掺杂钽酸锂及相关光波导的制作和表征

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1、掺杂钽酸锂及相关光波导的制作和表征FabricationandCharacterizationofDopedLiTaO3andRelatedOpticalWaveguides学科专业：光学工程研究生：张群指导教师：张德龙教授企业导师：王伟天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五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已在论文中作了明确的

2、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：年月日摘要钽酸锂晶体具有与铌酸锂晶体相类似的电光、声光和非线性光学效应，在多功能材料区域具有极大的应用前景，而且相比铌酸锂具有更高的抗光折变能力和3+3+更高的熔点使其更

3、加有利于掺杂工程。本文主要研究了Er离子和Ga离子在钽3+4+酸锂晶体中的扩散特性，制备了Er、Ti共扩钽酸锂平面波导，探索了钛扩散钽酸锂同成分和近化学计量比条形光波导的制备工艺，并对其光学性质进行了测试。本文的主要工作：3+3+一、研究了Er在钽酸锂晶体中的扩散特性。利用棱镜耦合仪测量了Er3+离子掺杂对基底折射率的影响，结果表明，Er掺杂对钽酸锂晶体折射率影响非-43+常小仅为10量级。通过SIMS分析不同扩散条件下的Er离子的浓度分布，探3+究其扩散过程符合Arrhenius方程，获得了包括Er离子在钽酸锂晶体中的扩散常数、溶解度常数、激活能、溶解热等参数，并假设

4、了一个跟Li2O组分有关的3+一维Fick方程来描述Er离子的平面扩散进程，为后续制备钽酸锂有源光波导3+4+器件提供了坚实的基础。后续还进行了Er、Ti在钽酸锂中的共扩实验，结果3+4+4+表明：相同温度下Er离子的扩散至少比Ti慢两个数量级，并且Ti离子辅助3+Er离子的扩散，提出了与此相关的两个独立的Fick方程，将其推广于一般物质：迁移速度快的离子可以加速迁移速度慢离子的扩散。3+二、实验研究了Ga在钽酸锂晶体中的扩散特性。利用棱镜耦合仪研究了3+-43+Ga离子对基底折射率的影响最大为3×10，比较不同扩散条件下Ga离子的浓度分布，获得了包括扩散常数、溶解度常

5、数、激活能、溶解热等参数。提出了一个3+反应其扩散过程的缺陷化学式，为进一步Ga掺杂钽酸锂光波导器件的研制提供了实验依据。三、利用钛扩散方法制备出同成份钽酸锂条形光波导，在同成分波导基础上进行富锂VTE处理得到近化学计量比的条形光波导。利用棱镜耦合仪表征其折射率，搭建端面耦合系统进行近场模式的采集，分析其组份和光学性能，发现前者组份为48.50mol%后者为49.50mol%,且两者都支持TE和TM模式，在1.5μm波段均为单模传输。通过端面耦合法测量出同成分波导对应的传输损耗分别为6.01dB/cm和6.89dB/cm近化学计量比对应的传输损耗分别为12.10dB/c

6、m和13.01dB/cm。通过SIMS分析波导表面和深度范围的钛浓度分布，结果表明都符合高斯分布，而且沿着光轴的钛的扩散速率比其他方向快好几个数量级。本文的研究工作为后续掺杂钽酸锂的有源光波导器件的开发奠定了坚实的基础。关键词：镓扩散掺杂铒扩散掺杂共同扩散钽酸锂光波导钛扩散AbstractAslithiumniobate,lithiumtantalateremainsthesimilarelectro-optic,acousto-opticandnonlinearopticalproperties.It’sverypromisingtoutilizethelithium

7、tantalateassubstrateinmultifunctionalmaterials’area.Thehigherabilitytowithstandphotorefractionandmorehighermeltingpointrendersitmorecompatiblefordoping3+3+engineering.ThearticleworkswiththepropertiesofErandGadiffusion-dopinginlithiumtantalateandpreparestitaniumdiffusionli