高性能Zn扩散掺镁LN晶体脊形波导器件的研究

陈中舆，程静欣，陈怀熹，冯新凯，张新彬，梁万国

(1.中国科学院福建物质结构研究所，福州 350002；2.中国科学院大学，北京 100049;3.中国福建光电信息科学与技术创新实验室(闽都创新实验室)，福州 350108;4.光电信息控制和安全技术重点实验室，天津 300308)

0 引 言

铌酸锂(LiNbO3, LN)晶体具有优异的电光、非线性光学等特性，从21世纪初开始引起广泛关注，被誉为光子学领域的“硅”。铌酸锂晶体可以制备成波导结构，进而制成高度集成的光电子器件，可极大地增强频率变换效率、调制带宽等，在激光、电光调制、声光调Q等领域得到广泛应用[1-2]。然而，使用退火质子交换和Ti扩散等传统方法制备的铌酸锂波导在高功率(≥100 mW)应用场景下性能有限，过高的功率密度会使铌酸锂受到严重的光折变损伤，从而导致自调制折射率变化，并且在较高的光强下光诱导吸收会增加，导致晶体中的光折变引发内部损伤[3-4]。将铌酸锂晶体换成掺镁铌酸锂晶体作为基质材料，在制备Ti扩散波导的过程中，常会存在内部畴退化、扩散置换不均匀等现象[5-6]；而采用退火质子交换方法则需要严格的工艺参数调节，否则其性能极其不稳定[7]。另外，退火质子交换掺镁铌酸锂波导只支持TM单偏振传输，并且仍然存在抗光折变损伤性能差等问题，在部分应用上同样受到限制[8]。近年来也有研究人员尝试制备LN薄膜波导，获得了相对高效的通光性能，在电光调制、非线性频率变换上已有文献报道[9]，但该方法工艺制备条件要求高，需要昂贵的设备来保证薄膜厚度的均匀性和准确性，波导与光纤的耦合难度也相对较高。

基于上述不足，迫切需要寻找一种同时具备高扩散系数和低活化能的元素。研究人员发现，锌离子和镁离子在铌酸锂中具有相似的物理性质，如相同的电荷状态、相似的离子半径和较高的有效分配系数。因此推测Mg2+和Zn2+对LiNbO3性质的影响是相似的，Zn元素是比较合适的掺杂选择[10]。Zn扩散掺镁LN波导可以支持TE模和TM模，波导可以在相对较低的温度(500～900 ℃)下获得，使扩散过程中周期极化结构和相关电光结构得以完全保留；同时工艺制备条件相对简单，兼具高抗光折变损伤等优良性能，可在一些高功率的铌酸锂电光调制器、激光频率变换中得到充分应用[11-12]。

目前，采用Zn扩散法制备掺镁LN波导是很有发展潜力的方案，但该法存在两个主要的发展难点。第一个难点是需要通过理论设计和工艺参数调试来建立完整的制备工艺体系，包括Zn膜的厚度、热扩散温度和时间等；第二个难点是仔细控制扩散条件来抑制化合物在扩散表面的形成。国外已有报道采用Zn扩散法在900 ℃成功制作LN波导，传输损耗低至0.8 dB/cm[13]，但该扩散温度较高，容易导致极化畴的退化，限制了其频率变换的应用。本文降低扩散温度至850 ℃左右，在掺镁LN晶体中制备高性能脊型波导器件，通过理论设计和工艺参数调试建立起完整的制备体系，最终搭建简易的测试平台进行反馈优化。

1 理论模型

首先建立Zn元素在掺镁铌酸锂晶体中的扩散理论模型。Zn元素扩散后引起铌酸锂晶体的折射率发生变化，以Fouchet等建立的折射率模型为基础[14]，设定扩散后的折射率分布近似为高斯分布，最大折射率差值为Δn，可以得到：

(1)

式中：x为特定某处的扩散深度；h为折射率变化的深度；Δns为晶体表面的折射率变化值，包括o光和e光，该值和浓度有如下关系：

Δn=A(C[x])α

(2)

式中：A和α为待定参数。当扩散时间t远远大于完全扩散时间时，晶体内部的离子浓度C[x]。分布近似为高斯分布：

(3)

(4)

式中：C0为晶体表面离子浓度；τ为Zn膜的厚度；hx为扩散的深度。将式(1)、式(3)和式(4)代入式(2)中，可得：

(5)

