（光学工程专业论文）锂钛同时内扩散制备近化学计量比Ti：LiNbOlt3gt光波导的动态模拟.pdf

中文摘要 本论文在国内外首次对在同成分l l n b 0 3 基底上同时进行气相输运平衡 ( v a p o rt r a n s p o r te q u i l i b r a t i o n ，v t e ) 处理和n 扩散以制备近化学计量比光波导的 物理过程进行了动态模拟研究。 本文先对v t e 过程进行了动态模拟。根据f i c k 定律建立了描述l i 扩散的 模型，采用隐式有限差分方法对扩散方程和边界条件进行处理，得到差分方程。 为求解差分方程，我们首先确定了不同切向l i n b 0 3 晶体中l i 的扩散系数与晶体 内l i 2 0 浓度之间的关系，其过程如下：( 1 ) 对l i z o 浓度的实验数据进行拟合；( 2 ) 用b o l t z m a n - m a t a n o 方法处理拟合得到的l i z o 浓度数据。之后模拟了对不同厚 度和不同切向( z 切和x 切) l i n b 0 3 晶体进行v t e 处理的动态过程，给出了各晶 体中 l i n b 随时间变化的曲线。为了检验数值方法的可靠性，我们将v t e 条 件为1 1 0 0 2 4 h 的数值结果与已报导的实验数据进行了比较，结果发现理论与 实验符合较好。由于扩散型光波导波导层厚度一般小于2 0 1 u n ，我们着重分析讨 论了深度小于2 0 1 u m 内的平均 l i n b 值随时间变化的结果，阐明了不同晶体厚 度对同一深度上的l h o 浓度的影响。此外，分析了数值模拟过程中的误差来源。 在上述工作的基础上，我们进一步对单一的t i 扩散过程和l i t i 扩散同时进 行的过程进行了动态模拟研究。对前者动态模拟的数值计算结果与已有砸扩散 理论相符合，从而验证了数值方法的可靠性。在对后者进行动态模拟时，我们首 先对s i m s 实验数据进行了处理，得到了沿z 切l i n b 0 3 晶体深度方向和平行于 表面方向的t i 浓度曲线。结果表明t i 浓度轮廓在深度方向上遵循余误差函数， 在平行于表面方向上则可用和误差函数来拟合。根据实验结果，对l i t i 扩散同 时进行过程中面的扩散机制及l i 扩散效应进行了定性的分析和讨论。然后根据 f i c k 理论，建立了l i t i 扩散同时进行的扩散模型，并使用显式有限差分方法 建立了相关的差分方程。我们先根据已报导的1 0 5 0 下的实验关系，对1 1 0 0 下面扩散系数与z 切l i n b 0 3 晶体中l i 2 0 浓度之间的关系进行假设，并将其代 入差分方程进行计算，将所得的结果与实验结果进行比较，与实验结果最接近的 计算结果所对应的关系被确定为最终的t i 扩散系数与l i 2 0 浓度之间的关系。最 后据此关系，对z 切晶体表面同时进行l i t i 扩散的过程进行了数值模拟。在数 值模拟过程中，所考虑的扩散时间从几个小时到1 3 0 小时。应用类似的方法，得 到了在同样条件下x 切l i n b 0 3 基底上l i t i 同时扩散的数值结果，对所得的数 值结果进行了分析和讨论。另外，对数值模拟过程中的误差来源也进行了说明。 关键词：l i n b 0 3 晶体气相输运平衡髓扩散近化学计量比光波导动态模拟有 限差分方法 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sad e t a i l e dd y n a m i cs i m u l a t i o ns t u d yf i r s t l yt ot h eb e s t o f0 1 1 1 k n o w l e d g e , o nt h ep h y s i c a lp r o c e s so fs i m u l t a n e o u sw o r ko fv a p o rt r a n s p o r t e q u i l i b r a t i o n ( v t e ) a n dt ii n d i f f u s i o no ns u r f a c eo f ac o n g r u e n tl i n b 0 3s u b s t r a t e ，t o f a b r i c a t ean e a r - s t o i e h i o m e t r i et i ：l i n b 0 3s t r i pw a v e g u i d e 。 i nt h ef i r s tp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n , as i n g l ev t ep r o c e d u r ew i t h o u tc o d i f f u s i o n o ft i - m e t a lw a sd y n a m i c a l l ys i m u l a t e d a tf i r s t , t h el id i f f u s i o nm o d e lw a sp r o p o s e d o i lt h eb a s i so ff i e k sl a w , t h e nt h ee s t a b l i s h e dd i f f u s i o ne q u a t i o na n db o u n d a r y c o n d i t i o nw e r ed i s c r e t e db yu s i n gt h ei m p l i c i tf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dr e l a t i v e d i f f e r e n c ee q