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抗光折变局域掺杂Ti:Mg:Er:LiNbO_3波导放大器的理论和实验研究

华平壤  
【摘要】:本论文在国内外率先进行了下述工作:1)缺锂MgO: LiNbO3晶片的制备及其表征, 2)具有抗光折变特性的Er/Mg局域掺杂近化学计量比(NS) Ti:Mg:Er:LiNbO3波导放大器的制备,对其抗光折变特性和放大特性的实验研究, 3)另外还对放大器的放大性能进行了动态模拟研究。本研究工作促进了以LiNbO3晶体为基底材料的有源器件向实用化阶段的迈进,开启了Ti:Mg:Er:LiNbO3有源波导器件新的应用,如980 nm光泵浦的绿色上转换或中红外(2.7μm)波导激光器,各种频率变换器件。 本研究工作具体内容包括: 1.采用z切同成分MgO(5 mol%):LiNbO3晶片(厚度0.47 mm)作为初始材料。利用缺锂气相输运平衡(VTE)制备出不同组分的缺锂MgO:LiNbO3晶片。通过称重法确定了Li2O浓度与VTE处理时间的关系,结果表明Li2O浓度随VTE时间增加而下降,并且在VTE时间300h后饱和,此时Li2O浓度下降~3 mol%。测量了所制备样品的光学吸收边和OH-振动谱,总结出它们与Li2O浓度之间的关系。X射线粉末衍射结果表明热处理过程并未导致其它晶相的形成,通过缺锂VTE方法制备的晶体能够应用于集成光学。 2.使用z切同成分LiNbO3晶片(厚度0.5 mm)作为初始材料。利用磁控溅射、光刻-剥离以及热扩散技术在样品表面进行:○1局域Er掺杂○2 Ti/Mg预扩散○3富锂VTE后处理,最终制备出初始Ti条宽度分别为4,5,6,7μm,长度1 cm的NS Ti:Mg:Er:LiNbO3条型波导。对所制备波导进行了全面的表征:1)观察波导模式和测量波导传输损耗,结果表明1.3和1.5μm光都能实现单模传输,但仅能观察到TM模式。1.3μm光在7μm波导中的传输损耗为1.4 dB/cm;2)采用吸收光谱学和折射率测量对样品的Li组分进行了表征。结果表明VTE导致吸收边蓝移,吸收边从319.1±0.3 nm (吸收系数为20 cm-1)减小到318.2±0.3 nm,定性地说明晶体组分趋向化学计量比。通过分析测量折射率的结果可以粗略的计算出晶体的波导层的Li2O浓度为49.8±0.1 mol%;3)通过记录和分析波导在1.5μm处(980nm光泵浦)放大自发辐射谱来表征样品波导区域的晶相。在记录的波导放大自发辐射谱中没有发现ErNbO4特征峰出现,说明VTE后处理没有导致波导区域出现ErNbO4沉淀物。并且,该放大自发辐射谱与普通的Er掺杂LN晶体的典型π-偏振谱一致,进一步说明Er离子是以LiNbO3相形式出现在波导层中;4)通过检验高强度980光泵浦下波导中1531nm小信号光的稳定性来表征抗光折变特性。实验结果表明,与同成分光波导相比,NS Ti:Mg:Er:LiNbO3条型光波导中信号光能够随着耦合泵浦功率的增加而稳定地增强,从而表明该波导具有很好的抗光折变特性;5)放大特性实验结果表明当耦合泵浦功率为216 mW时,信号增强最高达到2.8±0.1 dB/cm,且能保持长时间稳定;6)利用SIMS分析,对波导区域Ti,Er和Mg离子浓度分布进行了表征,获得了详细的Ti,Er和Mg特征扩散参数。 3.最后我们又分别对1480nm和980nm泵浦下的NS Ti:Mg:Er:LiNbO3波导放大器中1531nm小信号光放大特性进行了详细的数值分析。通过数值分析获得了泵浦功率及信号功率的演化。数值分析结果表明,当980nm泵浦光耦合功率达到216 mW时,经过波导后的信号光功率可以获得1.2±0.1 dB/cm增益。如果加上1.4 dB/cm的波导传输损耗,相当于获得信号增强2.6±0.1 dB/cm,与放大特性实验结果接近。 本论文的创新点包括: 1)率先开展用于集成光学缺锂MgO: LiNbO3晶片的制备及其性能表征工作。解决了在高掺Mg晶体表明进行局域Er掺杂时掺杂浓度低,扩散系数小的问题。2)首次采用局域Er掺杂,Ti/Mg预扩散,富锂VTE后处理相结合的技术方法成功制备出NS Ti:Mg:Er:LiNbO3光波导。3)所制备的波导具有良好的抗光折变特性,为发展有源光波导器件开拓了新的途径。


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