对式(5)进行一阶级数展开，取其首项可得：

(6)

当波长(λ)范围为600～1 600 nm时，对参数B0和B1采用波长的二阶多项式近似，可得：

(7)

将式(7)代入离子浓度和折射率变化的关系式(2)，可得：

(8)

(9)

由此可得波导的折射率变化分布为：

(10)

由于实际制作的脊形扩散波导在横向上是全部扩散的，因此不考虑横向扩散宽度，扩散模型如图1所示。由上述可得该扩散剖面的折射率分布定义为：

n(x,y)=n0+Δn

(11)

即在折射率的变化分布式(10)的基础上，加上一个晶体折射率n0。由铌酸锂晶体中Zn扩散波导的典型值[15]可知，Δn=3.0×10-3，n0=2.203 8。在FDTD软件上，设置扩散深度h为6 μm，光波长为1 550 nm，可得波导横截面的折射率分布如图1所示，折射率由扩散表面向里变小。

图1 扩散模型(a)及波导横截面的折射率分布(b)Fig.1 Diffusion model (a) and refractive index distribution (b) of waveguide cross section

采用单模光纤进行耦合测试，其模场直径为10 μm，运行仿真可得耦合效率，重复更改扩散深度，整理可得耦合效率折线图(见图2)。由图2可知，在高度h为9～11 μm时，可得到最高耦合效率为90%。

图2 耦合效率与扩散深度的关系Fig.2 Relationship between coupling efficiency and depth of diffusion

由扩散方程和Arrhenius定律可得：

(12)

Rh=R0,hexp(-E/KT)

(13)

式中：D为扩散系数；t为扩散时间；Rh为纵向扩散速率；R0,h为纵向扩散常数；E为活化能；K为玻尔兹曼常数；T为扩散温度。将9～11 μm的扩散深度范围代入式(12)和式(13)，可得扩散时间范围为1～6 h，扩散温度范围为850～1 000 ℃。

2 波导器件制作及实验测试

2.1 波导器件制作过程

在制作Zn扩散掺镁LN脊型光波导的过程中，影响其特性的主要参数有Zn层厚度、扩散温度和扩散时间。因此可以通过调整这些参数来控制波导的特性。通常Zn层厚度为100～150 nm，扩散温度小于1 000 ℃，扩散时间为1～6 h[16]。在这些条件下制得的波导损耗较低，产生的杂质很少。

Zn扩散波导的工艺流程如图3所示。第一步是镀Zn膜，该步骤关键是要保证膜层拥有良好的稳定性、均匀性和粗糙度，镀膜速度过快，Zn膜层粗糙度会偏大。采用磁控溅射镀膜，选用纯度为99.995%的Zn靶材,在清洁好的厚度0.5 mm、直径3英寸(1英寸=25.4 mm)Z-cut掺5%MgO铌酸锂晶圆(江西匀晶光电技术有限公司)上溅射镀膜100 nm左右的Zn金属层，磁控溅射时间约4 min，电流控制在0.5 mA，镀膜速率控制在100 nm/min左右，同时保证整体镀膜均匀性≤5%(3英寸片内厚度误差≤7 nm)。

图3 Zn扩散制备铌酸锂光波导流程图Fig.3 Fabrication process of lithium niobate optical waveguide by Zn diffusion

第二步是在850 ℃的高温湿氧气氛下进行热扩散。该过程首先将镀膜完成的晶片进行充分清洁，避免扩散过程中引入杂质。随后将晶片置于铂金坩埚中，放入湿氧气氛中的高温炉进行扩散。调节升温速度，要求在40 min左右升温到850 ℃，升温速率过慢会导致未到需求温度就发生扩散。温度变化如图4所示。

图4 扩散时间和扩散温度的关系曲线Fig.4 Relationship curve of diffusion time and temperature

第三步是采用金刚石精密砂轮机械切割的方法，在扩散后的LN晶片上制备出脊波导结构。制备的脊形波导宽度约为10 μm，同时需要保证所切波导结构的完整度和平整度。图5是所制备的脊波导端面实物图，脊形波导的宽度为10.24 μm，深度为21.16 μm。