u a t i o n sw e r eg i v e mt os o l v et h ed i f f e r e n c ee q u a t i o n s ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl id i f f u s i v i t yi nl i n b 0 3c r y s t a l sw i t hd i f f e r e n tc u t sa n dl i 2 0c o n c e n t r a t i o n i n s i d et h ec r y s t a lw a sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ef o l l o w i n gt w os t e p s ：( 1 ) f i t t i n gt h e p r e v i o u s l yr e p o r t e de x p e r i m e n t a ld a t ao f l i 2 0c o n c e n t r a t i o n ；( 2 ) p r o c e s s i n gt h ef i n e d d a t ao fl i 2 0c o n c e n t r a t i o nw i t hb o l t z m a n - m a t a n om e t h o d ，a f t e r w a r d s ，as e r i e so f v 髓p r o c e d u r e so nl i b b o ac r y s t a l st h a tp o s s e s sd i f f e r e n tt h i c k n e s s e sa n dc u t sw e r e d y n a m i c a l l ys i m u l a t e d d e p e n d e n c e so f 【l i n b r a t i o si n s i d et h ec r y s t a l so nt h e v t ed u r a t i o nw e r ep r e s e n t e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t ov a r i f yt h er e l i a b i l i t yo f t h en u m e r i c a lm e t h o da d o p t e d , t h en u m e r i c a lr e s u l tu n d e rt h ev t ec o n d i t i o no f 1 1 0 0 ，2 4 hw a sc o m p a r e d 谢t ht h er e p o r t e de x p e r i m e n t a ld a t a a sar e s u l to u r n u m e r i c a lr e s u l ti si nw e l la g r e e m e n t 晰mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t y p i c a l l y , t h e t h i c k n e s so fad i f f u s e d - t y p eo p t i c a lw a v e g u i d ei sl e s st h a n2 0 p r o s ot h ea v e r a g e d l i l n b r a t i o sw e r ec o l l e t e d , d i s c u s s e da n da n a l y z e de s p e c i a l l y t h ee f f e c to f c r y s t a l t h i c k n e s so nl i 2 0c o n c e n t r a t i o ni n s i d et h ec r y s t a lw a sc l a r i f i e d i na d d i t i o n , t h ee l r o r s o u r c e si nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ea n a l y z e d o nt h eb a s i so fa b o v ew o r k , f b n i l e rd y l l a n n i cs i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u to n s i n g l et id i f f u s i o np r o c e d u r ea sw e l la so nt h ep r o c e d u r e so f s i m u l t a n e o u sw o r ko f l i a n dt i - i n d i f f u s i o n t h en u m e r i c a l l ys i m u l a t e dr e s u l t sa b o u tt h es i n g l et i i n d i f f u s i o n w e r ec o n s i s t e n t 谢t ht h er e s u l t sa l r e a d l yr e p o r t e di nt h ee a r l i e rl i t e r a t u r e s s h o w i n gt l l e v a l i d i t yo fo u rn u m e r i c