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【6h】

基于钛扩散制备Ti/LiNbO3波导型光耦合片工艺与光学性能优化

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题背景、目的与意义

1.2 光耦合器国内外发展与现状分析

1.3 波导型光耦合片研究热点

1.3.1 硅基二氧化硅光波导

1.3.2 钛/铌酸锂光波导

1.3.1 InGaAs/InP光波导

1.3.2 聚合物光波导

1.4 钛/铌酸锂波导型光耦合片制备方法

1.4.1 钛/铌酸锂复合薄膜制备方法

1.4.2 铌酸锂波导结构的制备方法

1.5 晶体LiNbO3中钛扩散机理

1.5.1 固体中物质的扩散理论—菲克定律

1.5.2 钛离子在LiNbO3中的扩散机制

1.6 课题来源

1.7 本课题主要研究内容

第2章 实验方案与研究方法

2.1 实验材料与设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.2 钛/铌酸锂复合薄膜实验方案设计

2.2.1 实验方案

2.2.2 工艺流程

2.3 钛/铌酸锂波导型光耦合片实验方案设计

2.3.1 实验方案

2.3.2 工艺流程

2.4 微观结构表征手段

2.4.2 掠入射角X-射线衍射分析

2.4.3 扫描电子显微镜分析

2.4.4 拉曼光谱分析

2.5.1 有效折射率与导模数目测试分析

2.5.2 折射率梯度分布测试分析

2.5.3 表面最大折射率和表面折射率变化量测试分析

2.5.4 波导损耗测试分析

2.6 本章小结

第3章 真空蒸镀工艺对Ti/LiNbO3复合薄膜影响

3.1 蒸镀电流对复合薄膜的影响

3.1.1 蒸镀电流对复合薄膜表面形貌影响

3.1.2 Ti/LiNbO3复合薄膜组织结构

3.2 基片温度对复合薄膜影响

3.2.1 基片温度对复合薄膜表面形貌影响

3.2.2 基片温度对复合薄膜组织结构影响

3.3 蒸镀时间对复合薄膜影响

3.3.1 蒸镀时间对薄膜表面形貌影响

3.3.2 蒸镀时间对薄膜厚度影响

3.4 钛/铌酸锂复合薄膜截面扫描分析

3.5 钛/铌酸锂复合薄膜表面XPS分析

3.6 本章小结

第4章 钛扩散工艺对光耦合片微观结构及光学性能影响

4.1 扩散工艺对光耦合片形貌影响

4.1.1 扩散前后光耦合样片外观形貌比较

4.1.2 扩散温度对光耦合片形貌影响分析

4.1.3 扩散时间对光耦合片形貌影响分析

4.1.4 钛薄膜初始厚度对光耦合片形貌影响分析

4.2 不同扩散工艺下光耦合片截面及表面元素分析

4.2.1 扩散后得到的光耦合片表面元素分析

4.2.2 不同扩散温度下光耦合片截面及元素分析

4.2.3 不同扩散时间下光耦合片截面及元素分析

4.3 扩散前后光耦合片相结构分析

4.3.1 拉曼光谱实验结果分析

4.3.2 XRD衍射实验结果分析

4.4 钛扩散后光耦合片表面XPS分析

4.4.1 有效折射率与导模数目分析

4.4.2 折射率梯度分布

4.4.3 表面最大折射率与表面折射率变化量分析

4.4.4 波导传输损耗测试与分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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摘要

光耦合器是光纤通信中重要的光无源器件之一,随着光耦合器的需求量大幅增加和光纤通信发展中集成化趋势越来越明显,集成化、低损耗、易接入、能实现多路和小型化的波导型光耦合器成为人们研究的主要方向。钛/铌酸锂光波导是其中的研究热点。本课题以单晶铌酸锂和金属钛为原料,利用真空蒸镀法和金属内扩散技术制备钛/铌酸锂波导型光耦合片,通过研究蒸镀电流、基片温度和蒸镀时间等工艺参数对钛/铌酸锂复合薄膜微观结构的影响,确定最佳真空蒸镀工艺参数,在此最佳工艺参数基础上,利用金属内扩散法制备钛/铌酸锂波导型光耦合片,研究扩散温度、扩散时间和钛膜初始厚度对钛/铌酸锂波导型光耦合片的微观结构和宏观光学性能的影响,得到钛/铌酸锂波导型光耦合片最佳的扩散工艺参数。
  以单晶铌酸锂为衬底材料,金属钛为蒸发源,采用真空蒸镀法制备钛/铌酸锂复合薄膜,经XRD、SEM、EDS、AFM、XPS等研究,得到真空蒸镀最佳工艺参数。制备的钛/铌酸锂复合薄膜存在少量氧化钛;通过拟合厚度与时间为:2708nm/1mm。基于制备钛/铌酸锂复合薄膜最佳工艺参数,利用金属内扩散法制备钛/铌酸锂光波导,经XRD、SEM、EDS、AFM、XPS、拉曼光谱、棱镜耦合仪、外观等研究,得到金属钛扩散法制备钛/铌酸锂波导型光耦合片最佳工艺参数。利用Waveguide Loss Measurement Options2010-WGL1测得钛/铌酸锂波导型光耦合片的传输损耗。
  研究发现制备的钛/铌酸锂波导型光耦合片截面元素组成主要是T1、Nb和O三种元素,波导表面到铌酸锂内部,钛元素含量先增加后减少,增加与减少呈梯度分布,且扩散进入基底铌酸锂晶体内部的钛离子呈T14+价态,钛扩散前后,铌酸锂基仍是单晶铌酸锂相(钛铁矿结构)。1540nm波长下,钛/铌酸锂光耦合片导模数目为1,其他条件相同的条件下,有效折射率随扩散时间增加而呈增大趋势,随初始钛薄膜厚度增加而有增大趋势,最大有效折射率为2.2144。532nm和448.2nm波长下,钛/铌酸锂光耦合片分别存在三个和四个模式折射率,采用逆WKB近似法得到耦合片径向一维定态的折射率梯度分布曲线,折射率从耦合片表面向内部单调递减,呈高斯分布。532nm波长下,最优光耦合片的表面最大折射率为2.33238,表面折射率变化量为0.00843。不同样品的表面折射率变化的测量值大小对比结果与理论计算值对比结果一致,除入射光波长外,扩散时间和钛薄膜初始厚度对耦合片表面射率变化量有一定影响。

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