高性能Zn擴散摻鎂LN晶體脊形波導器件的研究

陳中輿，程靜欣，陳懷熹，馮新凱，張新彬，梁萬國

(1.中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福州 350002；2.中國科學院大學，北京 100049;3.中國福建光電信息科學與技術創(chuàng)新實驗室(閩都創(chuàng)新實驗室)，福州 350108;4.光電信息控制和安全技術重點實驗室，天津 300308)

0 引 言

鈮酸鋰(LiNbO3, LN)晶體具有優(yōu)異的電光、非線性光學等特性，從21世紀初開始引起廣泛關注，被譽為光子學領域的“硅”。鈮酸鋰晶體可以制備成波導結(jié)構(gòu)，進而制成高度集成的光電子器件，可極大地增強頻率變換效率、調(diào)制帶寬等，在激光、電光調(diào)制、聲光調(diào)Q等領域得到廣泛應用[1-2]。然而，使用退火質(zhì)子交換和Ti擴散等傳統(tǒng)方法制備的鈮酸鋰波導在高功率(≥100 mW)應用場景下性能有限，過高的功率密度會使鈮酸鋰受到嚴重的光折變損傷，從而導致自調(diào)制折射率變化，并且在較高的光強下光誘導吸收會增加，導致晶體中的光折變引發(fā)內(nèi)部損傷[3-4]。將鈮酸鋰晶體換成摻鎂鈮酸鋰晶體作為基質(zhì)材料，在制備Ti擴散波導的過程中，常會存在內(nèi)部疇退化、擴散置換不均勻等現(xiàn)象[5-6]；而采用退火質(zhì)子交換方法則需要嚴格的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，否則其性能極其不穩(wěn)定[7]。另外，退火質(zhì)子交換摻鎂鈮酸鋰波導只支持TM單偏振傳輸，并且仍然存在抗光折變損傷性能差等問題，在部分應用上同樣受到限制[8]。近年來也有研究人員嘗試制備LN薄膜波導，獲得了相對高效的通光性能，在電光調(diào)制、非線性頻率變換上已有文獻報道[9]，但該方法工藝制備條件要求高，需要昂貴的設備來保證薄膜厚度的均勻性和準確性，波導與光纖的耦合難度也相對較高。

基于上述不足，迫切需要尋找一種同時具備高擴散系數(shù)和低活化能的元素。研究人員發(fā)現(xiàn)，鋅離子和鎂離子在鈮酸鋰中具有相似的物理性質(zhì)，如相同的電荷狀態(tài)、相似的離子半徑和較高的有效分配系數(shù)。因此推測Mg2+和Zn2+對LiNbO3性質(zhì)的影響是相似的，Zn元素是比較合適的摻雜選擇[10]。Zn擴散摻鎂LN波導可以支持TE模和TM模，波導可以在相對較低的溫度(500～900 ℃)下獲得，使擴散過程中周期極化結(jié)構(gòu)和相關電光結(jié)構(gòu)得以完全保留；同時工藝制備條件相對簡單，兼具高抗光折變損傷等優(yōu)良性能，可在一些高功率的鈮酸鋰電光調(diào)制器、激光頻率變換中得到充分應用[11-12]。

目前，采用Zn擴散法制備摻鎂LN波導是很有發(fā)展?jié)摿Φ姆桨?，但該法存在兩個主要的發(fā)展難點。第一個難點是需要通過理論設計和工藝參數(shù)調(diào)試來建立完整的制備工藝體系，包括Zn膜的厚度、熱擴散溫度和時間等；第二個難點是仔細控制擴散條件來抑制化合物在擴散表面的形成。國外已有報道采用Zn擴散法在900 ℃成功制作LN波導，傳輸損耗低至0.8 dB/cm[13]，但該擴散溫度較高，容易導致極化疇的退化，限制了其頻率變換的應用。本文降低擴散溫度至850 ℃左右，在摻鎂LN晶體中制備高性能脊型波導器件，通過理論設計和工藝參數(shù)調(diào)試建立起完整的制備體系，最終搭建簡易的測試平臺進行反饋優(yōu)化。

1 理論模型

首先建立Zn元素在摻鎂鈮酸鋰晶體中的擴散理論模型。Zn元素擴散后引起鈮酸鋰晶體的折射率發(fā)生變化，以Fouchet等建立的折射率模型為基礎[14]，設定擴散后的折射率分布近似為高斯分布，最大折射率差值為Δn，可以得到：

(1)

式中：x為特定某處的擴散深度；h為折射率變化的深度；Δns為晶體表面的折射率變化值，包括o光和e光，該值和濃度有如下關系：

Δn=A(C[x])α

(2)

式中：A和α為待定參數(shù)。當擴散時間t遠遠大于完全擴散時間時，晶體內(nèi)部的離子濃度C[x]。分布近似為高斯分布：

(3)

(4)

