單晶鈮酸鋰薄膜的周期性極化及其應用.pdf

1、集成光學從20世紀末開始迅速發(fā)展，它將一系列微納光學器件集成在同一塊基底材料上，在通信、環(huán)境、傳感等領域有重要的應用。
　　鈮酸鋰具有十分優(yōu)異的電光、聲光、光折變、非線性光學、鐵電、壓電等特性，廣泛應用在集成光學以及光電子學中。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的基底上報導了許多新型的光電器件，如電光調制器，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)高效的非線性光學轉換，在非線性光學領域具有重要應用。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，實現(xiàn)高集成度高效的非線性光學器件，應用在光信號處理、全光通信等領域。薄膜的極化也可以應用在鐵電存儲器上。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極化反轉的工作還比較少，僅有德國帕德伯恩大學、美國加州大學圣芭芭拉分校、中佛羅里

4、達大學等幾個單位實現(xiàn)了X切鈮酸鋰單晶薄膜的周期性極化反轉。
　　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，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，優(yōu)化了實驗條件，得到了結構完整均勻的鐵電體疇。設計了倍頻波導器件，分別在質子交換法和二氧化鈦加載條方法形成的光波導中，模擬了波導模式分布、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，極化反轉鐵電體疇的完整性增加。當極化完成后，