單晶鈮酸鋰薄膜的周期性極化及其應(yīng)用.pdf

1、集成光學(xué)從20世紀末開始迅速發(fā)展，它將一系列微納光學(xué)器件集成在同一塊基底材料上，在通信、環(huán)境、傳感等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。
　　鈮酸鋰具有十分優(yōu)異的電光、聲光、光折變、非線性光學(xué)、鐵電、壓電等特性，廣泛應(yīng)用在集成光學(xué)以及光電子學(xué)中。近年來，使用離子注入和直接鍵合制備的單晶鈮酸鋰薄膜（lithium niobate on insulator, LNOI）為集成光學(xué)提供了重要的基底材料。因為鈮酸鋰薄膜與二氧化硅隔離層之間的折射率差比較大，

2、在LNOI上的光波導(dǎo)及光電器件可以擁有更小的尺寸和彎曲半徑，可以極大的提高器件的集成度，降低器件體積、功耗和閾值。目前，在LNOI的基底上報導(dǎo)了許多新型的光電器件，如電光調(diào)制器，微盤諧振腔，濾波器等。
　　周期性極化鈮酸鋰(periodically poled LN，PPLN)利用準相位匹配，能實現(xiàn)高效的非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換，在非線性光學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。目前，用外加電場法在鈮酸鋰體材料上制備周期性鐵電體疇的技術(shù)比較成熟。如果在LNOI

3、中實現(xiàn)周期性極化，就能利用倍頻、差頻、和頻等非線性效應(yīng)，實現(xiàn)高集成度高效的非線性光學(xué)器件，應(yīng)用在光信號處理、全光通信等領(lǐng)域。薄膜的極化也可以應(yīng)用在鐵電存儲器上。X切鈮酸鋰薄膜下方不需要加金屬電極，材料制備工藝比較簡單，而Z切鈮酸鋰薄膜下方一般需要加金屬電極，材料制備工藝相對復(fù)雜，并且金屬電極可能會對光有吸收，影響光傳播的效率。目前，在X切單晶鈮酸鋰薄膜上有關(guān)極化反轉(zhuǎn)的工作還比較少，僅有德國帕德伯恩大學(xué)、美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校、中佛羅里

4、達大學(xué)等幾個單位實現(xiàn)了X切鈮酸鋰單晶薄膜的周期性極化反轉(zhuǎn)。
　　本論文在X切的單晶鈮酸鋰薄膜上利用外加電場法，實現(xiàn)了周期性的極化反轉(zhuǎn)，利用選擇性刻蝕法、壓電力顯微鏡等手段研究了鐵電體疇的物理性質(zhì)，優(yōu)化了實驗條件，得到了結(jié)構(gòu)完整均勻的鐵電體疇。設(shè)計了倍頻波導(dǎo)器件，分別在質(zhì)子交換法和二氧化鈦加載條方法形成的光波導(dǎo)中，模擬了波導(dǎo)模式分布、有效折射率等參數(shù)，計算了倍頻器件的極化周期。主要研究結(jié)果如下:
　　1.搭建了脈沖電場極化裝置

5、，利用外加電場法，對X切單晶鈮酸鋰薄膜成功進行了周期性極化。極化周期為20μm，極化反轉(zhuǎn)疇沿Z方向的長度為10μm。
　　2.利用選擇性刻蝕法(HF∶ HNO3=1∶2)，觀察到周期性極化的鐵電體疇。利用壓電力顯微鏡(piezoelectric force microscope，PFM)，分別研究了極化時間、極化電壓、退火溫度等參數(shù)對極化反轉(zhuǎn)鐵電疇的影響。發(fā)現(xiàn)隨著極化電壓加載時間的增長，極化反轉(zhuǎn)鐵電體疇的完整性增加。當(dāng)極化完成后，