一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明專利公開了一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法，包括基底、二氧化硅下緩沖層、下層金電極、二氧化硅緩沖層、鈮酸鋰薄膜、鈦擴(kuò)散鈮酸鋰條波導(dǎo)、二氧化硅上緩沖層和上層金電極。本發(fā)明專利生產(chǎn)難度低、成品率高，并且顯著降低了偏振控制器的器形，使多功能光電子器件的集成更容易實(shí)現(xiàn)，能夠使器件獲得更多的非線性效應(yīng)，制造出的偏振控制器機(jī)械性能穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕，具有較大的折射率和介電常數(shù),在加載電壓的同時(shí)，其壓電效應(yīng)較小，響應(yīng)速度可以達(dá)到ns級(jí)。
【專利說明】
一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明專利屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及 其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)步，語言、圖像、數(shù)據(jù)等信息交流量爆炸式地增 長(zhǎng)，通信道路越來越擁擠，對(duì)帶寬的需求越來越高。20世紀(jì)70年代術(shù)期開始，光纖通信的誕 生成為解決這一難題的有效途徑。光纖通信以其超高速、損耗低、頻帶寬、容量大、傳輸質(zhì)量 好、抗電磁干擾、保密性好、節(jié)省大量有色會(huì)屬等優(yōu)點(diǎn)得以滿足信息傳輸?shù)囊螅蔀樾畔?傳輸?shù)闹饕绞街?。到上世紀(jì)末，光的波分復(fù)用(WDM)和密集波分復(fù)用(DWDM)使光纖通信 的應(yīng)用領(lǐng)域越來越大，現(xiàn)階段其主要應(yīng)用領(lǐng)域有：（1)通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)（如橫跨大西 洋、太平洋的海底通信和跨越歐亞大陸的洲際干線系統(tǒng)）、各國(guó)的公共電信網(wǎng)（如我國(guó)的國(guó) 家一級(jí)干線、各省二級(jí)干線以及縣以下的支線）、各種專用通信網(wǎng)（如電力、鐵道、國(guó)防部門 通信、指揮、調(diào)度及監(jiān)控的光纖系統(tǒng)），以及特殊通信網(wǎng)絡(luò)(如石油、化工、煤礦等易燃易爆環(huán) 境下使用的光纖通信系統(tǒng)）；（2)構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、路由 器之問的光纖高速傳輸鏈路；（3)有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)，工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀 行、商場(chǎng)、交通和公安部門的監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；（4)綜合業(yè)務(wù)光纖接入 網(wǎng)，可視電話、數(shù)據(jù)、視頻多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)。
[0003] 總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟(jì)上亦具有巨大的競(jìng) 爭(zhēng)能力，因此在通信領(lǐng)域中將發(fā)揮越來越重要的作用，成為目前世界上快速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng) 域之一。在光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)光信號(hào)在理想化的光纖中傳輸時(shí)，傳輸光的偏振態(tài)(SOP)不 會(huì)發(fā)生變化。而在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，一方面是由于光纖本身的生產(chǎn)工藝或者本身特性的 缺陷；另一方面是由于在實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)通信光纖中由熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力以及纖芯的不規(guī) 則性等因素引起的不規(guī)則雙折射，并且這種光纖中的雙折射效應(yīng)是隨溫度、壓力、應(yīng)力以及 其它因素不斷變化的，這就使得傳輸光的偏振態(tài)不斷的變化，這就大大增加了偏振相關(guān)損 害的不可預(yù)知性。