陳中輿，程靜欣，陳懷熹，馮新凱，張新彬，梁萬(wàn)國(guó)

(1.中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福州 350002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室(閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室)，福州 350108;4.光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308)

0 引 言

鈮酸鋰(LiNbO3, LN)晶體具有優(yōu)異的電光、非線性光學(xué)等特性，從21世紀(jì)初開始引起廣泛關(guān)注，被譽(yù)為光子學(xué)領(lǐng)域的“硅”。鈮酸鋰晶體可以制備成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制成高度集成的光電子器件，可極大地增強(qiáng)頻率變換效率、調(diào)制帶寬等，在激光、電光調(diào)制、聲光調(diào)Q等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，使用退火質(zhì)子交換和Ti擴(kuò)散等傳統(tǒng)方法制備的鈮酸鋰波導(dǎo)在高功率(≥100 mW)應(yīng)用場(chǎng)景下性能有限，過(guò)高的功率密度會(huì)使鈮酸鋰受到嚴(yán)重的光折變損傷，從而導(dǎo)致自調(diào)制折射率變化，并且在較高的光強(qiáng)下光誘導(dǎo)吸收會(huì)增加，導(dǎo)致晶體中的光折變引發(fā)內(nèi)部損傷[3-4]。將鈮酸鋰晶體換成摻鎂鈮酸鋰晶體作為基質(zhì)材料，在制備Ti擴(kuò)散波導(dǎo)的過(guò)程中，常會(huì)存在內(nèi)部疇退化、擴(kuò)散置換不均勻等現(xiàn)象[5-6]；而采用退火質(zhì)子交換方法則需要嚴(yán)格的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，否則其性能極其不穩(wěn)定[7]。另外，退火質(zhì)子交換摻鎂鈮酸鋰波導(dǎo)只支持TM單偏振傳輸，并且仍然存在抗光折變損傷性能差等問(wèn)題，在部分應(yīng)用上同樣受到限制[8]。近年來(lái)也有研究人員嘗試制備LN薄膜波導(dǎo)，獲得了相對(duì)高效的通光性能，在電光調(diào)制、非線性頻率變換上已有文獻(xiàn)報(bào)道[9]，但該方法工藝制備條件要求高，需要昂貴的設(shè)備來(lái)保證薄膜厚度的均勻性和準(zhǔn)確性，波導(dǎo)與光纖的耦合難度也相對(duì)較高。

基于上述不足，迫切需要尋找一種同時(shí)具備高擴(kuò)散系數(shù)和低活化能的元素。研究人員發(fā)現(xiàn)，鋅離子和鎂離子在鈮酸鋰中具有相似的物理性質(zhì)，如相同的電荷狀態(tài)、相似的離子半徑和較高的有效分配系數(shù)。因此推測(cè)Mg2+和Zn2+對(duì)LiNbO3性質(zhì)的影響是相似的，Zn元素是比較合適的摻雜選擇[10]。Zn擴(kuò)散摻鎂LN波導(dǎo)可以支持TE模和TM模，波導(dǎo)可以在相對(duì)較低的溫度(500～900 ℃)下獲得，使擴(kuò)散過(guò)程中周期極化結(jié)構(gòu)和相關(guān)電光結(jié)構(gòu)得以完全保留；同時(shí)工藝制備條件相對(duì)簡(jiǎn)單，兼具高抗光折變損傷等優(yōu)良性能，可在一些高功率的鈮酸鋰電光調(diào)制器、激光頻率變換中得到充分應(yīng)用[11-12]。

目前，采用Zn擴(kuò)散法制備摻鎂LN波導(dǎo)是很有發(fā)展?jié)摿Φ姆桨福摲ù嬖趦蓚€(gè)主要的發(fā)展難點(diǎn)。第一個(gè)難點(diǎn)是需要通過(guò)理論設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)調(diào)試來(lái)建立完整的制備工藝體系，包括Zn膜的厚度、熱擴(kuò)散溫度和時(shí)間等；第二個(gè)難點(diǎn)是仔細(xì)控制擴(kuò)散條件來(lái)抑制化合物在擴(kuò)散表面的形成。國(guó)外已有報(bào)道采用Zn擴(kuò)散法在900 ℃成功制作LN波導(dǎo)，傳輸損耗低至0.8 dB/cm[13]，但該擴(kuò)散溫度較高，容易導(dǎo)致極化疇的退化，限制了其頻率變換的應(yīng)用。本文降低擴(kuò)散溫度至850 ℃左右，在摻鎂LN晶體中制備高性能脊型波導(dǎo)器件，通過(guò)理論設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)調(diào)試建立起完整的制備體系，最終搭建簡(jiǎn)易的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行反饋優(yōu)化。

