專利名稱：波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光通信技術(shù)領(lǐng)域的制作方法，具體地說，是一種波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的波長轉(zhuǎn)換器件，主要有基于半導(dǎo)體放大器(SOA)的互增益或相位調(diào)制波長轉(zhuǎn)換器、Mach-Zehnder波長轉(zhuǎn)換器，但它們對輸入信號的幅度、頻率和位相都存在不完全透明轉(zhuǎn)換；而基于SOA或無源波導(dǎo)，如光纖的四波混頻雖是完全透明的全光轉(zhuǎn)換，但由于它是三階非線性過程，一般情況下，二階非線性過程比三階過程效率高得多，所以存在轉(zhuǎn)換效率低下的問題；另外這種波長轉(zhuǎn)換器噪聲大，容易造成串話，其應(yīng)用有限；因此基于半導(dǎo)體(如AlGaAs)或鐵電晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的差頻或級聯(lián)效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換器，逐漸成為寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向?；诙A非線性差頻或級聯(lián)效應(yīng)的全光波長轉(zhuǎn)換器件對信息透明；它僅是一個純光學(xué)過程，克服了電光器件的速度瓶頸；另外，它還具備低噪聲、寬調(diào)節(jié)波長范圍和可以同時轉(zhuǎn)換多波長的特點?；诎雽?dǎo)體或鐵電疇反轉(zhuǎn)波導(dǎo)差頻或級聯(lián)波長轉(zhuǎn)換器是唯一全透明的方案，與其它波長轉(zhuǎn)換器方案比具有明顯的優(yōu)勢。而基于級聯(lián)效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換器與基于差頻效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換器相比，泵浦波長仍然在1.5μm通信波段，解決了波導(dǎo)傳輸模式問題。并且可以獲得更寬的帶寬。雖然基于半導(dǎo)體(如AlGaAs)的差頻波長轉(zhuǎn)換器已有演示，但目前存在困難是難以實現(xiàn)兩束光的相位匹配，另外由于波導(dǎo)的散射損耗，均導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低下，因而目前應(yīng)用較少。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，M.H.Chou等人在《Optics Letters》(24，1999)上發(fā)表的“Mutiple-channel wavelength conversion by use ofengineered QPM structures in LiNbO3waveguides”(《在鈮酸鋰波導(dǎo)中用設(shè)計的準(zhǔn)位相匹配結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的多波長轉(zhuǎn)換》)，該文介紹了利用一種基于非周期的準(zhǔn)位相匹配鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的差頻效應(yīng)，在兩個不同的泵浦波長，一個信號波長通道上同時實現(xiàn)了寬帶波長轉(zhuǎn)換。該文獻還指出，利用基于這種非周期結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)多泵浦波長通道/多信號波長通道(Multiple Pump CHs/MultipleSignal CHs)的波長轉(zhuǎn)換。通過這種對M個泵浦波長的同時利用，這種波長轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重組及波長路由的廣播功能，即每N個輸入信號光中的一個信號可以被轉(zhuǎn)換成M個輸出波長，從而獲得超寬帶的波長轉(zhuǎn)換功能。此外基于這種非周期結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器，由于拓展了泵浦波長位相匹配帶寬，從而極大地提高了器件的穩(wěn)定性和帶寬。以上非周期結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，雖然都利用差頻效應(yīng)實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換，但同樣適用于倍頻和差頻的級聯(lián)效應(yīng)。盡管由于基于介電體非周期結(jié)構(gòu)超晶格的全光波長轉(zhuǎn)換器可同時實現(xiàn)N*M的波長通道轉(zhuǎn)換，極大的使網(wǎng)絡(luò)的重組性能優(yōu)化。