较大带宽，两累浦波长差值可W很大，但累浦波长的带宽极小， 只有0. 6nm。也就是说，对于给定周期的PPLN波导，两累浦光波长必须设定在与该周期匹配 (即满足相位匹配条件）的波长处，对应信号带宽内的每一个信号光只能输出一个转换光， 如果累浦光波长稍有漂移，很可能就没有和频光产生，也就没有转换光输出，该大大限制了 波长转换器的灵活应用。
[0006] 检索中还发现，中国专利"双累浦波长可调宽带全光波长转换器的制造方法"（专 利号；ZL200910045047.9)存在W下缺点；（1)采用同成分魄酸裡晶体，进行Mg的高渗杂， 室温下不具有抗光折变特性（2)转换器集成性较差，与前后端器件的连接会导致极大的损 耗。
[0007] 与同成份魄酸裡晶体相比较，近化学计量比魄酸裡晶体拥有众多的优异性能；（1) 晶体的抗光折变能力更强，大约提高了一个数量级；(2)晶体内部缺陷少，因此晶体响应速 度会更快，其响应时间可W缩短至几十至几百毫秒；（3)采用近化学计量比可W降低Mg的 渗杂比，且在室温下具有抗光折变效应。

【发明内容】

[000引为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种安全交换协议模型检测系统及 方法，W安全交换协议作为研究对象，通过对协议进行建模，从而进行对协议的公平性和不 可否认性进行验证，最终实现模型检测自动化工具。
[0009] 本发明提出一种近化学计量比低渗杂Mg;PPLN全光波长转换器制作方法，该方法 包含W下步骤：
[0010] 步骤1、选择一块Z切厚度为0. 的同成分魄酸裡晶片，上下表面平行且均 被光学抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向；
[0011] 步骤2、在该晶片-Z表面锻一层MgO膜，于1050~1130°C高温下扩散1小时W上， 获得局部渗儀的魄酸裡晶体；
[0012] 步骤3、在晶片-Z表面进行局部渗儀之后，在该晶片渗Mg的-Z表面制作Ti扩散 条形光波导，即在该晶片-Z表面采用光刻工艺，锻制4~10ym的铁条，使用铁扩散技术， 即在1050~113(TC的高温下扩散1小时W上，将-Z表面瓣射的铁条内扩散入同成分魄酸 裡衬底，形成一波导层；
[0013] 步骤4、然后在晶片+Z面进行周期极化；在晶片+Z面蒸锻一层厚度在50皿W上 的导电侣层，然后用光刻技术，在侣层表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影、腐蚀后得到 一周期性的长侣条构成的阵列金属光栅电极，然后再腐蚀掉光栅条纹之外的侣，最后用丙 酬洗掉光刻胶；
[0014] 步骤5、采用富裡VTE技术得到近化学计量比的渗儀魄酸裡晶体：采用富裡VTE技 术，在1050~113(TC下将所得Mg低渗杂同成分魄酸裡样品处理10小时W上，得到近化学 计量比的渗儀魄酸裡晶体。
[0015] 步骤6、利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行液体极化，极化电压约为 4~5kV;室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场 从而使该有电极的畴区域的自发极化方向反向；在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍 保持原来的方向，获得周期性晶体超晶格；
[0016] 步骤7、最后将所得低渗杂Mg;PPLN晶体进行封装，将光纤在封装内部与同一条波 导进行禪合，尾端引出封装置外，方便与其他器件集成，得到近化学计量比低渗杂Mg;PPLN 全光波长转换器。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[001引 1、最初的基片选择同成分的魄酸裡晶体，易于获得，降低了原材料成本；
[0019] 2、在渗Mg魄酸裡铁扩散波导结构中，使魄酸裡晶片达到近化学计量比，可W采用 局部渗杂的方式使Mg在渗杂摩尔比达到0. 8~2%，减少了Mg的渗杂量，进一步降低了生 产成本；
