摘要：利用缓冲质子源(苯甲酸中掺入一定量的苯甲酸锂)在Z切LiNbO3基底上制作了质子交换平面光波导,得到了不同掺杂摩尔分数(0·5%,1·0%和1·5%)的缓冲质子源质子交换波导的有效扩散系数及折射率分布。随着质子源中苯甲酸锂的摩尔含量逐渐增加,质子交换的有效扩散系数呈指数衰减,同时波导表面折射率增量线性递减。研究了有效折射率的稳定性特征,并与用纯苯甲酸制作的光波导进行了比较,发现利用缓冲质子源制作的 LiNbO3光波导的稳定性明显优于纯苯甲酸制作的光波导。

    关键词：材料;质子交换光波导;有效折射率;稳定性;铌酸锂;苯甲酸锂 　　

    光纤通信的广泛应用极大地推动了光波导集成光学与技术的发展。铌酸锂(LiNbO3)晶体由于具有较大的电光系数和优良的非线性光学特性,成为光集成器件的首选材料之一,被应用于光调制器和倍频器等波导器件。目前在LiNbO3晶体上制备光波导主要采用钛扩散法和质子交换法两种。质　第32卷　第1期2005年1月中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERSVol.32, No.1January, 2005　子交换法相对成本低且简单快捷[3,4]。LiNbO3质子交换波导具有较大的非寻常光折射率增量(Δne 约为0·12)和较强的抗光损伤能力等优点[5,6]。同时也存在着一些缺点,如电光系数下降和折射率分布不稳定等[6]。实验发现,若采用合适的缓冲质子源(如在苯甲酸中加入适量的苯甲酸锂)或对交换后的波导进行退火处理,可以改善其光学特性[7]。在空气中高温下退火容易引起材料的脱氧反应,会对波导层的微观结构产生一定的负面影响[8],而且退火规律较难把握。因此,研究缓冲质子源的波导制作规律及其光学特性对制作高质量的波导及器件具有重要的意义。本文研究了利用缓冲质子源制作LiNbO3质子交换光波导的规律,得到了不同质子源浓度时质子交换的有效扩散系数,对不同浓度质子源制作的质子交换波导折射率分布和表面折射率增量等参数进行了表征。实验研究了质子交换波导的稳定性特征,并与用纯苯甲酸制作的质子交换波导的结果进行了比较。

    质子交换光波导制作采用缓冲质子源即苯甲酸(B·A.)中掺杂一定量的苯甲酸锂(B.L.),可以减慢交换速度,延长交换时间,提高波导制作的一致性。质子源中Li+摩尔分数含量定义为 x(Li+) = mol(B.L.)/(mol(B.A.)+mol(B.L.))。质子交换光波导制作工艺过程如下:将清洗并烘干好的基片放入清洁干燥的石英容器,加入称量好的质子源粉末,然后将容器密封,放入高温交换炉加热,直至熔融;当炉内的温度达到设定温度并保持稳定时,开始计时。按照设定时间交换完成后,将容器倒置使基片和反应酸液脱离并逐渐冷却。取出晶片并用无水乙醇清洗晶片及容器,再用去离子水冲洗并风干基片。采用的交换温度为240℃,高温交换炉在加热过程初期的升温速率为5℃/min,在接近交换温度时,实际升温速率下降直至稳定。选用Z切LiNbO3单晶为基底(尺寸为20 mm ×10 mm×1·5 mm),选取四个交换浓度的摩尔分数(0%,0·5%,1·0%和1·5%),各交换不同的时间,制作缓冲质子源质子交换波导。

    质子交换只引起非寻常光折射率ne的增加,因此Z切LiNbO3质子交换光波导只传导TM模。利用棱镜耦合法测量所制作的质子交换波导各导模的有效折射率(λ =0·650μm),根据IWKB法对波导折射率分布、表面折射率增量、波导深度等波导参数进行表征。结果与分析折射率分布图1是在相同交换温度(240℃)、不同质子源浓度的摩尔分数(分别为0%,0·5%,1·0%,1·5%)下制作的Z切LiNbO3波导折射率分布图。由图可见,质子源浓度的摩尔分数≤1·5%时,折射率仍保持为阶跃型分布。由于IWKB法在计算低模数波导的表面折射率方面存在一定的局限性[9],我们从阶跃型折射率分布的色散方程出发,优化波导表面折射率,使有效折射率的测量值和理论值达到最佳吻合。结果波导表面折射率增量随质子源中苯甲酸锂含量的增加而降低,两者呈线性递减关系,如图2 所示。可以看到,质子源中Li+摩尔分数含量从0% 增加到1·5%,表面折射率从最高值(Δne约为 0·12)降低到了0·103。

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