但由于基于非周期結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的制作在設(shè)計上是通過對非線性系數(shù)傅立葉變換計算，得到所需疇反轉(zhuǎn)的疇(block)位置來實現(xiàn)多波長轉(zhuǎn)換；已有文獻報道，實驗和模擬結(jié)果均表明，波長轉(zhuǎn)換輸出譜和轉(zhuǎn)換效率均對該結(jié)構(gòu)制作所產(chǎn)生的block制作誤差相當(dāng)敏感，從而帶來該類器件在制作方法上不可克服的固有困難。因此，目前基于該非周期結(jié)構(gòu)的全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法上至少存在兩個問題一是因“非周期結(jié)構(gòu)”所引起的器件設(shè)計和制作的困難，影響了準(zhǔn)位相匹配超晶格結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從而導(dǎo)致所轉(zhuǎn)換波長(符合ITU標(biāo)準(zhǔn))的漂移，以及轉(zhuǎn)換效率的降低；二是以往的基于“鈮酸鋰”超晶格器件在室溫工作狀態(tài)下會產(chǎn)生光折變損傷，導(dǎo)致位相不匹配，所以還需要進行溫度補償，提高了制作成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，使其通過對信號光入射偏振狀態(tài)的控制，產(chǎn)生準(zhǔn)位相匹配的二階非線性差頻或級聯(lián)效應(yīng)，實現(xiàn)一種工作在室溫下，幅度、頻率和位相信息全透明的，多泵浦波長通道/多信號波長通道的寬帶波長轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明選擇一種基于摻雜鎂的鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)晶片，在該晶片上首先制作具有周期范圍為21-26μm的周期性光學(xué)超晶格，即對晶片進行室溫電場極化，以實現(xiàn)晶體極化疇的周期性反轉(zhuǎn)；然后再在晶片上制作鈦擴散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；最后在晶片通光光路前設(shè)置一塊偏振片，即得到波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器，該波長轉(zhuǎn)換器是一塊單疇介電晶片，晶片的上下表面平行。本發(fā)明包括以下步驟(1)選擇一種介電體，該介電體是一種在生長過程中長成沿Z方向自發(fā)極化的鐵電單疇晶體，并且是摻雜摩爾比為5％或6.5％或7％的摻雜鎂的鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)，沿該介電體Z方向切割，其厚度為0.2mm-lmm，上下表面平行且均被拋光，上下表面的法線方向即晶體的自發(fā)極化方向；(2)該晶片-Z表面使用鈦擴散技術(shù)，即在1130℃的高溫下通氬氣十幾個小時，通氧氣后擴散1小時以上，將-Z面預(yù)濺射的寬度為2-8微米的鈦條內(nèi)擴散入摻雜鎂的鈮酸鋰襯底，形成一波導(dǎo)層，該波導(dǎo)的特征是橫電波和橫磁波模式的導(dǎo)波均可以被激發(fā)；(3)然后用光刻技術(shù)，即首先在雙面拋光晶體+Z表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚1μm的光刻膠，經(jīng)曝光、顯影后得到周期性光柵條紋；然后再在光刻膠上濺射一層厚為0.1μm的導(dǎo)電鎳層，在樣品上形成了一周期性的長鎳條構(gòu)成的陣列金屬光柵電極(其他部分金屬在光刻膠上，因而與鈮酸鋰+Z表面絕緣)。金屬光柵電極的周期為Λ=λ02(Neff2e-Neff1o);]]>λ02(n2e-n1o)]]>(a)，式中λ0——級聯(lián)過程中倍頻的泵浦光(基波)或差頻中所需轉(zhuǎn)換的信號光中心波長； ——波導(dǎo)中二次諧波(波長為λ0/2)非常光的有效折射率； ——波導(dǎo)中基波(λ0)尋常光的有效折射率； ——體介質(zhì)中二次諧波的尋常光折射率； ——體介質(zhì)中基波的非常光折射率；對于占空比為1∶1的周期性結(jié)構(gòu)，每個周期內(nèi)電極的長度l為周期的一半，即l＝Λ/2；對于占空比為1∶2的周期性結(jié)構(gòu)，每個周期內(nèi)電極的長度為周期的1/3，即l＝Λ/3；-Z面鍍平面電極。
(4)室溫電場極化過程中，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向；無電極的疇區(qū)域，其電疇的極化方向仍保持原來的方向。