a la p p r o a c h t os i m u l a t et h el i - t ic o d i f f u s i o np r o c e d u r e ，w e p r o c e s s e dt h es e c o n d a r yi o nn a a s $ s p e c m m l ( s r m s ) e x p e r i m e n t a ld a t aa tf i r s t , f r o m w h i c ht h et ic o n c e n t r a t i o nc u r v e sa l o n gd e p t ha n dl a t e r a ld i r e c t i o n so ft h ez c u t l i n b 0 3c r y s t a lw e r eo b t a i n e d t h ed a t ap r o c e s s i n gr e s u l t ss h o wt h a tt ic o n c e n t r a t i o n p r o f i l ea l o n gt h ed e p t hd i r e c t i o nf o l l o w sc o m p l e m e n t a r ye r r o rf u n c t i o n ，w h i l ea l o n g l a t e r a ld i r e c t i o ni tc a nb ef i t t e db yas u mo ft w oe r r o rf u n c i o n s q u a l i t a t i v ea n a l y s i s a n dd i s c u s s i o no nt h em e c h a n i s mo f t id i f f u s i o na n dt h ee f f e c to f l ie o d i f f u s i o nw e r e c a r r i e do u to nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e n , o nt h eb a s i so ff i e k sd i f f u s i o n t h e o r y , am o d e ld e s c r i b i n gt h es i m u l t a n e o u sd i f f u s i o no fl ia n dt iw a se s t a b l i s h e d , a n da l le x p l i c i tf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dw a se m p l o y e dt os o l v et h em o d e l an u m b e r o fr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt id i f f u s i v i t ya t1 1 0 0 a n dl i 2 0c o n c e n t r a t i o ni n s i d et h e z - c u tl i n b 0 3c r y s t a lw g l ea s s u m e di n i t i a l l y , o nt h eb a s i so f t h er e p o r t e de x p e r i m e n t a l r e l a t i o n s h i p a t1 0 5 0 c t h e nt h e d i f f e r e n c ee q u a t i o nw a ss o l v e db y1 1 s i i l ge a c h r e l a t i o n s h i pa s s u m e d a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i 出e x p e r i m e n t a ld a t a 1 1 1 e r e l a t i o n s h i pc o r r e s p o n d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l tw h i c hi sc l o s e s tt ot h ee x p e r i m e n t a l d a t aw a sc h o s e na n du s e di no l l rp r a c t i c a ls i m u l a t i o n s f i n a l l y ，t h ep r o c e d u r eo fl i - a n dt i i n d i f f u s i o ns i m u l t a n e o u so nt h ez - c u tl l n b 0 3c r y s t a lw a sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e db yu s i n gt h er e l a t i o n s h i p t h ep r o c e d u r ed u r a t i o nw a sc o n s i d e r e df r o m s e v e r a lh o u r st o1 3 0h o u r si no i l l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nas i m i l a rw a y , t h el i - t