维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电子技术与信息 Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ２００６ Ｍａｒ；１９（２） １７ 质子交换铌酸锂波导的退火工艺 罗辉，戴基智，杨亚培，包洪涛，赵天卓，佟会 （电子科技大学光电信息学院，四川 成都 ６１００５４） 摘 要： 介绍了质子交换铌酸锂波导的制作工艺，比较分析了不同切向、不同退火温度、不同退火时问下铌酸 锂波导的特性． 关键词：光波导；退火质子交换；铌酸锂光波导 中囝分类号：ＴＮ２５２ 文献标识码：Ａ 文献编号：１００６．１２３１（２００６）０２ ００１７．０５ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ ＬｉＮｂ０３ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ＬＵＯ Ｈｕｉ，ＤＡＩ Ｊｉ—ｚｈｉ，ＹＡＮＧ Ｙａ—ｐｅｉ，ＢＡＯ Ｈｏｎｇ—ｔａｏ，ＺＨＡＯ Ｔｉａｎ．ｚｈｕｏ，ＴＯＮＧ Ｈｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｎｅａｌｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｎａｄ ａｎｎｅａｌｅｄ ｔｉｍｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ａｎｎｅａｌｅｄ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ（ＡＰＥ）；ＬｉＮｂＯ３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ １ 引 言 可以由后续的退火工艺在较大的范围内得到调节。 但是质子交换法不适于ｙ切铌酸锂晶体，这是 ＬｉＮｂＯ３晶体具有大的电光、声光及非线性光 由于ｙ切铌酸锂在大部分酸中会发生表面腐蚀。本 学系数，材料的化学性能稳定，被广泛用于制备备 文在介绍质子交换铌酸锂波导制作工艺的基础上， 种光波导器件，成为集成光学最常用的无机介电晶 对在不同退火温度和不同退火时间下 切和ｚ切 体材料。对于不同的电场方向，应该选择合适的晶 铌酸锂波导的特性进行了比较分析。 体取向，以便获得最大的电光系数。当电极电场方 向平行于铌酸锂基片表面，应选择 切ｙ方向传 ２ 质子交换铌酸锂波导的制作工艺 播的铌酸锂基片，同时光波导传播模应为ＴＥ模， 一般选用苯甲酸（Ｃ６Ｈ５ＣＯＯＨ）做为质子源。 其导光电场偏振方向与电极电场方向一致；亦可选 苯甲酸在室温下是白色粉末，熔点１２１℃，大气压 择】 切 方向传播的基片，光波仍为ＴＥ模。当 下的沸点２５０℃。将ＬｉＮｂＯ３浸入．１２１￣－２５０℃的苯 电极电场方向垂直于基片表面，应选择ｚ切铌酸锂 甲酸熔融液中，就会发生Ｌｉ＋ＨＨ＋交换，在晶 基片和ＴＭ偏振状态的光传输模。铌酸锂制作光波 体表面形成Ｈ Ｌｉ１－ｘＮｂＯ３高折射率层，其中通常 导有两种常用的方法： Ｔｉ扩散法【 】和退火质子交 ＞０．５。在此温度范围内，苯甲酸化学性质稳定， 换法［２］。质子交换法同Ｔｉ扩散法相比具有以下优 毒性小，且对 切、ｚ切ＬｉＮｂＯ３无损伤作用，对 点［３】＝ 大部分金属不腐蚀，可以选用金属铝掩模制作条波 （１）波导制作温度低，形成波导的速度快； 导。熔融的苯甲酸易挥发，并且有强烈的刺激性气 （２）抗光损伤能力比Ｔｉ扩散波导至少强四个 味，因此质子交换要在密封状态下进行。首先对铌 数量级； 酸锂晶片用氧化锶、去离子水、酒精清洗，去除其 （３）折射率分布为阶跃性分布，其折射率分布 表面的油脂、手印及灰尘。将苯甲酸粉末和ＬｉＮｂＯ３ 收稿日期；２００５—０６—１６ 修改日期：２００５ １２—１４ 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ８ 光 电子技术与信息 Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ２００６ Ｍａｒ；１９（２） 度。