钪钛扩散掺杂铌酸锂晶体制备及性能表征

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1、钪:钛扩散掺杂铌酸锂晶体制备及性能表征FabricationandPerformanceCharacterizationofSc:Tidiffusion-dopedLiNbO3Crystal学科专业：光学工程研究生：邱丛贤指导教师：张德龙教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一四年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均

2、已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要光折变效应限制了铌酸锂晶体在有源和无源器件中的应用。研究发现仅掺杂2mol%钪离子就可以有效抑制铌酸锂晶体的光折变效应。本文

3、致力于研究钪离子在铌酸锂晶体中的扩散掺杂特性，初步探索研究了钪掺杂钛扩散铌酸锂光波导的制作工艺，并对波导性能进行表征。本文的主要工作：1.通过高温扩散制备了钪掺杂铌酸锂晶体，利用二次离子质谱技术研究钪离子的扩散特性，并用棱镜耦合技术研究钪离子对铌酸锂折射率和组分的影响；2.进一步研究了钪-钛共同扩散时钪离子的扩散特性。3.制备了钪-钛共同扩散铌酸锂平面光波导，利用IWKB算法研究波导层折射率变化分布，利用SIMS技术研究了钛离子浓度分布，计算二者之间的关系；4.初步研究钪掺杂钛扩散铌酸锂条形光波导制作工艺，并进行性能表征。本文的研究结果，1.钪离子对铌酸

4、锂晶体的折射率和组分影响很小；钪离子在铌酸锂晶体中的分布依旧服从高斯分布，利用钪离子浓度分布，并结合理论计算，得到了钪离子的扩散系数。实验数据显示其扩散系数随温度的变化满足Arrhenius定律，在此基础上经过线性拟合得到了钪离子的扩散常数、激发能等工艺参数；2.实验发现钛离子有助于钪离子扩散，并得到钪离子扩散特性与钛膜厚度的关系式。分析这种现象的原因是：钛离子扩散较快，先进入晶体以后导致晶体缺陷增加，导致钪离子的扩散速率变大；3.研究表明：铌酸锂波导层折射率变化分布与钛离子浓度分布同样服从高斯分布，得到了两者之间的关系式，发现钪离子对二者之间关系影响不

5、大。4.本文制备的波导可单模传输1.5μm波长的光波，支持TE和TM模式，传输损耗分别为1.4、1.8dB/cm；最后证明了波导中钪离子浓度超过光折变阈值。本文的研究工作获得了大量关于钪掺杂钛扩散铌酸锂光波导实用的工艺参数，为以铌酸锂为基底的有源光波导器件的研发奠定了坚实的基础。关键词：钪离子铌酸锂晶体抗光折变扩散掺杂方式ABSTRACTThephotorefractiveeffecthindersthedevelopmentofnovelefficientactiveandpassiveintegratedopticsdevices.Thestudyf

6、oundmorethan2mol%scandium-dopedcaneffectivelysupressesthephotorefractiveeffectofLiNbO3.ThisarticleworksonthedopingcharacteristicofSc3+,andfabricationprocessoftitaniumdiffusionlithiumniobate(LN)opticalwaveguidedopedwithscandium.Themainworks,1.Fabricationoflithiumniobatedopedwithsc

7、andium(Sc:LN),andstudyondiffusioncharacteristicofSc3+atdifferenttempreture,thechangeofrefractiveindexandconstituentoflithiumniobateafterdopedwithSc3+.2.FurtherresearchonthediffusionpropertiesofscwhenSc-Tiioncodiffusion3.Fabricationoftitaniumdiffusionlithiumniobateplaneropticalwav

8、eguidedopedwithscandium(Sc:Ti:LN),studyo