[0020] 3、在渗Mg魄酸裡铁扩散波导结构中，使魄酸裡晶片达到近化学计量比，所得到的 低渗杂Mg;PPLN波导在室温下便具有良好的抗光折变特 性，拓宽了波长转换器的使用条 件；
[002U 4、该近化学计量比低渗杂Mg;PPLN全光波长转换器，使用于波长转换的累浦光源 波长可W是容易引起光折变效应的近红外波段，进一步降低了波长转换器的工作要求，使 该波长转换器的适用领域进一步扩大；
[0022] 5、该近化学计量比低渗杂Mg;PPLN全光波长转换器利用外壳进行封装，光纤在封 装内部与晶体禪合，在封装外部形成尾纤，易与其他器件集成；
[0023] 6、该近化学计量比低渗杂Mg;PPLN全光波长转换器的结构便于在同一魄酸裡基 底的波长转换结构后面集成光学器件如相位调制器等，波长转换后的输出光可W在同一条 波导结构中直接进入调制器进行调制，提高了器件集成度，大大降低禪合和传输损耗，系统 稳定性好。
【附图说明】
[0024] 图1为基于本发明实施例的低渗杂Mg:PPLN波导结构的全光波长转换器的原型器 件示意图，附图标记包括；1、输入光纤；2、波导；3、近化学计量比低渗杂Mg;PPLN晶体；4、 金属外壳；5、输出光纤；
[002引图2为Mg局部渗杂的工艺流程示意图，附图标记包括；11、MgO层，12、真空蒸锻； 13、同成分魄酸裡晶体；14、高温扩散；15、局部渗儀的魄酸裡晶体；
[0026] 图3为铁扩散魄酸裡光波导制作过程图；附图标记；包括100、魄酸裡晶体；101、 光刻胶；102、掩膜板；103、铁膜；104、光波导；110、匀胶；111、曝光；112、显影；113、锻铁； 114、剥离；115、扩散；116、端面抛光；
[0027] 图4为周期极化流程图；附图标记包括；201、铁扩散光波导；202、液体电极；203、 金属电极；204、Ti;PPLN光波导；211、极化过程；
[002引图5为富裡气相输运平衡（VTC)示意图，附图标记包括；301、富裡相蜗；302、富裡 粉末；303、同成分魄酸裡样品；
[0029]图6为液体电极极化电路示意图，附图标记包括；401、高压直流电源；402、分压电 阻；403、正极；404、近化学计量比低渗儀魄酸裡波导样品；405、负极；406、分压电阻；407、 注满LiCl的液体电极夹具。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，该些实施方式若存在示 例性的内容，不应解释成对本发明的限制。
[0031] 步骤1、选择一块Z切厚度为0. 的同成分魄酸裡晶片，上下表面平行且均 被光学抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向；
[0032] 步骤2、Mg局部渗杂：在该晶片-Z表面锻一层MgO膜，于1050~1130°C高温下扩 散1小时W上，获得局部渗儀的魄酸裡晶体，如图2所示；
[0033] 步骤3、铁扩散魄酸裡光波导制作过程：在该晶片-Z表面采用光刻工艺，锻制4~ 10ym的铁条，使用铁扩散技术，即在1050~1130°C的高温下扩散1小时W上，将-Z表面 瓣射的铁条内扩散入同成分魄酸裡衬底，形成一波导层，该波导的TE和TM模式的导波均能 被激发，如图3所示；
[0034] 步骤4、周期极化；在晶片+Z面蒸锻一层厚度在50皿W上的导电侣层，然后用光 刻技术，在侣层表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影、腐蚀后得到周期性光栅条纹，然后 再腐蚀掉光栅条纹之外的侣，最后用丙酬洗掉光刻胶，该样就在样品上形成了一周期性的 长侣条构成的阵列金属光栅电极，原理如图4所示，金属光栅电极的周期A为：
[0035]
[0036] 步骤5、富裡气相输运平衡（VTE);采用富裡VTE技术，在1050~1130°C下将所得 Mg低渗杂同成分魄酸裡样品处理10小时W上，得到近化学计量比的渗儀魄酸裡晶体，装置 如图5所示为本步骤所使用的装置示意图；