1 理論模型

首先建立Zn元素在摻鎂鈮酸鋰晶體中的擴(kuò)散理論模型。Zn元素?cái)U(kuò)散后引起鈮酸鋰晶體的折射率發(fā)生變化，以Fouchet等建立的折射率模型為基礎(chǔ)[14]，設(shè)定擴(kuò)散后的折射率分布近似為高斯分布，最大折射率差值為Δn，可以得到：

(1)

式中：x為特定某處的擴(kuò)散深度；h為折射率變化的深度；Δns為晶體表面的折射率變化值，包括o光和e光，該值和濃度有如下關(guān)系：

Δn=A(C[x])α

(2)

式中：A和α為待定參數(shù)。當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間t遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于完全擴(kuò)散時(shí)間時(shí)，晶體內(nèi)部的離子濃度C[x]。分布近似為高斯分布：

(3)

(4)

式中：C0為晶體表面離子濃度；τ為Zn膜的厚度；hx為擴(kuò)散的深度。將式(1)、式(3)和式(4)代入式(2)中，可得：

(5)

對(duì)式(5)進(jìn)行一階級(jí)數(shù)展開，取其首項(xiàng)可得：

(6)

當(dāng)波長(zhǎng)(λ)范圍為600～1 600 nm時(shí)，對(duì)參數(shù)B0和B1采用波長(zhǎng)的二階多項(xiàng)式近似，可得：

(7)

將式(7)代入離子濃度和折射率變化的關(guān)系式(2)，可得：

(8)

(9)

由此可得波導(dǎo)的折射率變化分布為：

(10)

由于實(shí)際制作的脊形擴(kuò)散波導(dǎo)在橫向上是全部擴(kuò)散的，因此不考慮橫向擴(kuò)散寬度，擴(kuò)散模型如圖1所示。由上述可得該擴(kuò)散剖面的折射率分布定義為：

n(x,y)=n0+Δn

(11)

即在折射率的變化分布式(10)的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)晶體折射率n0。由鈮酸鋰晶體中Zn擴(kuò)散波導(dǎo)的典型值[15]可知，Δn=3.0×10-3，n0=2.203 8。在FDTD軟件上，設(shè)置擴(kuò)散深度h為6 μm，光波長(zhǎng)為1 550 nm，可得波導(dǎo)橫截面的折射率分布如圖1所示，折射率由擴(kuò)散表面向里變小。

圖1 擴(kuò)散模型(a)及波導(dǎo)橫截面的折射率分布(b)Fig.1 Diffusion model (a) and refractive index distribution (b) of waveguide cross section

采用單模光纖進(jìn)行耦合測(cè)試，其模場(chǎng)直徑為10 μm，運(yùn)行仿真可得耦合效率，重復(fù)更改擴(kuò)散深度，整理可得耦合效率折線圖(見圖2)。由圖2可知，在高度h為9～11 μm時(shí)，可得到最高耦合效率為90%。

圖2 耦合效率與擴(kuò)散深度的關(guān)系Fig.2 Relationship between coupling efficiency and depth of diffusion

由擴(kuò)散方程和Arrhenius定律可得：

(12)

Rh=R0,hexp(-E/KT)

(13)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)；t為擴(kuò)散時(shí)間；Rh為縱向擴(kuò)散速率；R0,h為縱向擴(kuò)散常數(shù)；E為活化能；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為擴(kuò)散溫度。將9～11 μm的擴(kuò)散深度范圍代入式(12)和式(13)，可得擴(kuò)散時(shí)間范圍為1～6 h，擴(kuò)散溫度范圍為850～1 000 ℃。

2 波導(dǎo)器件制作及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 波導(dǎo)器件制作過(guò)程

在制作Zn擴(kuò)散摻鎂LN脊型光波導(dǎo)的過(guò)程中，影響其特性的主要參數(shù)有Zn層厚度、擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。因此可以通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)來(lái)控制波導(dǎo)的特性。通常Zn層厚度為100～150 nm，擴(kuò)散溫度小于1 000 ℃，擴(kuò)散時(shí)間為1～6 h[16]。在這些條件下制得的波導(dǎo)損耗較低，產(chǎn)生的雜質(zhì)很少。

