外加電場和溫度對鈮酸鋰器件光學性質(zhì)的影響.pdf

1、基于鈮酸鋰晶體的集成光學器件具有良好的光學性質(zhì)。鈦擴散鈮酸鋰光波導的損耗低、導波性能良好，摻鉺鈮酸鋰晶體具有很好的光吸收和發(fā)射特性。從電光以及溫度感應器件的角度來講，鈮酸鋰器件通常工作在外加電場或者溫度不斷變化的環(huán)境中，因此研究環(huán)境電場與溫度對鈮酸鋰器件光學性質(zhì)的影響具有一定理論以及實踐意義。本論文首先研究了z切同成分鈦擴散鈮酸鋰條形光波導在不同的電場強度作用下，光波導的傳輸特性。其次，探討了x切摻鉺鈮酸鋰晶體在不同的溫度作用下，鉺離子

2、的頻率上轉(zhuǎn)換熒光特性。
　　本論文主要有以下工作：
　　一、搭建測量系統(tǒng)，表征外加電場作用下電場強度幅值與光波導傳輸特性之間的關(guān)系。首先運用功率計記錄在不同電場強度下光強的輸出值，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：電場強度從0到150V/mm變化的過程中，輸出光強從-30dBm衰減到環(huán)境噪聲量級，此時在電場的反方向調(diào)整耦合光纖位置，可以使輸出光強逐漸恢復至-30dBm附近。運用端面耦合系統(tǒng)結(jié)合CCD記錄在不同電場強度下光波導的近場模式圖樣，發(fā)現(xiàn)

3、如下現(xiàn)象：電場強度從0到150V/mm變化的過程中，模斑強度不斷減弱直至消失，此時在電場的反方向上調(diào)整耦合光纖位置，可以重新觀測到模斑，模斑強度接近在無電場作用下的模斑強度，通過擬合發(fā)現(xiàn)這時的模場分布仍然保持深度上的厄密高斯分布、寬度上的高斯分布。分析實驗現(xiàn)象得知在外加電場的作用下，鈮酸鋰晶體表面發(fā)生了逆壓電效應，導致光波導的模場分布在電場的反方向上不斷發(fā)生平移，同時它的分布形式與模場尺寸保持不變，這種平移導致耦合光纖與光波導的模場匹配

4、程度減小，造成耦合損耗增加，因而模斑強度下降。當在電場的反方向上調(diào)整端面耦合系統(tǒng)時，耦合光纖與光波導的模場重新匹配，達到最佳耦合，因此模斑強度得以恢復。
　　二、搭建測量系統(tǒng)，研究溫度對鉺離子的上轉(zhuǎn)換熒光強度的影響。分析摻鉺鈮酸鋰晶體980nm的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜圖樣，得知隨著溫度的升高，摻鉺鈮酸鋰晶體的峰值與積分上轉(zhuǎn)換光強均會發(fā)生衰減，在溫度從21℃到57℃的變化過程中，對于所發(fā)射的波長為530nm，560nm和670nm的光來說，

5、上轉(zhuǎn)換強度分別下降了26％，42%，34%，對溫度具有較高的敏感性。這說明利用所發(fā)射的530nm,560nm和670nm光設(shè)計溫度傳感器是可行的。此后通過實驗驗證了摻鉺鈮酸鋰晶體的中紅外發(fā)射光光強與溫度變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在溫度從24℃到54℃的變化過程中，峰值發(fā)射強度減少了約78%，是綠色上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射強度變量的一倍，說明摻鉺鈮酸鋰晶體的中紅外發(fā)射具有更好的溫度敏感特性，中紅外發(fā)射強度隨溫度改變量較大，因此比綠色上轉(zhuǎn)換熒光更適合用于制

6、作溫度傳感器。
　　通過上述分析發(fā)現(xiàn)，在外加電場的作用下，光波導的模場分布會沿著平行于外加電場的方向發(fā)生平移。此外，通過改變光波導的外加電場強度幅值，同時保持端面耦合系統(tǒng)中耦合光纖與光波導的相對位置，可以實現(xiàn)光強輸出從最大值到趨近于零的調(diào)制，使光強趨近于零所需的最低外加電場強度是150V/mm，這種光強調(diào)制過程類似于光開關(guān)效應，因此通過改變光波導的外加電場來制作光開關(guān)器件在一定程度上是可行的，本課題對于未來進一步探究光波導型強度調(diào)