抗光折变近化学计量比Ti:Mg:LiNbO3条形光波导的制备及其性能表征

本研究项目的主要目的是解决以同成份铌酸锂(LiNbO3，[Li]/[Nb]=94.5:100)为基底材料的无源光波导器件所面临的非常关键的科学技术问题- - 光折变损伤问题。本研究项目拟在国内外首次制备出高质量抗光折变近化学计量比Ti:Mg:LiNbO3条形光波导。该类型光波导的研制成功为进一步研发信号（泵浦）光波长、功率不再受限制的光开关、相位调制器以及光学频率变换器等多种光波导器件提供一基本平台。本课题的研究成果将直接推动PPLN光波导全光波长变换技术向实用化迈进。本研究项目内容主要包括探索研究并建立一套用于制备高光学质量、高抗光折变能力的近化学计量比Ti:Mg:LiNbO3条形光波导完备的技术和工艺，表征波导各项性能指标，研究波导畴极化特性，为将来进一步研发基于该类型光波导的PPLN光波导全光变换器奠定基础。

本人在国家自然科学基金委的支持下，开展并完成了 [抗光折变近化学计量比Ti:Mg:LiNbO3条形光波导的制备及其性能表征/批准号61107056] 项目的研究工作，并取得了一系列研究成果。整个项目的研究工作可以分为三个阶段。.第一阶段，也是前期准备阶段。主要研究成果包括：.总结出一套测试特殊结构Ti扩散条形光波导模式折射率的方法，通过该方法，能够获得后期制备抗光折变近化学计量比Ti:Mg:LiNbO3条形光波导模式信息；同时也总结出了Li+在MgO掺杂铌酸锂晶体中的扩散速率，获得了Li+的扩散速率与化学计量比之间的关系，为进一步开展关于如何获得化学计量比波导等有关实验提供了重要依据；研究了气相输运平衡（VTE）实验中处理时间与晶体表面组分之间的关系，为下一步波导制备过程中选择进行VTE实验的时间提供参考。.第二阶段，完成了本项目的核心研究内容。.成果制备出出抗光折变近化学计量比Ti:Mg:LiNbO3条形光波导，并进行了相关的表征工作。经检验，所制备光波导可以很好的支持TM模式在0.98和1.5 μm光波长下为单模。波导表面光滑平整，在1.5 μm处可得到最低0.1 dB/cm的波导损耗。并且该波导表现出了良好的抗光折变性能，在光功率密度为10^8 W/m^2的0.98 μm光照射下也没有观察到光损伤现象。在波导层Mg掺杂浓度只有约1.7mol%，并且是均匀分布的。根据波导区域的Ti4+和Mg2+离子浓度的分布，理论计算出了该波导的折射率分布。另外还获得了Ti4+和Mg2+离子的扩散特征。. 第三阶段，对后续项目进行了预研。.在本项目的基础之上，我们希望利用外加电场法进一步制作出抗光折变近化学计量比周期极化Ti:Mg:LiNbO3（Ti:Mg:PPLN）条形光波导。为此，我们完成了高压脉冲电源、掩模板以及各种夹具的设计与制作。并在研究过程中，发现了由高温钛扩散和非钛扩散热处理引起的铌酸锂晶片中铁电畴反转层可以被富锂VTE处理消除这一重要现象。我们对这一现象的内在机制进行了详细的解释。畴反转的形成与消除是由晶体内部电场导致的。最后我们在铌酸锂晶体+Z面制作了近化学计量比钛扩散光波导，通过腐蚀观察，在波导区域没有出现的畴反转层，证明了30hVTE处理可以消除光波导+Z面畴反转层。本研究为我们制作近化学计量比Ti:Mg:PPLN光波导提供了新方法。