退火质子交换法制备光纤陀螺芯片的理论与实验研究

论文摘要

光纤陀螺以其体积小、结构简单、灵敏度高、启动速度快等优点,受到各国科技界和军界的普遍重视。而光纤陀螺集成光学芯片(Y分支波导相位调制器)则是光纤陀螺的关键部件,对其制备工艺进行研究、提高其性能对于国防建设具有重要的现实意义。本课题的主要工作目的是对质子交换和退火过程的机理以及退火质子交换光波导的特性进行研究,重点探索了利用退火质子交换法制备光纤陀螺芯片的工艺方法。本文首先简单分析了Y分支波导在光纤陀螺系统中的重要性,以及典型结构的Y分支波导的设计思想,并对条波导模式传输的分析方法和调制电极的设计进行了详细论述。研究了不同切割方向的铌酸锂晶体,对电光调制效果产生的影响,以及调制电极结构参数对半波电压和调制带宽的影响。详细阐述了退火质子交换过程的机理和铌酸锂晶体电光系数恢复的问题。利用Arrhenius定律推导出退火质子交换波导的深度变化与退火质子交换工艺过程的各项工艺参数的关系。在本文中对传统的钛扩散工艺原理和过程也进行了简要说明,重点讨论了退火质子交换法制备光波导的工艺方法,并将其与钛扩散法进行了比较,论述了采用退火质子交换工艺制备光纤陀螺集成光学芯片的优越性。本文中创造性地提出了显影与腐蚀同步进行的铝膜腐蚀方法。在理论分析的基础上,本文提出了适当的退火质子交换法制备光纤陀螺芯片(Y分支波导)的工艺方法以及改进方案,设计了多种实用的实验工具。进行了大量的制作退火质子交换波导的实验,优化并确定了磁控溅射、匀胶、光刻、曝光、显影、腐蚀、交换和退火等一系列过程的工艺参数,并且最终得出了保证退火质子交换波导单模传输的各项工艺参数。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 干涉型光纤陀螺的工作原理
• 1.2 利用质子交换法制备陀螺芯片的优越性
• 1.2.1 光纤陀螺的系统偏振误差
• 1.2.2 利用质子交换法制备陀螺芯片克服偏振误差
• 1.3 退火质子交换工艺的国内外研究现状
• 1.4 本课题的主要工作、创新与研究意义
• 第二章 Y分支波导相位调制器
• 2.1 “传播常数最接近”原则
• 2.2 直接转向型对称Y分支波导
• 2.3 S型弯曲对称Y分支波导
• 2.3.1 S型弯曲对称Y分支结构分析
• 2.3.2 S型弯曲对称Y分支与直接转向型Y分支结构的比较
• 2.4 波导模式传输分析方法
• 2.4.1 马卡蒂里近似法
• 2.4.2 有效折射率法
• 2.5 调制电极设计
• 2.5.1 电光效应与晶体切向和传播方向的选择
• 2.5.2 调制带宽
• 2.5.3 半波电压
• 2.6 本章小结
• 第三章 退火质子交换过程的机理
• 3.1 质子交换与退火的概念
• 3.1.1 质子交换
• 3.1.2 退火
• 3.2 单纯质子交换波导
• 3.2.1 质子浓度分布
• 3.2.2 质子交换深度
• 3.3 退火质子交换波导
• 3.3.1 质子浓度分布
• 3.3.2 退火深度
• 3波导的各个参数之间的关系'>3.3.3 退火质子交换LiNbO₃波导的各个参数之间的关系
• 3.4 退火质子交换波导的物理机制
• 3.4.1 退火质子交换波导的晶相
• 3.4.2 退火质子交换波导的红外光谱学特征
• 3.4.3 退火质子交换光波导的传输损耗
• 3.5 退火对于恢复铌酸锂晶体电光系数的作用
• 3.6 采用缓冲质子源的质子交换
• 3.7 本章小结
• 第四章铌酸锂波导的制备工艺
• 4.1 铌酸锂晶体的性质
• 4.2 钛扩散法
• 4.2.1 钛扩散法的原理
• 4.2.2 钛扩散条形光波导制备工艺过程
• 4.3 退火质子交换法
• 4.3.1 退火质子交换法制备条形光波导的工艺流程
• 4.3.2 清洗基片
• 4.3.3 镀铝
• 4.3.4 匀胶
• 4.3.5 光刻
• 4.3.6 腐蚀
• 4.3.7 质子交换
• 4.3.8 退火
• 4.4 退火质子交换法与钛扩散法的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章制备光纤陀螺芯片的实验
• 5.1 基片的准备
• 5.2 镀铝
• 5.3 匀胶与曝光
• 5.4 显影与腐蚀
• 5.5 质子交换与退火
• 5.6 端面研磨、抛光
• 5.7 通光测试
• 5.8 本章小结
• 第六章工艺改进与总结
• 6.1 工艺改进方案
• 6.2 本文总结
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