由阿尔赫尼厄斯方程的固有性质 晶体放入试管，并将试管放入玻璃容器，把玻璃容 器密封起来后，放进恒温槽。加热升温到指定的温 度，经过一定恒温时间让晶片充分预热后，通过一 定的转动装置转动玻璃管使苯甲酸浸没晶片，开始 交换 达到交换时间后，转动玻璃管，使晶片从质 子源中脱离出来，并关闭电源降温，取出晶片冷却 后用无水乙醇清洗表面，去除残留的苯甲酸 质子交换法的特点： （１）质子交换法可以用于 切ＬｉＮｂＯａ晶体以 及ｚ切ＬｉＮｂＯ３晶体； （２）质子交换法不适于】，切ＬｉＮｂＯ３晶体，因 为苯甲酸会腐蚀ＬｉＮｂＯ３晶体的ｙ面； （３）只有相对于非常光线才会引起折射率ｎ。 的增加。其表面折射率的变化量是个恒量，与质子 交换的温度和时间无关 在 ０．６３２８ ｍ时， Ａｎｅ ０．１３； （４）折射率ｎ。相对于厚度的变化呈突变型； （５）能够得到传输损耗在１ ｄＢ／ｃｍ以下的波 导； （６）产生光损伤的入射阈值比Ｔｉ扩散波导的 光损伤阈值大１个数量级； （７）质子交换使得寻常光线的折射率减少 △ｎＯ≈－０．０４ 由于质子交换可以得到大幅度的表面折射率 变化Ａｎ ，因此可以用于制作折射率高的光栅和曲 率半径小的弯曲波导 表面折射率变化Ａｎ 幅度大 的负面影响是，如果用它制作单模波导，由于Ａｎ 过大，波导的宽度又必须限制在０．５ ｍ以下。不 过，如果在苯甲酸溶液中仅仅加入几ｍｏｌ的苯甲酸 锂就可以减小Ａｎ ，波导的单模化就变得容易了。 如果在质子交换前先进行了Ｔｉ扩散，那么即使是 切的ＬｉＮｂ０３，也可以进行质子交换 在对流扩散交换中，促使质子扩散流动来自其 化学势的变化率，而化学势中起主要作用的因素是 质子浓度的变化率和电场的变化 质子交换过程并 不是一种简单的自扩散，还应包括浓度梯度和质子 迁移过程中建立的内电场作用两个效应。质子流 可以表示为Ｌ４－ 一ＤＨ ｆ等一（ ）ＥＣｕ ｌ （１） 一ＤＬＩＪ 一（ ＥＣＬｔ Ｊ （２） 式中，ＤＨ和ＤＬｉ分别是Ｈ＋、Ｌｉ＋离子在铌酸锂 中的扩散系数，ＣｆＨ、 ｉ分别为Ｈ＋、Ｌｉ＋离子 的浓度， Ｅ为离子流平衡时建立起来的内电场强 ｐ『＿而Ｑ］ （３） 式中ＤＨ为质子交换的扩散常数， Ｑ为交换过 程的激活能， Ｒ为普适气体常数 目前普遍采用 ｄ＝２、 来计算交换光波导的厚度，其中 Ｄ（ ） ｏｅｘｐ｛一番Ｉ （４） 但未考虑到交换浓度的改变，于是进行修正 ｄ ＝２ （５） 式中， 为交换浓度，由公式可以看出质子交换 的程度依赖于交换的时间、温度和交换的浓度。在 实际工艺中也就从这三个方面进行考虑 低于２４５ ℃的交换可在常温常压下进行，高于２４５℃的交换 只能在密封的管道中在高压下进行。为改变Ｌｉ＋离 子的浓度，其方法有在交换源中掺入杂质和不掺杂 质两种，通常掺入的是苯甲酸锂。此方法减慢了交 换速度，延长了交换时间，从而提高了波导制作的 一致性，同时也抑制了纯苯甲酸易造成的对晶面的 腐蚀。 在质子交换刚刚结束后，Ｈ＋还没有在晶体内 充分扩散，这个时候的传输损耗通常都很大，且质 子交换后的光波导具有折射率分布不稳定、电光性 能退化及线形系数降低等缺点［引。因此，为了得到 损耗低而又稳定的波导，必须在质子交换后，对晶 体进行高温退火。 ３ 退火工艺 退火是改善质子交换波导光学性能的一个重 要途径 】，退火后波导折射率分布有明显的变 化。在单一成分的质子源情形，质子交换波导大都 需要退火工艺来改善波导的光学特性。 退火是将已交换好的波导片放入退火炉中，封 闭炉口，打开电源，使炉温由室温开始上升。达到设 定的退火温度后开始退火，并经过设定的时间后， 关闭电源，使炉温渐渐降到室温，再拿出晶片。退 火时间以累积时间计算，温度变化尽量控制在２℃ 的范围内。实验表明退火可以改善波导稳定性、损 耗特性及电光和非线性等光学性能。 ３．１ 切铌酸锂波导退火的理论模型 选用误差函数可以表征退火质子交换波导的 折射率分布 下面是非常光折射率 随深度 变 化的函数关系【 Ｊ 维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电子技术与信息 Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ２００６ Ｍａｒ；１９（２１ １９ 警） ｄｏ．