在室溫下，用高壓矩形電脈沖正向施加于兩電極間，所加高壓脈沖電場峰值電壓要大于對應(yīng)于晶體厚度的矯頑場VC(摻鎂鈮酸鋰晶片的矯頑場VC為2-10kv/mm)。
正電極(鍍有鎳條的+Z面)與高壓電源間的連接是由限制在O圈內(nèi)的氯化鋰電解液來接觸導(dǎo)通的。高壓電源的負電極連接在一塊接地的，表面拋光的金屬板上，直接與樣品的-Z面接觸。要保證外電場和金屬電極之間有良好的歐姆接觸，且要防止高壓擊穿。所用外電場為脈沖高壓電場。脈沖周期的長短與次數(shù)與電極表面積有關(guān)。
極化電路是由一個高壓源和一系列電阻組成的高壓脈沖源。極化電流Ipol，Q是晶體表面的輸運電荷和極化時間tpol分別由下三式給出Ipol=Vl-VcRS-VcRvm,]]>Q＝2PsA，tpol=QIpol,]]>(b)Vl是高壓電源直接輸出的電壓值，Vc是加在晶片上的實際極化電壓；Rs，Rvm分別為分壓電阻；Ps為LiNbO3晶體自發(fā)極化強度，為81μc/cm2，A為極化面積。
本發(fā)明首次利用摻雜鎂的鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)I型倍頻相干長度在通訊波段處有一個極值點(以下將把該波長統(tǒng)一稱為寬帶倍頻中心波長)，在該點處由于同時滿足群速度匹配與準(zhǔn)位相匹配倍頻條件，因而能夠得到所期望的倍頻寬帶；同時，本發(fā)明巧妙地利用了摻鎂鈮酸鋰材料固有的寬帶周期性結(jié)構(gòu)，首次提出通過控制倍頻泵浦光偏振方向的方法，將周期性波導(dǎo)超晶格與鈦擴散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，克服了利用電場極化鈮酸鋰質(zhì)子交換波導(dǎo)的非周期結(jié)構(gòu)實現(xiàn)泵浦波長可調(diào)的超寬帶波長轉(zhuǎn)換，在非周期結(jié)構(gòu)的器件制作上存在的困難。
本發(fā)明利用摻雜鎂的鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)作材料，在室溫下不存在光折變損傷的問題，無需進行高溫補償，極大降低了成本；由于摻鎂鈮酸鋰晶體的矯頑場是常用鈮酸鋰晶體的十分之一，降低了極化脈沖電壓，提高了晶體的制作厚度，可達到1mm厚(而基于鈮酸鋰的周期性超晶格材料的器件除化學(xué)計量比材料外，最大厚度只能到0.5mm)，有利于光能量耦合進器件；在不降低轉(zhuǎn)換效率和不改變波長轉(zhuǎn)換輸出譜的前提下，實現(xiàn)了超寬帶的N*M的波長通道轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重組及波長路由的廣播功能。
具體實施例方式
實施例(1)選取厚度為1mm，長和寬均為10mm的7％mol摻雜比的Z切割摻鎂鈮酸鋰晶片，+/-Z面均拋光。
(2)在-Z面用鈦擴散技術(shù)制作一寬度為6微米的條波導(dǎo)；(3)在+Z表面用光刻方法形成一周期為23.5μm的，由6μm寬，10mm長的陣列金屬正電極(假設(shè)占空比為6∶17.5)。光柵周期是用25℃下?lián)芥V鈮酸鋰的Sellmier方程代入公式Λ=λ02(n1e-n1o)]]>所得，其中假設(shè)λ0＝1.55μm，而7％mol摻雜比的摻鎂鈮酸鋰晶體的折射率Sellmeier方程如下no2(λ0)=4.8762+0.11554/(λ02-0.04674)-0.033119·λ02]]>ne2(λ0)=4.5469+0.094749/(λ02-0.04439)-0.026721·λ02]]>(4)正電極與高壓電源間的連接是由限制在O圈內(nèi)的氯化鋰電解液來接觸導(dǎo)通的。高壓電源的負電極連接在一塊接地的，表面拋光的金屬板上，直接與樣品的-Z面接觸。要保證外電場和金屬電極之間有良好的歐姆接觸，且要防止高壓擊穿。所用外電場為脈沖高壓電場，由于摻鎂鈮酸鋰晶體的矯頑場為4.5kv/mm，所以施加在厚度為1mm的摻鎂鈮酸鋰晶片上脈沖峰值電壓要大于4.5kv/mm，脈沖周期的長短與次數(shù)與電極的實際表面積有關(guān)，可通過公式(b)計算得到。以中心波長為λ0＝1.55μm為例，理論上可得出，在25℃下，7％鎂摻雜比的，周期性極化鈮酸鋰的光柵周期為Λ＝23.5μm。
本發(fā)明利用摻雜鎂的鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)作材料，在室溫下不存在光折變損傷的問題，無需進行高溫補償，極大降低了成本；由于摻鎂鈮酸鋰晶體的矯頑場是常用鈮酸鋰晶體的十分之一，降低了極化脈沖電壓，提高了晶體的制作厚度，可達到1mm厚，有利于光能量耦合進器件；在不降低轉(zhuǎn)換效率和不改變波長轉(zhuǎn)換輸出譜的前提下，實現(xiàn)了超寬帶的N×M的波長通道轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重組及波長路由的廣播功能。
權(quán)利要求
