一种直波导型电光相位调制器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种直波导型电光相位调制器及其制备方法，电光调制器具有平板电容型结构，包括相当于介质层的单晶与单晶上下表面的电极层。单晶为二元(1‑x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑xPbTiO3体系或三元(1‑x‑y)Pb(In1/2Nb1/2)O3‑xPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3体系。直波导型电光相位调制器是利用铁电体的畴转向和双折射率之差，通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了高达3％的折射率变化，有效构造了一种结构简单，易于加工制造的光波导结构。本发明专利技术具有极低的半波电压、低的插入损耗、高的带宽和优异的相位调制能力。将铁电性和强光学非线性结合，可设计多种光信息转换器件，实现光子偏振态的有效控制，微弱信号的检测以及相控阵信号的生成与控制，适用于量子保密通信技术及微波光子学雷达技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方法
本专利技术属于光通信、量子保密通信以及微波光子学雷达
，特别涉及一种电光功能材料，具体涉及一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方法。
技术介绍
随着通信技术的发展，越来越多的内容可以瞬间传递，对于光纤网络通信速率和信道容量的要求不断提高，具有更高带宽和性能的电光调制器始终是一个核心器件，如何降低其半波电压、降低插入损耗、提升带宽是关键问题。同时，性能优异的电光调制器也可用于新近发展起来的量子保密通信技术，实现光子偏振态的有效控制，以及微波光子学雷达技术，实现微弱信号的检测以及相控阵信号的生成与控制。目前常用的波导型电光调制器多使用偏硼酸钡(BBO)和铌酸锂(LN)等非线性光学材料，通过离子交换，离子注入和金属扩散等方式制备而成。然而，这两种材料的半波电压较高，电光系数较低，而且采用上述制备方法都需要复杂的工艺和大型的设备，且制备方法的光波导折射率的改变量Δn通常很小，因此基于这类材料开发的电光调制器件需要更高功率的驱动器，无法满足电光调制在速度与容量上的高要求。因此，急于开发一种半波电压低，插入损耗小，带宽高且易于加工的高性能电光调制器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高性能直波导型电光相位调制器及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术利用铁电体的畴转向和双折射率之差，通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了高达3％的折射率变化，有效构造了一种结构简单，易于加工制造的光波导结构。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高性能直波导型电光相位调制器，包括作为介质层的长方体单晶，单晶的上表面设置有上电极层，单晶的下表面设置有下电极层，所述下电极层完整覆盖在单晶的下表面，上电极层覆盖在单晶的上表面，且上电极层通过空白狭缝分割为对称的两部分。进一步地，所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)体系弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3(PIMNT)体系弛豫铁电单晶。进一步地，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相或[001]晶向的四方相结构。进一步地，长方体单晶的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫米。一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，包括以下步骤：步骤1：晶体加工；选择弛豫铁电单晶无裂纹，结晶完好的区域，三维定向，并切割成长方体晶体，并对长方体晶体面积最大的平面及与其相邻的两个平行平面进行研磨并抛光形成光学面；步骤2：退火；将步骤1中得到的弛豫铁电单晶进行退火处理；步骤3：光刻镀电极；将步骤2中得到的弛豫铁电单晶面积最大的光学平面进行光刻镀电极，在其平行平面直接镀电极；步骤4：单畴化和局部畴转；将步骤3中得到的弛豫铁电单晶进行单畴化和局部畴转处理即得到高性能直波导型电光相位调制器。进一步地，步骤1中所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3体系弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3体系弛豫铁电单晶，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相或[001]晶向的四方相结构。进一步地，步骤1中长方体晶体的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫米；步骤1中抛光面的平整度小于1微米。进一步地，步骤2的退火处理过程包括：步骤2.1：将步骤1得到的弛豫铁电单晶置于气氛炉中，以0.2～4℃/分钟的速率升温至500～800℃，保温1～30小时；步骤2.2：将步骤2.1中得到的晶体以0.2～4℃/分钟的速率降温至高于居里温度5～30℃处，然后再以0.05～1℃/分钟速率降温至低于居里温度5～30℃后，自然降温至室温。