i e o d i f f u s i o np r o c e d u r eo nt h ex - c u tl i n b 0 3c r y s t a lu n d e rt h es a i n ec o n d i t i o n sw a s n u m e r i c a ls i m u l a t e d ，a n a l y s i sm a dd i s c u s s i o nh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h en u m e r i c a l r e s u l t s t h ee r r o rs o u r c e si nt h en u m e r i c a ls i m u l a f i o n sw e r ea l s oc l a r i f i e d k e yw o r d s ：l i n b 0 3e r y s l a l ，v a p o rt r a n s p o r te q u i l i b r a t i o n , t id i f f u s i o n , d y n a m i c s i m u l a t i o n , f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，n e a r - s t o i c h o i m e t r i co p t i c a lw a v e g u i d e 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，也不包含为获得苤鲞盘茎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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：声王粒签字日期溯么年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘茔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：屈乡 签字日期：肿4 月e t 导师签名： 旃彬 签字日期：j 绵，月 日 第一章绪论 1 1 引论 第一章绪论 光纤通信与超大规模集成技术同为信息化社会的支柱性产业，两者协调发展 将是2 l 世纪人类文明进步的必要条件。从宏观来看，光纤通信主要包括光纤光 缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分。光电子器件包括有源器件和无源 器件，这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集 成光学结构。1 9 6 9 年s e m i l l e r 首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的 基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等 一种或几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面 微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十多年的研究开发，目前已 有一些平面集成光波导器件达到了商用化的程度。 1 2 光波导在集成光学中的应用 光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的 介质中，长距离无辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件，其技 术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定 的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究 热点。光器件具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好及易于与其它器件 集成等优点。目前，集成光学元件己在通信、军事、电力、天文、传感等应用领 域中发挥着重要作用。 据市场调研公司e l e c t r o n i c a s t ( 美) 在2 0 0 2 年末的一项市场分析报告称，2 0 1 0 年前，平面波导光器件的增长率将会达到两位数。2 0 0 1 年市场总额为1 7 3 亿美 元，到2 0 11 年，该市场总额将会超过4 2 亿美元。此外，c 瓜( 美) 及k h k ( 美) 的 市场调研报告均对平面波导光器件的市场前景充满信心。 1 3 光波导研究新进展 1 3 1 光波导的分类 光波导按材料可分为四种基本类型1 】：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化 第一章绪论 硅光波导、i n g a a s p i n p 光波导和聚合物( p o l y m e r ) 光波导。 ( 1 ) 铌酸锂镀钛光波导 l 1 n b 0 3 晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除 了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂镀 钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射 沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散， 可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化 硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为o 2 0 5 d b e m 。