式中：C0為晶體表面離子濃度；τ為Zn膜的厚度；hx為擴散的深度。將式(1)、式(3)和式(4)代入式(2)中，可得：

(5)

對式(5)進行一階級數(shù)展開，取其首項可得：

(6)

當波長(λ)范圍為600～1 600 nm時，對參數(shù)B0和B1采用波長的二階多項式近似，可得：

(7)

將式(7)代入離子濃度和折射率變化的關系式(2)，可得：

(8)

(9)

由此可得波導的折射率變化分布為：

(10)

由于實際制作的脊形擴散波導在橫向上是全部擴散的，因此不考慮橫向擴散寬度，擴散模型如圖1所示。由上述可得該擴散剖面的折射率分布定義為：

n(x,y)=n0+Δn

(11)

即在折射率的變化分布式(10)的基礎上，加上一個晶體折射率n0。由鈮酸鋰晶體中Zn擴散波導的典型值[15]可知，Δn=3.0×10-3，n0=2.203 8。在FDTD軟件上，設置擴散深度h為6 μm，光波長為1 550 nm，可得波導橫截面的折射率分布如圖1所示，折射率由擴散表面向里變小。

圖1 擴散模型(a)及波導橫截面的折射率分布(b)Fig.1 Diffusion model (a) and refractive index distribution (b) of waveguide cross section

采用單模光纖進行耦合測試，其模場直徑為10 μm，運行仿真可得耦合效率，重復更改擴散深度，整理可得耦合效率折線圖(見圖2)。由圖2可知，在高度h為9～11 μm時，可得到最高耦合效率為90%。

圖2 耦合效率與擴散深度的關系Fig.2 Relationship between coupling efficiency and depth of diffusion

由擴散方程和Arrhenius定律可得：

(12)

Rh=R0,hexp(-E/KT)

(13)

式中：D為擴散系數(shù)；t為擴散時間；Rh為縱向擴散速率；R0,h為縱向擴散常數(shù)；E為活化能；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為擴散溫度。將9～11 μm的擴散深度范圍代入式(12)和式(13)，可得擴散時間范圍為1～6 h，擴散溫度范圍為850～1 000 ℃。

2 波導器件制作及實驗測試

2.1 波導器件制作過程

在制作Zn擴散摻鎂LN脊型光波導的過程中，影響其特性的主要參數(shù)有Zn層厚度、擴散溫度和擴散時間。因此可以通過調(diào)整這些參數(shù)來控制波導的特性。通常Zn層厚度為100～150 nm，擴散溫度小于1 000 ℃，擴散時間為1～6 h[16]。在這些條件下制得的波導損耗較低，產(chǎn)生的雜質(zhì)很少。

Zn擴散波導的工藝流程如圖3所示。第一步是鍍Zn膜，該步驟關鍵是要保證膜層擁有良好的穩(wěn)定性、均勻性和粗糙度，鍍膜速度過快，Zn膜層粗糙度會偏大。采用磁控濺射鍍膜，選用純度為99.995%的Zn靶材,在清潔好的厚度0.5 mm、直徑3英寸(1英寸=25.4 mm)Z-cut摻5%MgO鈮酸鋰晶圓(江西勻晶光電技術有限公司)上濺射鍍膜100 nm左右的Zn金屬層，磁控濺射時間約4 min，電流控制在0.5 mA，鍍膜速率控制在100 nm/min左右，同時保證整體鍍膜均勻性≤5%(3英寸片內(nèi)厚度誤差≤7 nm)。

圖3 Zn擴散制備鈮酸鋰光波導流程圖Fig.3 Fabrication process of lithium niobate optical waveguide by Zn diffusion

第二步是在850 ℃的高溫濕氧氣氛下進行熱擴散。該過程首先將鍍膜完成的晶片進行充分清潔，避免擴散過程中引入雜質(zhì)。隨后將晶片置于鉑金坩堝中，放入濕氧氣氛中的高溫爐進行擴散。調(diào)節(jié)升溫速度，要求在40 min左右升溫到850 ℃，升溫速率過慢會導致未到需求溫度就發(fā)生擴散。溫度變化如圖4所示。

圖4 擴散時間和擴散溫度的關系曲線Fig.4 Relationship curve of diffusion time and temperature

第三步是采用金剛石精密砂輪機械切割的方法，在擴散后的LN晶片上制備出脊波導結(jié)構(gòu)。制備的脊形波導寬度約為10 μm，同時需要保證所切波導結(jié)構(gòu)的完整度和平整度。圖5是所制備的脊波導端面實物圖，脊形波導的寬度為10.24 μm，深度為21.16 μm。

圖5 制作完成的脊波導Fig.5 Fabricated ridge waveguide

2.2 實驗測試

為了更好地體現(xiàn)Zn擴散波導對光有良好的約束效果，本文做了以下對比實驗：在同一片摻鎂鈮酸鋰襯底上，一半用磁控濺射鍍上Zn膜，另一半未鍍Zn膜，隨后采用相同的工藝技術進行退火擴散、切割成脊形并進行端面拋光，如圖6所示，晶片呈現(xiàn)出兩個明顯不同的區(qū)域。共切割8條脊形波導，波導尺寸為長4 cm，脊寬10 μm，高20 μm，其中4條為Zn擴散波導，4條為未進行Zn擴散的波導。