进一步地，步骤3的光刻镀电极过程包括：步骤3.1：在步骤2得到的弛豫铁电单晶面积最大的光学平行平面上涂覆正性光刻胶，涂覆速度为2000～5000转/分，时间为20～50秒；步骤3.2：将步骤3.1中所得涂覆光刻胶的晶体在90～120℃温度下烘干5～60分钟；步骤3.3：将掩模板覆盖在步骤3.2所得晶体面积最大的光学平面上，掩膜板中间的隔挡宽度L为0.5～10微米，采用光刻机进行曝光得到曝光后的样品，光源为193～436纳米的紫外光，曝光时间为20～60秒；步骤3.4：将曝光后的样品用显影溶液进行显影，显影溶液是由显影液与去离子水按照1：1～3：1的体积比配制得到，具体为将曝光后的样品放入显影溶液中，使感光部分的光刻胶溶掉，留下未感光部分的胶膜，从而显现出所需要的图形，显影时间15-40秒；步骤3.5：对经步骤3.4显影后的晶体进行干燥，干燥温度为80～120℃，时间为0.5～5分钟；步骤3.6：在步骤3.5得到的晶体面积最大的光学平面上溅射电极，所述电极为金电极或铝电极，电极厚度为100～250纳米；步骤3.7：将步骤3.6得到的单畴态弛豫铁电晶体置于丙酮中，经过超声清洗，将未曝光的光刻胶及其电极溶解，最后在此抛光表面上得到共面电极，其平行平面覆盖全电极。进一步地，步骤4的单畴化和局部畴转过程包括：步骤4.1：将步骤3得到的晶体在硅油浴中加热至40～250℃，升温速率为0.5～2℃/分钟，保温0～60分钟；步骤4.2：在步骤4.1得到的晶体上施加沿[001]、[110]或[111]方向直流电场，电场强度0.3～2千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压10～30分钟；步骤4.3：将步骤4.2中直流电场强度降低至原电场强度的4/5～1/5，降压速率为3～50伏/分，同时晶体以0.5～2℃/分钟的速度降温至室温，取出晶体，即获得单畴态弛豫铁电晶体；步骤4.4：在步骤4.3得到的晶体的共面电极上施加电场，电场强度为0.3～1千伏/毫米，加压速率为3～50伏/分钟，保压5～30分钟，使局部的电畴向水平方向反转，获得直波导型电光调制器。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术的直波导型电光相位调制器具有平板电容型结构，包括相当于介质层的单晶与单晶上下表面的电极层，是基于PMNT体系与PIMNT体系弛豫铁电单晶开发的直波导型相位调制器，铁电晶体畴转向和双折射率之差，通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了高达3％的折射率变化，有效构造了一种结构简单，易于加工制造，具有极低的半波电压、低的插入损耗、高的带宽和优异的相位调制能力，将铁电性和强光学非线性结合，还可以设计多种光信息转换器件，用于多种光通信量子保密通信以及微波光子学雷达系统，通过进一步提高器件性能，甚至有可能实现量子水平的光信息转换。本专利技术方法基于弛豫铁电体的微畴和极性微区特性，畴的尺寸依赖于材料组成和外界温度以及电学边界条件，非本征的微区结构变化将产生巨大的折射率改变。巧妙地利用铁电体的畴转向和双折射率之差，通过加在共面电极上的预制电场诱发畴转向，在局部区间产生了可达3％的折射率变化，有效构造了一种易于加工制造的光波导结构。基于PMNT体系与PIMNT体系弛豫铁电单晶开发的直波导型电光相位调制器将具有远优于BBO和LN类似器件的性能参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，包括作为介质层的长方体单晶，单晶的上表面设置有上电极层，单晶的下表面设置有下电极层，所述下电极层完整覆盖在单晶的下表面，上电极层覆盖在单晶的上表面，且上电极层通过空白狭缝分割为对称的两部分。

【技术特征摘要】
1.一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，包括作为介质层的长方体单晶，单晶的上表面设置有上电极层，单晶的下表面设置有下电极层，所述下电极层完整覆盖在单晶的下表面，上电极层覆盖在单晶的上表面，且上电极层通过空白狭缝分割为对称的两部分。2.根据权利要求1所述的一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3体系弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3体系弛豫铁电单晶。3.根据权利要求2所述的一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相或[001]晶向的四方相结构。4.根据权利要求1所述的一种高性能直波导型电光相位调制器，其特征在于，长方体单晶的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫米。5.一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：晶体加工；选择弛豫铁电单晶无裂纹，结晶完好的区域，三维定向，并切割成长方体晶体，并对长方体晶体面积最大的平面及与其相邻的两个平行平面进行研磨并抛光形成光学面；步骤2：退火；将步骤1中得到的弛豫铁电单晶进行退火处理；步骤3：光刻镀电极；将步骤2中得到的弛豫铁电单晶面积最大的光学平面进行光刻镀电极，在其平行平面直接镀电极；步骤4：单畴化和局部畴转；将步骤3中得到的弛豫铁电单晶进行单畴化和局部畴转处理即得到高性能直波导型电光相位调制器。6.根据权利要求5所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤1中所述单晶为二元(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3体系弛豫铁电单晶或三元(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3体系弛豫铁电单晶，所述弛豫铁电单晶为[111]晶向的三方相、[110]晶向的正交相或[001]晶向的四方相结构。7.根据权利要求5所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤1中长方体晶体的长为4～10毫米，宽为4～10毫米，高为2～4毫米；步骤1中抛光面的平整度小于1微米。8.根据权利要求5所述的一种高性能直波导型电光相位调制器的制备方法，其特征在于，步骤2的退火处理过程包括：步骤2.1：将步骤1得到的弛豫铁电单晶置于气氛炉中，以0.2～4℃/分钟的速率升温至50...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐卓，赵烨，符小湉，庄永勇，魏晓勇，王三红，陈兵，李振荣，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61