调制器和开关 的驱动电压一般为1 0 v 左右；一般的调制器带宽为几个g h z ，采用行波电极的 l f l q b 0 3 光波导调制器，带宽已达5 0 g h z 以上。 ( 2 ) 硅基沉积二氧化硅光波导 硅基沉积二氧化硅光波导是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新技术，主要有氮氧 化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法( f r m ) 。化 学气相淀积法( c v d ，日本n e c 公司开发) 、等离子增强c v d 法( 美国l u c e n t 公 司开发) 、反应离子蚀刻技术r i e 多孔硅氧化法和熔胶一凝胶法( s o l 。g e l ) 。该波导 的损耗很小，约为0 0 2 d b c m 。 ( 3 ) i n g a a s p i n p 光波导 基于磷化铟( i n p ) 的i n g a a s p i m p 光波导的研究也比较成熟，它可与l n p 基的 有源与无源光器件及i n p 基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损 耗较大。 ( 4 ) 聚合物( p o l y m e r ) 光波导 该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、 a w g 等。采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很 低。同时由于有机聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得样品的制备非常简 单。聚合物通过外场极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数。德 国砌公司利用这种波导研制成功的a w g 在2 5 - 6 5 的波长漂移仅为士o 0 5 r i m 。 几乎任何材料都可以作为聚合物的衬底。成本低廉，发展前景看好。 此外，为了得到更好的光波导性能，许多研究机构正在探索在新型材料上的 波导制造方法。目前，有机无机混合纳米材料的平面光波导已研制成功，兼具有 机与无机材料的优点，如性能稳定可靠、加工容易、能依需求调控光学性能等。 由于新材料具有感光特性，在制造工艺上以显影方式直接做出的导光线路，将能 进一步应用以低成本的简单工艺，更可大幅减少器件制造商的设备投入成本。 第一章绪论 1 3 2 产品开发情况 目前，光通信应用最多的平面光波导器件主要包括有；各类光耦合器 ( c o u p l e r 、s p l i t t e r ) 、平面波导阵列光栅( a w g ) 、大端口数矩阵光开关( s w i t c h ) 、 阵列型可变光衰减器f v o a ) 、可调谐光滤波器( o t d 、i n t c d c a v e r 、e d w a 及可调 谐增益均衡器等。 ( 1 ) 光耦合器 硅基s i 0 2 光波导技术制作的1x n 分支光功率分配器( s p l i t t e r ) 是平面波导结构 的一种基本应用，它具有传统光纤耦合器所无法相比的小尺寸与高集成度，而且 带宽大、通道均匀性好。日本n h k 推出的l x n ( n = 4 ，8 ，1 6 ，3 2 ) 系列波导耦合器( 见 图1 - 1 、图1 2 ) 具有均匀性好( 2 2 d b ，n = 3 2 ) ，p d l 指标低( o 3 d b , n = 3 2 、1 6 ) 的特 点，分别可用于1 2 6 0 - 1 3 6 0 和1 4 8 0 1 5 8 0 波段。而n x n ( n - - - 4 、8 、1 6 ) 星型耦合器 的耦合比可实现2 0 - - 8 0 的定制。 图1 - 11 x 3 2s p l i t t e r 器件图1 - 2 耦合器阵列 法国光子集成公司t e e m 在2 0 0 3 初推出的基于平面波导技术的n x n 系列 8 x ( 1 x 2 ) ，1 6 x ( 1 x 2 ) ，4 x ( 1 8 ) 8 x ( 1 x 4 ) ，2 x ( 1 x 1 6 ) 等分路器阵列，尺寸只有 7 0 x 1 3 x 5 6 m m ，是f b t 同类产品尺寸的1 1 0 ，具有非常小的插损和回损指标， 并已经通过t e l c o r d i a g r - 1 2 0 9 和g r - 1 2 2 1 测试。 ( 2 ) 平面波导阵列光栅( a w g ) 图1 - 3 a w g 阵列波导光栅是基于干涉原理形成的 波分复用器件，其基本结构由3 部分组成： 输入输出光波导阵列、自由传播区平板波 导和弯曲波导阵列。弯曲波导之间有固定光 程差。使得不同波长的光信号在输出自由传 播区干涉，并从不同输出波导口输出。目前 平面波导型w d m 器件有各种实现方案，其 中比较典型的称为龙骨型的平面波导a w g 器件最为普遍，如图1 3 所示。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产，但带 内频响尚不够平坦。 a w g 是第一个将平面波导技术应用于商品化的元件。其做法为在硅晶圆上 沉积二氧化硅膜层，再利用光刻( p h o t o l i t h o g r a p h y ) ) & 反应式离子蚀刻法f r i e ) 定义 第一章绪论 出阵列波导及分光元件等，然后在最上层覆以保护层即可完成。