－围内尽可能保持较快的升温速度，退火温度尽可 能保持恒定，这都有利于退火后波导特性的可重复 ｘ＋ｅｒ ） ］㈦ 性。 其中，ｎ 是铌酸锂晶体的非常光折射率，Ａｎ 是 退火后铌酸锂表面的折射率变化量，也是质子交 换后形成的波导深度，ｄａ是在质子交换基础上退 由于退火的原因，波导深度的变化为Ａｄ＝ ｄａ，我们称Ａｄ为退火深度。分别在３７０℃和３２０ ℃的两个温度下进行退火实验，退火时间与光波导 深度之间的关系如图１所示。根据文献Ｉｓ】，退火深 度Ａｄ与退火时间ｔ的开方根成正比例，即 火后变化的深度，退火后波导的深度为ｄａ＋ｄｅ 取铌酸锂晶体的晶轴方向为ｚ向， 方向的电场分 布为 ： Ｉｍ 丌 ｄＳ 其中Ｕ为电极上所加的电压， 而ｄＷ＝ １ ，ｓ＝ ＋ｉｘ，ｈ为电极间隙半宽。ｚ方向电场引起ｅ光折 射率的改变由下式给出 △ｎ ＝一 （ ）］３ｒ３３Ｅ ｒ３３为铌酸锂的二阶非线性系数，ｒ３３＝３０．９×１０一 。 ｍ／Ｖ。从前面的分析可知，电场和折射率都是深度 的函数，那么折射率的改变也会是深度的函数，将 （７）式和（８）式带入（６）式，同时考虑激光从两片电 檄的对称中 ｕ，￣／ｋ，可得 △ｎ （ ）＝ ｛凡 ＋ ａｎｅ ［ｅｒｆ（ ＋ｅｒｒ（ ）］）。 最后的折射率分布为凡 （ ） ｎｅ（ ）＋△凡 （ ）。 ３．２ ｚ切铌酸锂波导退火的理论模型 和上面的分析类似，ｚ切铌酸锂波导退火后的 折射率变化分布可写为 ２ｅｒｆ（ｄ ｅ／ｄａ） 警） ＋ｅｒ ｄｅ－ ｚ）＇￣ ］各个参数与３．１中相同。 ４ 退火过程对铌酸锂波导的影响 ４．１退火温度对波导深度的影响 退火工艺的关键之处在于升温速度的快慢及 温度的恒定情况。应在ＬｉＮｂＯ３晶体的承受能力范 其中Ｄ（Ｔ）为退火扩散系数。由图１可见，退火温 度越高，质子越往深度方向扩散。注意到曲线并未 经过原点，分析原因有： （１）交换过程中，温度控制不稳定； （２）交换过程中质子源浓度在变化（封闭玻璃 管只是减少了挥发导致的浓度变化）； （３）经预定交换温度之后，晶片上残余的酸溶 Ｅ 寸 液在温度下降过程中仍有交换；４ ２ ０ ０ （４）衬底和酸没有得到充分预热，即交换时， 实际上没有达到指定的温度＿９Ｉ。 ０ ｌ ２ ３ ４ ‘ Ｉ（Ｄ 图１ 不同退火温度下波导退火深度和退火时间的关系 退火温度： ａ：３７０℃，ｂ：３２０℃ Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ａｎｎｅａｌｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｄｅｅｐｎｅｓｓ ａｎｄ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｉｍｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ａ：３７０℃，ｂ：３２０℃ ４．２退火时间对波导深度的影响 把交换温度为２３０℃，交换时间为４ ｈ制成的 波导进行退火实验ｒｌ０］，退火温度为３７０℃，退火 时间分段累积分别为０．５ ｈ、１．５ ｈ、３．５ ｈ、６．５ ｈ，结果如图２所示。由图２看出，在整个退火过 程中，波导表面的折射率比退火前表面的折射率下 降很多，约为０．０２７５；但是波导退火０．５ ｈ后再退 火，波导表面的折射率变化不大，随着质子沿晶体 深度方向的扩散，波导深度渐渐增加 实验表明不 同阶导模的ｍ线靠得越来越密，这说明退火过程 能使波导折射率的分布趋于平缓 退火前波导折射 维普资讯 http://www.cqvip.com ２０ 光 电子技术与信息 Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ２００６ Ｍａｒ；１９（２） 率近似为线性阶跃分布，退火３．５ ｈ后出现明显的 折射率拖尾现象（如图２所示），退火时间越长，折 射率分布越接近高斯型分布。因此退火可分为两个 阶段，第一个阶段的特征是退火后折射率分布仍可 近似为阶跃形式（如６．５ ｔｌ之前），只是多了折射率 的尾巴；第二个阶段是累积退火到一定时间（６．５ ｈ 以后），折射率成为完全渐变分布。而且退火温度 越高，出现渐变特征越早，且渐变特征也越明显。 