這些偏振相關(guān)損害包括:光纖中的偏振模色散(PMD)、無源光器件中的偏 振相關(guān)損耗（P D L )、電光調(diào)制器中的偏振相關(guān)調(diào)制（P D M )、光放大器中的偏振相關(guān)增益 (TOG)、波分復(fù)用濾波器中的偏振相關(guān)波長(zhǎng)(PDW)、接收機(jī)中的偏振相關(guān)響應(yīng)(PDR)以及傳感 器和相干通信系統(tǒng)中的偏振相關(guān)響應(yīng)度(PDS)等。而克服這些偏振相關(guān)損害的有效途徑之 一就是采用偏振控制器(Polarization Controller，簡(jiǎn)稱PC)進(jìn)行偏振控制及補(bǔ)償。偏振控 制器控制光的偏振態(tài)，可將任意偏振態(tài)的輸入偏振光，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龆酥付ǖ钠駹顟B(tài)，在高 速光纖通信、相干光通信、光纖傳感以及光纖測(cè)量等領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如:在單模光纖與光 波導(dǎo)的耦合中，通過偏振控制使光纖與光波導(dǎo)中的偏振態(tài)匹配以提高耦合效率;在相干光 纖通信系統(tǒng)中，使本振光和信號(hào)光的偏振態(tài)匹配，以提高系統(tǒng)的接收靈敏度;在用于利用偏 振態(tài)的某些單模光纖傳感器以及對(duì)光的偏振態(tài)有一定要求的其它應(yīng)用單模光纖的場(chǎng)合。偏 振控制器已成為克服光傳輸系統(tǒng)中偏振相關(guān)損害和監(jiān)測(cè)偏振特性的關(guān)鍵器件。
[0004] 與之相對(duì)應(yīng)的，鈮酸鋰晶體天然地有著優(yōu)良的電光、聲光和非線性性能，它是至今 人們所發(fā)現(xiàn)的光子學(xué)性能最多，綜合指標(biāo)最好的鐵電體材料。并且，通過進(jìn)行稀土摻雜，鈮 酸鋰晶體還能成為有源激光材料。加上鈮酸鋰晶體材料已經(jīng)有大規(guī)模的市場(chǎng)應(yīng)用，其價(jià)格 也與單晶硅價(jià)格接近。因此鈮酸鋰晶體又被稱為"光學(xué)娃"。尺寸在微米量級(jí)的傳統(tǒng)鈮酸鋰 光波導(dǎo)技術(shù)發(fā)展成熟，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛。在偏振控制器中，可采用具有雙折射性能的波片來改 變光的偏振念。按照對(duì)波片作用方式的不同，偏振控制器可分為機(jī)械式、電控式、以及全光 學(xué)偏振控制器。它們中的電控式偏振控制器使用較為普遍，電控式偏振控制器中的電控晶 體偏振控制器一般通過外加電場(chǎng)的變化來變換偏振念，控制速度較快，不再需要旋轉(zhuǎn)波片， 可用于實(shí)際的光通信系統(tǒng);但它需要復(fù)雜的控制電路和較高的偏壓，而且價(jià)格偏高。電控晶 體偏振控制器中的電光晶體應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：電光系數(shù)及折射率要大、半波電壓要小、在所 使用的范圍早材料對(duì)光的吸收和散射要盡可能低、材料的光學(xué)均勻性要好、折射率隨環(huán)境 溫度的變化要盡量小、對(duì)強(qiáng)的入射光應(yīng)不受損傷、材料有良好的物理及化學(xué)穩(wěn)定性、電阻率 要大、介電損耗角要小和容易生長(zhǎng)及制備等?，F(xiàn)階段滿足這些條件的電光晶體并不是很多
[0005] 例如，光通信領(lǐng)域使用的高速調(diào)制器絕大部分都是鈮酸鋰調(diào)制器。更重要的是周 期極化鈮酸鋰(PPLN)光波導(dǎo)，因其可利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)(QPM)，可進(jìn)一步開發(fā)出全光波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換器、中紅外激光器、量子糾纏源以及可調(diào)諧太赫茲波源等，因而受到諸多研究人員青 睞。LNOI光波導(dǎo)的芯層和包層折射率梯度大，橫截面小，彎曲損耗低，同時(shí)繼承了鈮酸鋰優(yōu) 良的光子學(xué)性能，甚至還能以單晶硅為基底，因此，LNOI是用于開發(fā)大規(guī)模集成光電子器件 的理想平臺(tái)。截止目前，科研人員已經(jīng)在LNOI材料上分別實(shí)現(xiàn)了Y分束器、電光調(diào)制器、微環(huán) 共振器以及二次諧波發(fā)生器等。用于制作LNOI納米線、微環(huán)等結(jié)構(gòu)加工工藝也日趨成熟和 占 羊 TG 口 〇