图5 制作完成的脊波导Fig.5 Fabricated ridge waveguide

2.2 实验测试

为了更好地体现Zn扩散波导对光有良好的约束效果，本文做了以下对比实验：在同一片掺镁铌酸锂衬底上，一半用磁控溅射镀上Zn膜，另一半未镀Zn膜，随后采用相同的工艺技术进行退火扩散、切割成脊形并进行端面抛光，如图6所示，晶片呈现出两个明显不同的区域。共切割8条脊形波导，波导尺寸为长4 cm，脊宽10 μm，高20 μm，其中4条为Zn扩散波导，4条为未进行Zn扩散的波导。

图6 镀Zn和未镀Zn的晶片样品Fig.6 Sample of wafer coated with and without Zn

波导制备完成后，搭建简易的测试平台进行测试，如图7所示。使用可调谐激光器作为泵浦光源，中心波长固定在1 550 nm，通过单模光纤输出光束至波导端面，输出端同样接单模光纤至功率计。

图7 实验光路示意图Fig.7 Schematic diagram of experimental optical path

调整光源输入功率为7 mW，记录输出功率(见表1)。由于实际测量值包括耦合损耗和传输损耗，测试产生的耦合损耗约为2 dB，计算可得传输损耗。波导1～4为未镀Zn膜的波导，波导5～8为成功镀Zn膜的波导。

表1 不同样品的输出功率和传输损耗Table 1 Output power and transmission loss of different samples

由表1可知，Zn扩散的波导5～8和未进行Zn扩散的波导1～4相比，输出功率提升了三个数量级，传输损耗明显下降，这说明Zn已成功扩散，使得区域折射率增大发生全反射，波导对光束有良好的限制效果。而波导8传输损耗较波导5～7大，原因可能是切割过程中刀片的磨损过大，或者抛光过程有异物导致波导缺口。

为了确定合适的扩散参数，制作了多组不同条件的Zn扩散掺镁LN脊波导进行对比，多次耦合测试得到表2数据。由A、B、E三组的温度和传输损耗对比以及C、D两组的温度和传输损耗对比，可知在相同的扩散时间下，扩散温度为850 ℃的波导具有更小的传输损耗；A、C两组的时间和损耗对比以及B、D两组的时间和损耗对比可知，在相同的扩散温度下，扩散时间为1 h的波导具有更小的传输损耗。F组作为脊宽的对比条件组，减小了宽度却导致传输损耗明显增大，原因是脊宽变小，脊形结构变得更脆弱，在抛光的过程中波导受损。

表2 多组不同条件参数的波导传输损耗Table 2 Waveguide transmission loss with multiple groups of different parameters

由上述对比可知，Zn扩散法制备的掺镁LN波导在扩散温度为850 ℃、扩散时间为1 h的条件下，波导传输损耗更小，更具优势。

在波导输出端将功率计改接为光斑探头，通过波导的输出光聚集到探头中，记录每条波导处输出光的模场。在可调谐激光器输出端接掺铒光纤放大器(EDFA)，增大输入功率。在激光功率较小时，输出光斑为圆光斑，尺寸半径为6.6 μm。将激光输入功率缓慢增大至0.25 W时，出现明显的功率饱和下降(见图8)，光斑产生畸变(见图9)，此时计算得到光折变损伤阈值为184 kW/cm2，大于普通的掺镁LN波导(约60 kW/cm2)，高于Ti扩散法和质子交换法两到三个数量级[17]。

图8 输入功率和输出功率的关系曲线Fig.8 Relationship curves of input power and output power

图9 畸变后的圆光斑Fig.9 Circular light spot after distortion

测试完成后用电镜对波导端面进行观测，可以发现波导有9.6 μm的扩散层(见图10)，这与仿真的范围(9～11 μm)一致。

图10 Zn在晶片表面的扩散深度Fig.10 Diffusion depth of Zn on wafer surface

3 结 论

本文通过Zn扩散制作的掺镁LN脊形波导最佳工艺条件为扩散温度850 ℃和扩散时间1 h，Zn膜厚度均为100 nm。该条件下制作的LN波导在1 550 nm处得到传输损耗为0.86 dB/cm，光折变损伤阈值为184 kW/cm2。波导对光束有较强的约束能力，拥有良好的抗光折变损伤能力，展示了Zn扩散LN波导在高功率密度器件的应用潜力。

扩散的温度和时间偏离最佳值会导致传输损耗变大，这是条件改变导致模场直径变大，光束发散，波导对光约束效果下降。在确定了Zn扩散LN波导低损耗和高抗光折变损伤的优势后，下一步可在此基础上进行周期极化，进行频率转换测试；也可在该扩散条件附近区间进行尝试，以获得更低的传输损耗。