a w g 的制作材 料除s i 0 2 s i 外，i n g a a s p l n p 和p o l y m e r s i 也常被采用。i n g a a s p i n p 系的a w g 被看好的原因在于它尺寸小并能与i n p 基有源与无源光子器件及i n p 基微电子回 路集成在同一基片上。 图l - 4 为荷兰微系统技术公司( m i k r os y s t e mt e c h n i k ) 在t i 0 2 a 1 2 0 3 平面波导 上采用“自聚焦传输光栅( s e l f - f o c u s s i n gt r a n s m i s s i o no r a t i n g ) ”制作的垂直锥形 波导a w g ，由于t i 0 2 和a 1 2 0 3 有较高的折射率差，其通道间隔可以作的很窄( 典 型值为o 3 i 埘) 。 图1 - 4 垂直锥形波导a w g a w g 光波导的通道数现在已经由最初的1 6 通道已发展到4 0 0 个通道，最高 记录为n t t 利用两种类型的a w g 的串联连接法( 宽分波带宽的前级+ 窄通道间 隔的后级) 首次实现了1 0 0 0 个通道。目前商用流行的仍以4 0 通道为主流。 ( 3 ) 大端口数矩阵光开关( s w i t c h ) 平面波导型开关主要包含热光开关、电光开关和全内反射型开关。 热光开关是利用硅波导的热感应折射率变化制作的，其m z 腔是由两个3 d b 耦合器和二个波导臂组成的，其中一臂上加有热光相移薄膜加热器。通过受热和 非受热实现开关功能。 电光开关与热光开关的波导结构相似，但采用电折变效应来实现对波导臂的 光程差调制。由于s i 材料为中心反演对称结构，泡克尔效应极弱，电光系数很 小，因此难以利用场致折变效应，只能利用s i 材料中的等离子色散效应，于是 s i 波导层中需要制备p - n 结，以实现高浓度载流子的注入。i n g a a s p n p 材料有 较强的泡克尔效应和较大的电光系数而成为该类开关的研究热点。 全内反射型开关又叫气泡开关，利用了热毛细现象。是在波导的交叉点上垂 直形成窄矩形槽，搪内封入少量折射率匹配油，薄膜金属加热器淀积在槽的端上， 通过加热使槽内的油产生气泡以改变波导交叉点的折射率来实现开关功能。日本 第一章绪论 n t t 己制作了1 67 1 6 的热光开关和3 27 3 2 的全内反射型开关，消光比可达5 0 d b 以上。 ( 4 ) 阵列型可变光衰减器0 a ) 首先将聚合物光元件产品通过严格的t e l c o r d i a 标准的g e m f i r e 公司推出的基 于热光聚合物波导的v o a 系列产品中有8 端口和1 6 端口两种，且8 端口v o a 具有关断功能，两者均尺寸小，功耗低。 ( 5 ) 可调谐光滤波器( o m 该类器件大多利用铌酸锂良好的电光特性，在单片平面波导结构上实现可调 谐滤波功能。上世纪末，美国物理研究所在氟化聚合物平面波导上掩模形成布拉 格光栅，成功地实现了在1 5 5 i _ t m 波段l l n m 的可调谐滤波，串音- 2 0 d b ，插损 3 2 d b 。 ( 6 ) i n t e r l e a v e r 图1 5i n t e r l e a v e r 图i - 5 为荷兰t w e n t e 大学的研究人员在s i o n 波 导上采用非对称马一择 ( m a e h - z e h n d e r ) 干涉仪和环 行共振腔技术实现了 i n t e r l e a v e r 功能，可将5 0 g h z 间隔的波长交错分离，信道 隔离度可达3 0 d b 。 ( 7 ) e d w a e d w a 一般由内嵌制作在e ，：y b 3 + 共掺杂玻璃基片上的光波导组成。光波 导结构能够将泵浦光能量约束在截面积非常小、长度较长的区域内，只需使用数 厘米长高浓度的掺铒增益介质，就可以得到常规掺铒光纤几十倍的单位长度光增 益。法国t e e m 光子公司于1 9 9 8 年末首先发布采用非刻蚀或沉积的离子交换法， 在玻璃薄片而不是在硅片上制作波导，具有非常低的偏振和损耗特性。随后，美 国n o r t h s t a r 光子公司及j d s u 也采用了此技术。丹麦n k t 集成公司推出的c 带 ( 1 5 2 8 1 5 6 2 n m ) 2 0 d b 高增益e d w a ，采用了9 8 0 n m 1 0 0 m w 泵源，可单片集成多 个放大器。随后，t e e m 光子公司和n k t 集成公司同时发布采用p e c v d 制造技 术，基于m u l t i s o u r c ea g r e e m e n t ( m s a ) 发展的4 端1 2 1 全集成e d w a ，每端口可达 1 0 d b m 的输出。美国i n p l a n e 光子公司也推出类似产品。此外n k t 公司还可提 供4 及8 端口可以分别控制的e d w a ，且采用的是非致冷的9 8 0 n m 泵源，其可 靠性测试通过了t e l c o r d i a g r - 1 3 1 2 标准。 ( 8 ) 可调谐增益均衡器 m m 苏黎士实验室在s i o n 波导上制作非对称马择腔，采用加热一个波导 第一章绪论 图1 - 6 可调增益均衡器 1 4 本论文的工作和意义 臂的方法可动态控制e d f a 光放大 器的增益，如图1 - 6 所示。采用7 个这样的结构级联，可实现增益平 坦度小于o 5 d b 。 本论文的工作： 第一，对v t e 过程进行了动态模拟。根据f i e k 定律建立了描述l i 扩散的 模型，运用隐式有限差分方法对模型进行了求解。确定了不同切向l i n b 0 3 晶体 中l i 的扩散系数与晶体内l i 2 0 浓度之间的关系。