圖6 鍍Zn和未鍍Zn的晶片樣品Fig.6 Sample of wafer coated with and without Zn

波導制備完成后，搭建簡易的測試平臺進行測試，如圖7所示。使用可調(diào)諧激光器作為泵浦光源，中心波長固定在1 550 nm，通過單模光纖輸出光束至波導端面，輸出端同樣接單模光纖至功率計。

圖7 實驗光路示意圖Fig.7 Schematic diagram of experimental optical path

調(diào)整光源輸入功率為7 mW，記錄輸出功率(見表1)。由于實際測量值包括耦合損耗和傳輸損耗，測試產(chǎn)生的耦合損耗約為2 dB，計算可得傳輸損耗。波導1～4為未鍍Zn膜的波導，波導5～8為成功鍍Zn膜的波導。

表1 不同樣品的輸出功率和傳輸損耗Table 1 Output power and transmission loss of different samples

由表1可知，Zn擴散的波導5～8和未進行Zn擴散的波導1～4相比，輸出功率提升了三個數(shù)量級，傳輸損耗明顯下降，這說明Zn已成功擴散，使得區(qū)域折射率增大發(fā)生全反射，波導對光束有良好的限制效果。而波導8傳輸損耗較波導5～7大，原因可能是切割過程中刀片的磨損過大，或者拋光過程有異物導致波導缺口。

為了確定合適的擴散參數(shù)，制作了多組不同條件的Zn擴散摻鎂LN脊波導進行對比，多次耦合測試得到表2數(shù)據(jù)。由A、B、E三組的溫度和傳輸損耗對比以及C、D兩組的溫度和傳輸損耗對比，可知在相同的擴散時間下，擴散溫度為850 ℃的波導具有更小的傳輸損耗；A、C兩組的時間和損耗對比以及B、D兩組的時間和損耗對比可知，在相同的擴散溫度下，擴散時間為1 h的波導具有更小的傳輸損耗。F組作為脊寬的對比條件組，減小了寬度卻導致傳輸損耗明顯增大，原因是脊寬變小，脊形結(jié)構(gòu)變得更脆弱，在拋光的過程中波導受損。

表2 多組不同條件參數(shù)的波導傳輸損耗Table 2 Waveguide transmission loss with multiple groups of different parameters

由上述對比可知，Zn擴散法制備的摻鎂LN波導在擴散溫度為850 ℃、擴散時間為1 h的條件下，波導傳輸損耗更小，更具優(yōu)勢。

在波導輸出端將功率計改接為光斑探頭，通過波導的輸出光聚集到探頭中，記錄每條波導處輸出光的模場。在可調(diào)諧激光器輸出端接摻鉺光纖放大器(EDFA)，增大輸入功率。在激光功率較小時，輸出光斑為圓光斑，尺寸半徑為6.6 μm。將激光輸入功率緩慢增大至0.25 W時，出現(xiàn)明顯的功率飽和下降(見圖8)，光斑產(chǎn)生畸變(見圖9)，此時計算得到光折變損傷閾值為184 kW/cm2，大于普通的摻鎂LN波導(約60 kW/cm2)，高于Ti擴散法和質(zhì)子交換法兩到三個數(shù)量級[17]。

圖8 輸入功率和輸出功率的關系曲線Fig.8 Relationship curves of input power and output power

圖9 畸變后的圓光斑Fig.9 Circular light spot after distortion

測試完成后用電鏡對波導端面進行觀測，可以發(fā)現(xiàn)波導有9.6 μm的擴散層(見圖10)，這與仿真的范圍(9～11 μm)一致。

圖10 Zn在晶片表面的擴散深度Fig.10 Diffusion depth of Zn on wafer surface

3 結(jié) 論

本文通過Zn擴散制作的摻鎂LN脊形波導最佳工藝條件為擴散溫度850 ℃和擴散時間1 h，Zn膜厚度均為100 nm。該條件下制作的LN波導在1 550 nm處得到傳輸損耗為0.86 dB/cm，光折變損傷閾值為184 kW/cm2。波導對光束有較強的約束能力，擁有良好的抗光折變損傷能力，展示了Zn擴散LN波導在高功率密度器件的應用潛力。

擴散的溫度和時間偏離最佳值會導致傳輸損耗變大，這是條件改變導致模場直徑變大，光束發(fā)散，波導對光約束效果下降。在確定了Zn擴散LN波導低損耗和高抗光折變損傷的優(yōu)勢后，下一步可在此基礎上進行周期極化，進行頻率轉(zhuǎn)換測試；也可在該擴散條件附近區(qū)間進行嘗試，以獲得更低的傳輸損耗。