出现这种情况是由 ｒ退火使Ｈ＋继续向衬底方向扩 散，波导表面的高浓度Ｈ＋区域逐渐消失，折射率 也随之降低，也就是说交换过程将在退火时继续进 行，因而最后使波导的折射率分布达到一个相对稳 定的状态 实验还发现，在退火的第一阶段，波导退火深 度随退火时间呈指数规律增加，即开始退火时，波 图２ 退火光波导折射率分布退火时间： １：０ ｈ， ２：０．５ ｈ，３：１．５ ｈ，４：３．５ ｈ，５：６．５ ｈ Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ａｎｎｅａｌｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ ｓａｍｐｌｅｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ａｔ ２３０℃ ｆｏｒ １：０ ｈ，２：０．５ ｈ，３：１．５ ｈ，４：３．５ ｈ，５：６．５ ｈ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｉｍｅ＆ 图３ 退火的第一阶段退火深度与退火时间的关系 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ａｎｎｅａｌｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｄｅｅｐｎｅｓｓ ａｎｄ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｉｍｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ ｏｆａｎｎｅａｌ 导深度增加快，如图３所示，之后趋于相对稳定；退 火到第二阶段，波导的折射率分布近似为高斯型， 其退火深度和退火时间的关系才如图１中所示。 在（９）式中退火扩散系数Ｄ（Ｔ）仅为退火时间 ｔ的函数，而与质子交换波导的深度ｄ 无关ｆｌｌ１，图 ４显示了不同质子交换波导深度ｄｅ退火２ ｈ后的 折射率分布曲线。 图４ 不同质子交换深度在相同退火时间下的折射率 变化轮廓 Ｆｉｇ．４ Ｉｎｄｅｘ ｃｈａｎｇｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗｉｔｈ ｄｉｉｆｅｒｅｎｔ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｒｏｔｏｎ—ｅｘｃｈａｎｇｅ ｄｅｐｔｈ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｉｍｅ ４．３退火时间和退火温度对波导模式数的影响 导波模数随退火时间的增加会逐渐的增加，且 退火温度越高，由于波导层向衬底方向延伸而导致 的模数增加就越容易㈦，如图５所示。 有资料［１３＿表明， 切铌酸锂波导模数增多 与波导原始深度有一定的关系，同样退火温度下， 波导深度越浅，越容易增加模式，即模式较少的波 图５ 质子交换波导导波模数随退火时间的增加情况 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ—ｅｘｃｈａｎｇｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｍｏｄｅ ｎｕｍｂｅｒｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｉｍｅ 维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电子技术与信息 Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ２００６ Ｍａｒ；１９（２） ２１ 导（波导深度较浅），模式增加越容易，例如原先只 参考文献 有４个模式的波导，退火２ ｈ后变成７个模式； 原先６个模式的波导，退火２ ｈ后只能变成８个模 … Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｒ Ｖ，Ｋａｍｉｎｏｗ Ｉ Ｐ．