[0037] 步骤6、液体电极极化：利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行极化，极化 电压约为4~5kV;室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部 的矫顽场从而使该有电极的畴区域的自发极化方向反向；在无电极的畴区域，其电畴的极 化方向仍保持原来的方向，如图6所示为本步骤所使用的极化电路；
[003引步骤7、将所得低渗杂Mg;PPLN晶体进行封装，将光纤在封装内部与同一条波导进 行禪合，尾端引出封装置外，方便与其他器件集成，最终得到一种近化学计量比低渗杂Mg: PPLN全光波长转换器，如图1所示。
【主权项】
1. 一种近化学计量比低掺杂Mg:PPLN全光波长转换器制作方法，其特征在于，该方法 包含以下步骤： 步骤（1)、选择一块Z切厚度为0. 的同成分铌酸锂晶片，上下表面平行且均被 光学抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向； 步骤（2)、在该晶片-Z表面镀一层MgO膜，于1050~1130°C高温下扩散1小时以上， 获得局部掺镁的铌酸锂晶体； 步骤（3)、在晶片-Z表面进行局部掺镁之后，在该晶片掺Mg的-Z表面制作Ti扩散条 形光波导，即在该晶片-Z表面采用光刻工艺，镀制4~10 y m的钛条，使用钛扩散技术，即 在1050~1130°C的高温下扩散1小时以上，将-Z表面溅射的钛条内扩散入同成分铌酸锂 衬底，形成一波导层； 步骤（4)、然后在晶片+Z面进行周期极化：在晶片+Z面蒸镀一层厚度在50nm以上的 导电铝层，然后用光刻技术，在铝层表面旋转涂覆一层光刻胶，经曝光、显影、腐蚀后得到一 周期性的长铝条构成的阵列金属光栅电极，然后再腐蚀掉光栅条纹之外的铝，最后用丙酮 洗掉光刻胶； 步骤（5)、采用富锂VTE技术得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体：采用富锂VTE技 术，在1050~1130°C下将所得Mg低掺杂同成分铌酸锂样品处理10小时以上，得到近化学 计量比的掺镁铌酸锂晶体。 步骤（6)、利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行液体极化，极化电压约为4~ 5kV;室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而 使该有电极的畴区域的自发极化方向反向；在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持 原来的方向，获得周期性晶体超晶格； 步骤（7)、最后将所得低掺杂Mg :PPLN晶体进行封装，将光纤在封装内部与同一条波导 进行耦合，尾端引出封装置外，方便与其他器件集成，得到近化学计量比低掺杂Mg :PPLN全 光波长转换器。
【专利摘要】本发明公开一种近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器制作方法，选择一块Z切双面抛光的同成分铌酸锂晶片，在晶片-Z表面进行局部掺镁之后，在该晶片掺Mg的-Z表面制作Ti扩散条形光波导，然后在晶片+Z面进行周期极化，形成一周期性的长铝条构成的阵列金属光栅电极，采用富锂VTE技术得到近化学计量比的掺镁铌酸锂晶体，利用液体电极极化装置，在室温下对晶体进行液体极化，获得周期性晶体超晶格，最后将所得低掺杂Mg：PPLN晶体进行封装，得到近化学计量比低掺杂Mg：PPLN全光波长转换器。相比现有技术，本发明具有成本低；拓宽了波长转换器的使用条件和使用领域、易与其他器件集成、提高了器件集成度、大大降低耦合和传输损耗、系统稳定性好等诸多优点。
【IPC分类】G02F1/35, G02F2/00
【公开号】CN104880887
【申请号】CN201510346285
【发明人】华平壤, 陈朝夕
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月19日