[0006] 但是目前已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品進(jìn)行偏振控制的關(guān)鍵元器件都是非線性體材料。伴隨 著各種激光器小型化、光纖化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，采用能夠與光纖更好耦合的鈮酸鋰薄膜 作為進(jìn)行偏振控制的關(guān)鍵器件顯現(xiàn)出越來越突出的優(yōu)越性:可以實(shí)現(xiàn)全固態(tài)封裝，擁有極 高的響應(yīng)速度，以及更好的穩(wěn)定性和較低的成本等等，是未來LNOI平臺(tái)上的大規(guī)模集成光 電子芯片中的不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。然而，基于鈮酸鋰薄膜的偏振控制器的制作工藝和功 能器件卻鮮有記載，現(xiàn)有的工藝方案還不能滿足實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。
[0007] 發(fā)明專利內(nèi)容
[0008] 針對(duì)以上現(xiàn)有存在的問題，本發(fā)明專利提供一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及 其制備方法，很大程度上降低了生產(chǎn)難度，提高了成品率，并且顯著降低了偏振控制器的器 形，使多功能光電子器件的集成更容易實(shí)現(xiàn)，能夠使器件獲得更多的非線性效應(yīng)，制造出的 偏振控制器機(jī)械性能穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕，具有較大的折射率和介電常數(shù)，在加載電壓的 同時(shí)，其壓電效應(yīng)較小，響應(yīng)速度可以達(dá)到ns級(jí)。
[0009]本發(fā)明專利的技術(shù)方案在于：
[0010]本發(fā)明專利提供一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法，包括基底、二 氧化硅下緩沖層、下層金電極、二氧化硅中緩沖層、鈮酸鋰薄膜、鈦擴(kuò)散鈮酸鋰條波導(dǎo)、二氧 化硅上緩沖層和上層金電極，所述基底與所述下層金電極之間安裝有所述二氧化硅下緩沖 層，所述二氧化硅中緩沖層安裝在所述下層金電極與所述鈮酸鋰薄膜之間，所述鈦擴(kuò)散鈮 酸鋰條波導(dǎo)安裝在所述二氧化硅中緩沖層上表面中央且其由所述鈮酸鋰薄膜覆蓋，所述二 氧化硅上緩沖層安裝在所述鈮酸鋰薄膜上，所述上層金電極安裝在所述二氧化硅上緩沖層 上。
[0011] 進(jìn)一步地，所述基底可采用硅或者鈮酸鋰制成。
[0012] 本發(fā)明專利由于采用了上述技術(shù)，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比具體的積極有益效果為：
[0013] 1、本發(fā)明專利很大程度上降低了生產(chǎn)難度，提高了成品率。
[0014] 2、本發(fā)明專利器形較小，使多功能光電子器件的集成更容易實(shí)現(xiàn)，能夠使器件獲 得更多的非線性效應(yīng)。
[0015] 3、本發(fā)明專利的機(jī)械性能穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕，具有較大的折射率和介電常數(shù)， 在加載電壓的同時(shí)，其壓電效應(yīng)較小，響應(yīng)速度可以達(dá)到ns級(jí)。
[0016] 4、本發(fā)明專利簡(jiǎn)便易行，安全可靠，具有良好的市場(chǎng)前景。
[0017] 5、本發(fā)明專利的產(chǎn)品性能好，使用壽命長(zhǎng)。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明專利的橫截面示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明專利的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖中：1-硅或鈮酸鋰基底，2-二氧化硅緩沖層，3-下層金電極，4-二氧化硅緩沖層， 5-鈮酸鋰薄膜，6-鈦擴(kuò)散鈮酸鋰條波導(dǎo)，7-二氧化硅緩沖層，8-上層金電極。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專利作進(jìn)一步說明，本發(fā)明專利的實(shí)施方式包括 但不限于下列實(shí)施例。
[0022] 實(shí)施例:為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明專利采用的技術(shù)方案如下：