ＬｉＮｂ０３ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ 式。ｚ切铌酸锂波导模数随退火的增加与波导原 ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ Ｔｉ ｉｎｄｉｆｕｓｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ， 始深度的规律性关系并不明显。另外温度越高，增 １９７４，２５（８）：４５８￣４６０． 【２】 Ｊａｃｋｅｌ Ｊ Ｌ．Ａｎｎｅａｌｅｄ ｐｒｏｔｏｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ 加同样数目的波导模所需的退火时间越短。 ＬｉＮｂ０３『Ｊ１．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１９８３，５０（１）：１５２￣１５５． ４．４退火时间对光波导传输损耗的影响 ［３】 Ｂｅｃｋｅｒ Ｒ Ａ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｇｕｉｄｅｄ—ｗａｖｅ ｉｎｔｅｒ— 退火可以减小传输损耗，同时恢复电光和非线 ｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ＬｉＮｂＯａ ｖｉａ 性系数 主要原因是在此过程中存在 、 晶相 Ｔｉ ｉｎｄｉｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｊ】 的改变和两种共存晶相的改变 。退火使折射率 Ｌｅｔｔ，１９８３，４３（２）：１３１￣１３３． 的改变减小，调整晶格差使之更有序，从而减小了 ［４】Ｋｅｎｃｈｉ Ｉ Ｔ Ｏ，Ｋａｚｕｍｉ Ｋ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅ－ 传输损耗，提高了光学性能 同时退火过程使晶相 ｔｗｅｅｎ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ ｉｎ 从 相变到ＯＬ相，在这个转变过程中，前期是两相 ｐｒｏｔｏｎ—ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ａｎｄ ａｎｎｅａｌｅｄ ＬｉＮｂ０３ ｏｐｔｉｃａｌ 共存的，降低了结晶度，传输损耗增大，进一步退 ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ［Ｊ］．Ｊｐｎ Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９９８，３７（７）： 火两相完全变成ＯＬ相，传输损耗减小。当退火时间 ３９７７￣３９８２． ［５】 Ｃａｏ Ｘ，Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ Ｒ，Ｒａｍａｓｗａｒｍｙ Ｒ Ｖ，ｅｔ 不够时，波导的损耗较大，并且光斑呈多模；当退 ａ／．Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ 火时间过多时，波导的衬底光增多，损耗也随之增 ＬｉＮｂＯ３ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ＬｉＮｂＯａ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ［Ｊ］． 大，光波截止；只有在退火时间适中的情况下，波 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｌｅｆｔ，１９９１，３（１）：２５￣２９． 导的损耗才会最小，并且呈单模传输。 ［６】Ｐａｚ－Ｐｕｊａｌｔ Ｇ Ｒ，Ｔｕｓｃｈｅｌ Ｄ Ｄ，Ｂｒａｕｎｓｔｅｉｎ Ｇ，ｅｔ ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｗａｖｅｇ－ ５ 结 论 ｕｉｄｅｓ［Ｊ］．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９９４，７６（７）：３９８１￣３９８７． 