[发明专利]一种钽酸锂薄膜波导声光调制器

说明书

本发明涉及声光调制器技术领域，尤其是一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，由压电材料、光波导和压电换能器构成，所述光波导为LT薄膜光波导，所述压电换能器为分离式叉指换能器，LT薄膜光波导设置在压电材料上，分离式叉指换能器设置在LT薄膜光波导上，本发明采用Y42‑LNOT作为初始材料，使用VPPE技术制备了高质量的LT薄膜光波导，并充分利用材料优良的声光特性进一步制作出了高Q值、高调制效率、低损耗的LT薄膜波导声光调制器。

技术领域

本发明涉及声光调制器技术领域，具体领域为一种钽酸锂薄膜波导声光调制器。

背景技术

声光调制器是一种控制激光束强度变化的声光器件，主要由声光介质和压电换能器构成。其基本原理是当驱动源(某种特定载波频率)驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，使介质的折射率产生周期性的变化，光束通过介质时会发生相互作用而改变光的传播方向，即产生衍射。目前，科研人员已利用这种基本原理制作出了多种功能各异的声光器件，如声光调制器、声光偏转器、声光滤光器、声光调Q激光器等，被广泛应用于激光显示记录系统、光信号处理、激光谐振腔、光计算及军事上。

然而，大量已报道的声光调制器仍普遍存在驱动功率(2W)高，调制效率(约66％)低等问题。为解决上述问题，2019年，LuTong Cai等人首次选用LNOI作为初始材料，使用电子束光刻和Ar等离子体刻蚀相结合的技术制作出了MZ型波导声光调制器，开创了使用LNOI制作波导声光调制器的先河。其结构主要包括压电材料(LNOI)、MZ型光波导和压电换能器三部分，利用压电换能器激励出声表面波，通过声表面波和LNOI的声光效应来改变光波导的有效折射率，实现声光调制。由于波导设计在介质的表面，而声表面波的能量也主要集中在介质表面1～2个波长深度区域内，有利于声波和光波的耦合，使其驱动功率降低至0.18W，而通过合理设计波导的方向，充分利用材料的非线性光学特性，使得器件的调制效率达到了88％。然而，利用LNOI制作的MZ型波导声光调制器插入损耗却高达20dB/cm，这个损耗值对于声光滤光器、声光调Q激光器等应用来说太高了。

钽酸锂薄膜(LTOI)常被用来制作滤波器和谐振器，与LNOI相比，LTOI具有更高的Q值、更好的阻带抑制、更低的插入损耗。此外，LTOI还具有优良的声光性能，可以有效的激发声表面波。在LTOI材料上制作波导声光调制器，可以充分利用材料的性能，进一步提高器件的调制效率，降低插入损耗。然而，LTOI上的波导声光调制器却一直未有报道，这主要是因为常用的波导制作方法在LTOI上制作波导存在各种不足：首先，普通质子交换法会使得LTOI波导的非线性系数大大降低，无法获得处于α相的低损耗波导；其次，缓冲质子交换通过减缓交换速度来制作波导，虽然可以保留材料的非线性光学特性，但其制作周期较长，生产效率较低；钛扩散法制作波导则需要较高的实验温度(1100℃)，在如此高温环境下会使得LTOI的衬底与LT薄膜分离，破坏LTOI的结构。YiWen Wang等人使用退火质子交换(APE)的方法，先将样品在200℃下质子交换5分钟，然后在350℃下退火5个小时，制作出了具有较低损耗的α相LNOI波导。LTOI与LNOI结构和制作方法类似，由此可以看出，LTOI的键合可以经受350℃的高温不会被破坏。此外，R.Osellame等人选用LT作为初始材料，用石英细颈瓶将样品与质子源隔开，使用气相质子交换(VPPE)技术，用苯甲酸蒸汽代替液态酸作为质子源进行质子交换，在350℃下处理8h，制作出了具有较低损耗的α相LT波导，其波导损耗低至0.4～0.8dB/cm。结合这两个团队的实验，我们采用LTOI作为初始材料，使用VPPE技术，在350℃下处理8～10h，成功制作出了高质量的LTOI波导，满足声光调制器的应用，并在此基础上进一步开发制作了LTOI波导声光调制器，推进了波导声光调制器的发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钽酸锂薄膜波导声光调制器。