Zn擴(kuò)散波導(dǎo)的工藝流程如圖3所示。第一步是鍍Zn膜，該步驟關(guān)鍵是要保證膜層擁有良好的穩(wěn)定性、均勻性和粗糙度，鍍膜速度過(guò)快，Zn膜層粗糙度會(huì)偏大。采用磁控濺射鍍膜，選用純度為99.995%的Zn靶材,在清潔好的厚度0.5 mm、直徑3英寸(1英寸=25.4 mm)Z-cut摻5%MgO鈮酸鋰晶圓(江西勻晶光電技術(shù)有限公司)上濺射鍍膜100 nm左右的Zn金屬層，磁控濺射時(shí)間約4 min，電流控制在0.5 mA，鍍膜速率控制在100 nm/min左右，同時(shí)保證整體鍍膜均勻性≤5%(3英寸片內(nèi)厚度誤差≤7 nm)。

圖3 Zn擴(kuò)散制備鈮酸鋰光波導(dǎo)流程圖Fig.3 Fabrication process of lithium niobate optical waveguide by Zn diffusion

第二步是在850 ℃的高溫濕氧氣氛下進(jìn)行熱擴(kuò)散。該過(guò)程首先將鍍膜完成的晶片進(jìn)行充分清潔，避免擴(kuò)散過(guò)程中引入雜質(zhì)。隨后將晶片置于鉑金坩堝中，放入濕氧氣氛中的高溫爐進(jìn)行擴(kuò)散。調(diào)節(jié)升溫速度，要求在40 min左右升溫到850 ℃，升溫速率過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致未到需求溫度就發(fā)生擴(kuò)散。溫度變化如圖4所示。

圖4 擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of diffusion time and temperature

第三步是采用金剛石精密砂輪機(jī)械切割的方法，在擴(kuò)散后的LN晶片上制備出脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。制備的脊形波導(dǎo)寬度約為10 μm，同時(shí)需要保證所切波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的完整度和平整度。圖5是所制備的脊波導(dǎo)端面實(shí)物圖，脊形波導(dǎo)的寬度為10.24 μm，深度為21.16 μm。

圖5 制作完成的脊波導(dǎo)Fig.5 Fabricated ridge waveguide

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了更好地體現(xiàn)Zn擴(kuò)散波導(dǎo)對(duì)光有良好的約束效果，本文做了以下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：在同一片摻鎂鈮酸鋰襯底上，一半用磁控濺射鍍上Zn膜，另一半未鍍Zn膜，隨后采用相同的工藝技術(shù)進(jìn)行退火擴(kuò)散、切割成脊形并進(jìn)行端面拋光，如圖6所示，晶片呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯不同的區(qū)域。共切割8條脊形波導(dǎo)，波導(dǎo)尺寸為長(zhǎng)4 cm，脊寬10 μm，高20 μm，其中4條為Zn擴(kuò)散波導(dǎo)，4條為未進(jìn)行Zn擴(kuò)散的波導(dǎo)。

圖6 鍍Zn和未鍍Zn的晶片樣品Fig.6 Sample of wafer coated with and without Zn

波導(dǎo)制備完成后，搭建簡(jiǎn)易的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。使用可調(diào)諧激光器作為泵浦光源，中心波長(zhǎng)固定在1 550 nm，通過(guò)單模光纖輸出光束至波導(dǎo)端面，輸出端同樣接單模光纖至功率計(jì)。

圖7 實(shí)驗(yàn)光路示意圖Fig.7 Schematic diagram of experimental optical path

調(diào)整光源輸入功率為7 mW，記錄輸出功率(見表1)。由于實(shí)際測(cè)量值包括耦合損耗和傳輸損耗，測(cè)試產(chǎn)生的耦合損耗約為2 dB，計(jì)算可得傳輸損耗。波導(dǎo)1～4為未鍍Zn膜的波導(dǎo)，波導(dǎo)5～8為成功鍍Zn膜的波導(dǎo)。

表1 不同樣品的輸出功率和傳輸損耗Table 1 Output power and transmission loss of different samples

由表1可知，Zn擴(kuò)散的波導(dǎo)5～8和未進(jìn)行Zn擴(kuò)散的波導(dǎo)1～4相比，輸出功率提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)，傳輸損耗明顯下降，這說(shuō)明Zn已成功擴(kuò)散，使得區(qū)域折射率增大發(fā)生全反射，波導(dǎo)對(duì)光束有良好的限制效果。而波導(dǎo)8傳輸損耗較波導(dǎo)5～7大，原因可能是切割過(guò)程中刀片的磨損過(guò)大，或者拋光過(guò)程有異物導(dǎo)致波導(dǎo)缺口。