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明專利提供一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法，包 括基底1、二氧化硅下緩沖層2、下層金電極3、二氧化硅中緩沖層4、鈮酸鋰薄膜5、鈦擴(kuò)散鈮 酸鋰條波導(dǎo)6、二氧化硅上緩沖層7和上層金電極8,基底1與下層金電極3之間安裝有二氧化 硅下緩沖層7,二氧化硅中緩沖層4安裝在下層金電極3與鈮酸鋰薄膜5之間，鈦擴(kuò)散鈮酸鋰 條波導(dǎo)6安裝在二氧化硅中緩沖層4上表面中央且其由鈮酸鋰薄膜5覆蓋，二氧化硅上緩沖 層7安裝在鈮酸鋰薄膜5上，上層金電極8安裝在二氧化硅上緩沖層7上。
[0024] 本發(fā)明專利進(jìn)一步設(shè)置為:基底1可采用硅或者鈮酸鋰制成。
[0025] 通過采用上述技術(shù)方案，此電控偏振控制器分成三段，每一段都有對(duì)應(yīng)的電極進(jìn) 行電光效應(yīng)控制，通過感應(yīng)場(chǎng)產(chǎn)生的TE模與TM模的轉(zhuǎn)換使線性雙折射的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)場(chǎng) 產(chǎn)生的TE.TM模問相移使各段有固定位相延遲量這樣就產(chǎn)生類似于三個(gè)可轉(zhuǎn)波片： 第一段和第三段起到無端可轉(zhuǎn)L/4波片的作用，而第二段相當(dāng)于一個(gè)無端可轉(zhuǎn)L/2波片。對(duì) 于每一段，其波導(dǎo)都置有一個(gè)公共接地電極，而波導(dǎo)的兩側(cè)裝有外電極。T E模與T M模的轉(zhuǎn) 換，是通過這對(duì)外電極上的改變偏壓Vc所產(chǎn)生的。而TE-TM模間的相移量，是通過這對(duì)外電 極上所加的反向偏壓.V s/2和+Vs/2所決定的。第一段的具體驅(qū)動(dòng)電壓由下式給出：
[0026] Vd= (Vo/2)sina
[0027] Vsi = VT+(Vu/2)sina
[0028] 其中：
[0029] Vl=Vd+Vsi
[0030] Vl7 =Vd-Vsi
[0031] 這樣，第一段起到一個(gè)可轉(zhuǎn)L/4波片的作用，其主軸方位角為α/2。
[0032] 第二段上的偏壓方式如下：
[0033] Vc2 = Vosin γ
[0034] VS2 = VT+Vnsin γ
[0035] 其中：
[0036] V2 = Vc2+Vs2
[0037] V27 =Vc2-Vs2
[0038] 第二段起到一個(gè)可轉(zhuǎn)L/2波片的作用，其雙折射主軸方位角為γ/2。
[0039] 第三段上所加的偏壓方式為：
[0040] Vc3= (Vo/2)sin(a+e)
[0041] Vs3 = VT+(V2)sin(a+e)
[0042] 其中：
[0043] V3 = Vc3+Vs3
[0044] V37 =Vc3-Vs3
[0045] 它起到一個(gè)可轉(zhuǎn)L/4波片的作用，其方位角由（α+ε)/2決定。由上述公式可知，V0是 產(chǎn)生TE. TM模完全轉(zhuǎn)換所需的偏壓，而Vπ是TE. TM模間產(chǎn)生的π相移所需的偏壓。附加偏壓Vt 用于補(bǔ)償波導(dǎo)中殘余的雙折射。這樣通過改變偏壓上的α、γ和ε，就可實(shí)現(xiàn)波片的可轉(zhuǎn)性。
[0046] 以上對(duì)本發(fā)明專利的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明專利的 較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明專利的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明專利申請(qǐng)范圍所作 的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明專利的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法，其特征在于:包括基底、二氧化硅 下緩沖層、下層金電極、二氧化硅中緩沖層、鈮酸鋰薄膜、鈦擴(kuò)散鈮酸鋰條波導(dǎo)、二氧化硅上 緩沖層和上層金電極，所述基底與所述下層金電極之間安裝有所述二氧化硅下緩沖層，所 述二氧化硅中緩沖層安裝在所述下層金電極與所述鈮酸鋰薄膜之間，所述鈦擴(kuò)散鈮酸鋰條 波導(dǎo)安裝在所述二氧化硅中緩沖層上表面中央且其由所述鈮酸鋰薄膜覆蓋，所述二氧化硅 上緩沖層安裝在所述鈮酸鋰薄膜上，所述上層金電極安裝在所述二氧化硅上緩沖層上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有室溫鐵磁性的鈮酸鋰薄膜及其制備方法，其特征在 于:所述基底可采用硅或者鈮酸鋰制成。
【文檔編號(hào)】G02F1/03GK105938262SQ201610517999
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】華平壤, 陳朝夕
【申請(qǐng)人】派尼爾科技（天津）有限公司