模拟了对不同厚度和不同切向 ( z 切和x 切) l i n b 0 3 晶体进行v t e 处理的动态过程，给出了各晶体中 l i n b 】 随时间变化的曲线。由于扩散型光波导波导层厚度一般小于2 0 p r o ，我们着重分 析讨论了厚度小于2 0 1 a m 内的平均 l i s b 值随时间变化的结果，阐明了不同晶 体厚度对同一深度上的l i 2 0 浓度的影响。 第二，对单一的n 扩散过程进行了动态模拟。建立了描述t i 扩散的模型， 运用显示有限差分方法对模型进行了求解。 第三，对l i t i 扩散同时进行的过程进行了动态模拟。首先我们对l 弼扩散 同时进行的s i m s 实验数据进行了处理，得到了沿z 切l i n b 0 3 晶体深度方向和 平行于表面方向的n 浓度曲线。根据实验结果，对l 删扩散同时进行过程中 的扩散机制及l i 扩散效应进行了定性的分折和讨论。然后根据f i c k 理论，建 立了l i t i 扩散同时进行的t i 扩散模型，并使用显式有限差分方法对模型进行求 解。确定了1 1 0 0 下t i 扩散系数与z 切l i n b 0 3 晶体中l i 2 0 浓度之间的关系。 根据1 i 扩散系数与相应l i n b 0 3 晶体中“2 0 浓度之间的关系，对z 切和x 切晶 体表面同时进行l i t i 扩散的过程进行了动态模拟。 本论文的意义： t i ：l i n b 0 3 是所有基于l i n b 0 3 的无源和有源光波导器件的关键部分，是集成 光学中的基础组件。与同成分( l i n b z 9 4 嘞t i ：l i n b 0 3 光波导相比，化学计量 比( l i n b = 1 0 0 ) 和近化学计量比t i ：l i n b 0 3 光波导具有一系列颇具吸引力的 优点而倍受青睐。因此获得化学计量比或近化学计量比t i ：l i n b 0 3 材料成为当前 研究的一个热点。本文对采用v t e 和面扩散同时进行制备化学计量比或近化学 计量比n ：l i n b 0 3 这一新颖的方法进行了理论研究，取得了一定的结果，为后续 光波导材料方面的研究奠定了一定的基础。 第二章介质光波导理论基础 第二章光在波导中传播的理论 介质光波导( 简称光波导) 是一种能够将光波限制在其内部或其表面附近，引导 光波沿确定方向传播的几何结构，它包括具有圆形截面的圆波导( 光学纤维，简称 光纤) 以及平板波导、条形波导等具有平面对称性或直角对称性的光波导。 本章将阐述有关光在波导中传播的理论，包括研究介质光波导的传播问题的 一般方法，和研究条形波导的马卡梯里法、有效折射率法等。 2 1 介质光波导 空气n o 薄膜n 衬底n 2 f i ) 1 1 1 金属 n - z n a n n n 2 图2 - 1 几种典型的介质光波导 ( a ) 非对称薄膜波导n l n 2 n 0 ；c o ) 对称薄膜波导n 1 ) n 2 ；( c ) 复合波导n a , n b n 2 ； 产 第二章介质光波导理论基础 ( d ) 金属包层波导n i 1 o ；( e ) 双金属包层波导n 1 1 o ；( 珍羽情种二维限制条形波导 图2 1 画出了集成光学中用到的几种典型导波结构的横截面示意图。在与横 o 包层m 刀 薄膜n 一 树底1 1 2 n ( x ) n i ( a )( b ) 图2 - 2 三层平板均匀波导( a ) 横截面图；( b 濑向折射率分布 截面垂直的纵向上，波导无限延伸；介质的折射率通常是与纵向无关的。如果不 考虑光波导的激励，一般常忽略光源的影响，着重研究光的纵向传播。在这些波 导中，如果光在横向受到充分的约束而没有辐射或泄漏，就可以沿纵向传播，这 种光波称为导波，其基本传播模式称为导波模或导模；反之，如果光在横向上有 辐射，则基本传输模式称为辐射模。下面以三层平板均匀波导为例，采用射线光 学的概念，进行简单的说明。 三层平板均匀波导的结构如图2 - 2 所示，它由包层，薄膜和衬底组成。薄膜， 电 |。 n 7 1 1 2 n 3 j m li 地 、”， x o z a 一 ( c ) 图2 - 3 平板波导模式射线光学模型 ( a ) 包层模( b 湔底模( c ) 导模 衬底和包层的折射率分别为n i , n 2 和n 3 ，且 n l n 2 n 3 ，包层通常为空气，即n 3 = l ，薄膜 和衬底的折射率之差一般为1 0 - 3 _ 1 0 - i ，薄膜厚 度一般为几微米。平板波导沿与图面垂直的y 方向的几何机构和折射率分布都是不变的。 当光在薄膜一衬底界面( 下届面) 和薄膜一包 层界面( 上界面) 不断发生全反射时，光波能够 被限制在薄膜内以锯齿形光路传播，如图2 - 2 所示。这就要求光线在上、下界面的入射角 应分别大于相应界面的全反射l 艋界角。由光 学可知，上界面临界角0 1 3 = a r c s i n ( n 3 n i ) ，下界 面临界角o i 2 = a r c s i n ( n j n l ) ，并由n 2 n 3 知， 0 1 2 0 1 3 。对于满足条件0 0 1 2 的入射角0 来说， 所形成的传光模式就是导波模或导模。 图2 3 分析0 了从零开始增大，波导中会 出现的三种情况：( 1 ) 当0 0 0 1 3 时，由衬底一 侧入射的光折射入薄膜内后，又通过薄膜上 8 第二章介质光波导理论基础 界面折射到包层中；反之，由包层一侧入射的光折射入薄膜后通过薄膜的下界面 折射至衬底中( 见图2 3 ( a ) ) 。在这种情况下，光波能量未限制在薄膜内，而是辐射 在衬底和包层这两个半无限空间中，相应的电磁波模式叫做包层模；( 2 ) 当0 1 3 “2 ) 1 t e 波 如图2 - 5 所示，入射波的e 矢量为e 1 = ( o ，e l y ，o ) ，利用e y 连续的条件，有： 臣，+ 岛，= 易， ( 2 2 1 ) 用h t 表示与e 矢量垂直的磁场强度横