為了確定合適的擴(kuò)散參數(shù)，制作了多組不同條件的Zn擴(kuò)散摻鎂LN脊波導(dǎo)進(jìn)行對(duì)比，多次耦合測(cè)試得到表2數(shù)據(jù)。由A、B、E三組的溫度和傳輸損耗對(duì)比以及C、D兩組的溫度和傳輸損耗對(duì)比，可知在相同的擴(kuò)散時(shí)間下，擴(kuò)散溫度為850 ℃的波導(dǎo)具有更小的傳輸損耗；A、C兩組的時(shí)間和損耗對(duì)比以及B、D兩組的時(shí)間和損耗對(duì)比可知，在相同的擴(kuò)散溫度下，擴(kuò)散時(shí)間為1 h的波導(dǎo)具有更小的傳輸損耗。F組作為脊寬的對(duì)比條件組，減小了寬度卻導(dǎo)致傳輸損耗明顯增大，原因是脊寬變小，脊形結(jié)構(gòu)變得更脆弱，在拋光的過(guò)程中波導(dǎo)受損。

表2 多組不同條件參數(shù)的波導(dǎo)傳輸損耗Table 2 Waveguide transmission loss with multiple groups of different parameters

由上述對(duì)比可知，Zn擴(kuò)散法制備的摻鎂LN波導(dǎo)在擴(kuò)散溫度為850 ℃、擴(kuò)散時(shí)間為1 h的條件下，波導(dǎo)傳輸損耗更小，更具優(yōu)勢(shì)。

在波導(dǎo)輸出端將功率計(jì)改接為光斑探頭，通過(guò)波導(dǎo)的輸出光聚集到探頭中，記錄每條波導(dǎo)處輸出光的模場(chǎng)。在可調(diào)諧激光器輸出端接摻鉺光纖放大器(EDFA)，增大輸入功率。在激光功率較小時(shí)，輸出光斑為圓光斑，尺寸半徑為6.6 μm。將激光輸入功率緩慢增大至0.25 W時(shí)，出現(xiàn)明顯的功率飽和下降(見圖8)，光斑產(chǎn)生畸變(見圖9)，此時(shí)計(jì)算得到光折變損傷閾值為184 kW/cm2，大于普通的摻鎂LN波導(dǎo)(約60 kW/cm2)，高于Ti擴(kuò)散法和質(zhì)子交換法兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)[17]。

圖8 輸入功率和輸出功率的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves of input power and output power

圖9 畸變后的圓光斑Fig.9 Circular light spot after distortion

測(cè)試完成后用電鏡對(duì)波導(dǎo)端面進(jìn)行觀測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)有9.6 μm的擴(kuò)散層(見圖10)，這與仿真的范圍(9～11 μm)一致。

圖10 Zn在晶片表面的擴(kuò)散深度Fig.10 Diffusion depth of Zn on wafer surface

3 結(jié) 論

本文通過(guò)Zn擴(kuò)散制作的摻鎂LN脊形波導(dǎo)最佳工藝條件為擴(kuò)散溫度850 ℃和擴(kuò)散時(shí)間1 h，Zn膜厚度均為100 nm。該條件下制作的LN波導(dǎo)在1 550 nm處得到傳輸損耗為0.86 dB/cm，光折變損傷閾值為184 kW/cm2。波導(dǎo)對(duì)光束有較強(qiáng)的約束能力，擁有良好的抗光折變損傷能力，展示了Zn擴(kuò)散LN波導(dǎo)在高功率密度器件的應(yīng)用潛力。

擴(kuò)散的溫度和時(shí)間偏離最佳值會(huì)導(dǎo)致傳輸損耗變大，這是條件改變導(dǎo)致模場(chǎng)直徑變大，光束發(fā)散，波導(dǎo)對(duì)光約束效果下降。在確定了Zn擴(kuò)散LN波導(dǎo)低損耗和高抗光折變損傷的優(yōu)勢(shì)后，下一步可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行周期極化，進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換測(cè)試；也可在該擴(kuò)散條件附近區(qū)間進(jìn)行嘗試，以獲得更低的傳輸損耗。