通过上面的分析，可以得到以下结论，退火使表 【７】 廖尉钧，等．退火质子交换平面波导型电光调制器 面折射率降低，同时波导层不断向衬底方向延伸。这 的研究［Ｊ】Ｉ光学学报，２００３，２３：８６５￣８６９． 是由于退火使Ｈ＋继续向衬底方向扩散，波导表面 『８ Ｃｌ８】ａｒｋ Ｃ Ａ，Ｎｕｔｔ Ａ Ｃ，Ｗｏｎｇ Ｋ Ｋ，ｅｔ ａＪ．Ｃｈａｒａｃ— 的高浓度Ｈ＋区域逐渐消失，折射率也随之降低，也 ｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ－－ｅｘｃｈａｎｇｅ ｓｌａｂ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇ—－ 就是说交换过程将在退火时继续进行，因而最后使 ｕｉｄｅｓ ｉｎ Ｘ－ｔｉｌｔ ＬｉＮｂＯａ［Ｊ］． ，Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９８３， 波导的折射率分布达到一个相对稳定的状态。波导 ５４（１１）：６２１８￣６２２０． ［９】 Ｎｉｋｏｌｏｐｏｕｌｏｓ Ｊ，Ｙｉｐ Ｇ Ｌ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ 的结构参数随退火的改变与在退火过程中不断向波 ｐｒｏｔｏｎ—ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ －ｃｕｔ 导深处渗透有关，而波导折射率的变化直接与Ｈ＋ ＬｉＮｂＯａ ｕｓｉｎｇ ｐｙｒｏｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ ａｃｉｄ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ ＳＰＩＥ 的浓度相关。退火初期，由于波导表面具有较高的 Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９８９， Ｈ＋浓度，因此折射率分布受退火的影响较大。低 １１７７：２４—３０． 阶模由于在接近波导表面传输，受到的影响大，使 ［１０】符运良，等． 切ＬｉＮｂＯ３晶体退火质子交换光波 低阶模有效折射率降低较快。折射率分布的变化与 导特性研究［ 海南师范学院学报（自然科学版）， 退火温度有关，退火温度越高，越容易出现渐变特 ２００４．１７：１３３ １３６． 征 在退火过程中，折射率分布不断变化，退火前 【¨】陈险峰，等．ｚ一切割铌酸锂质子交换平板波导的退 接近阶跃分布，随退火的深入，波导模出现渐变特 火过程研究［Ｊ］．中国激光，２０００，Ａ２７：６１１￣６１５。 征，这说明折射率分布随退火的深入由阶跃向渐变 『１２】曹霞，等． ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯａ与ＬｉＮｂＯａ质子交换 变化。开始退火时，波导退火深度随退火时间呈指 光波导光学及结构特征的比较［Ｊ】＿物理学报，２００４， ５３：３７８６ ３７９３． 数规律增加，相对稳定后，退火深度随退火时间的 ｆ１３】夏翔，等，退火质子交换ＬｉＮｂＯａ光波导的工艺 开方根呈正比变化。只有选择适当的退火条件，才 研究［Ｊ］．光学仪器，２００２，２４：２７￣３１． 能实现波导的低损耗和单模传输 『１４１ Ｓａｖａｔｉｎｏｖａ． Ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｒｅｒｅｎｔ —ｐｈａｓｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈｌｙ ｐｒｏｔｏｎａｔｅｄ Ｚ－ｃｕｔ Ｈ：ＬｉＮｂＯａ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｂｙ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ａ，１９９０，６８： ４８３—４８７． 作者简介： 罗 辉 （１９８０），男，电子科技大学光电信息学院在读硕士，从事光波导器件的研究．