1.一種波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征在于，選擇一種基于摻雜鎂的鈮酸鋰晶片，在該晶片上首先制作具有周期范圍為21-26μm的周期性光學(xué)超晶格，即對晶片進行室溫電場極化，以實現(xiàn)晶體極化疇的周期性反轉(zhuǎn)，然后在晶片上制作鈦擴散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最后在晶片通光光路前設(shè)置一塊偏振片，即得到波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，包括以下步驟(1)選擇一種介電體，該介電體是一種在生長過程中長成沿Z方向自發(fā)極化的鐵電單疇晶體，并且是摻雜鎂的鈮酸鋰，沿該介電體Z方向切割，上下表面平行且均被拋光，上下表面的法線方向即晶體的自發(fā)極化方向；(2)該晶片-Z表面使用鈦擴散技術(shù)，即在高溫下通氬氣，通氧氣后擴散，將-Z面預(yù)濺射的鈦條內(nèi)擴散入摻雜鎂的鈮酸鋰襯底，形成一波導(dǎo)層；(3)然后用光刻技術(shù)，即首先在雙面拋光晶體+Z表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層光刻膠，經(jīng)曝光、顯影后得到周期性光柵條紋，然后再在光刻膠上濺射一層導(dǎo)電鎳層，在樣品上形成了一周期性的長鎳條構(gòu)成的陣列金屬光柵電極，金屬光柵電極的周期為Λ=λ02(Neff2e-Neff1o);λ02(n2e-n1o)---(a);]]>(4)在室溫電場極化過程中，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向，無電極的疇區(qū)域，其電疇的極化方向仍保持原來的方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的摻雜鎂的鈮酸鋰，其摻雜摩爾比為5％或6.5％或7％。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的切割，其厚度為0.2mm-1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的鈦擴散技術(shù)，是指在1130℃的高溫下通氬氣十幾個小時，通氧氣后擴散1小時以上，將-Z面預(yù)濺射的寬度為2-8微米的鈦條內(nèi)擴散入摻雜鎂的鈮酸鋰襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的波導(dǎo)層，該波導(dǎo)的特征是橫電波和橫磁波模式的導(dǎo)波均可以被激發(fā)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的金屬光柵電極，對于占空比為1∶1的周期性結(jié)構(gòu)，每個周期內(nèi)電極的長度l為周期的一半，即l＝Λ/2；對于占空比為1∶2的周期性結(jié)構(gòu)，每個周期內(nèi)電極的長度為周期的1/3，即l＝Λ/3，-Z面鍍平面電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，其特征是，所述的利用高壓電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場，是指用高壓矩形電脈沖正向施加于兩電極間，所加高壓脈沖電場峰值電壓要大于對應(yīng)于晶體厚度的矯頑場VC＝2-10kv/mm。
全文摘要
一種波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器的制作方法，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明選擇一種基于摻雜鎂的鈮酸鋰晶片，在該晶片上首先制作具有周期范圍為21－26μm的周期性光學(xué)超晶格，即對晶片進行室溫電場極化，以實現(xiàn)晶體極化疇的周期性反轉(zhuǎn)，然后在晶片上制作鈦擴散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最后在晶片通光光路前設(shè)置一塊偏振片，即得到波長可調(diào)寬帶全光波長轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明極大降低了成本，降低了極化脈沖電壓，提高了晶體的制作厚度，有利于光能量耦合進器件；在不降低轉(zhuǎn)換效率和不改變波長轉(zhuǎn)換輸出譜的前提下，實現(xiàn)了超寬帶的N*M的波長通道轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重組及波長路由的廣播功能。
文檔編號G02F2/00GK1725091SQ20051002794
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者陳玉萍, 張軍鋒, 陳險峰, 吳銳 申請人:上海交通大學(xué)