论文摘要
局域铒掺杂钛扩散铌酸锂波导器件具有广阔的应用前景，然而在此类器件的实际使用中发现，由于铒离子在铌酸锂晶体中的溶解度较低，致使信号光在传输过程中的增益相对较低，进而限制了器件性能的进一步提高。本文的主要工作是利用气相输运平衡（VTE）方法提高铌酸锂基底中的铒离子浓度，在此基础上，制备局域高掺铒钛扩散铌酸锂光波导，并表征其相关性能。具体研究内容如下：1.为了解决钛扩散铌酸锂条形波导中模式折射率表征困难的问题，本文中首先制备了密集条波导阵列，结合棱镜耦合方法，实现了对条形波导模式折射率表征。另外，还使用该方法成功表征了条形波导嵌于平面波导中的特殊结构，为长周期波导光栅的制备奠定基础。2.研究了影响VTE处理效果的因素，得到以下结论：缺锂VTE处理引起的组份变化与VTE处理温度的关系符合Arrhenius定律，缺锂VTE处理引起的组份变化与VTE处理时间的关系满足平方根方程；在富锂VTE时，初始粉末的配比对处理效果的影响较小，而坩埚内部容积越大或坩埚已使用时间越长，VTE的效果越差；但在缺锂VTE处理过程中，两相坩埚容积、初始粉末的配比和已使用时长对于VTE效果基本没有影响。3.通过表面抛光与组份表征交替进行的方法，总结出Li2O组份在深度方向上的分布服从余误差函数的积分形式。利用Boltzmann-Matano分析获得Li+离子扩散系数与Li2O组份的关系：扩散系数随着Li2O组份的下降而下降。Li+离子的扩散显示出轻微的各向异性，沿光轴方向的速度较快。结合之前报道的近化学计量比区域的结果，获得了47-50mol%组份范围内的Li+离子扩散系数。4.研究了低于同成分点的缺锂LN晶体中铒离子的扩散系数和溶解度。当X切铌酸锂晶体表面的Li2O组份从48.0下降至47.0mol%时，铒离子扩散系数从（3.3±0.2）×10-2增至（5.7±0.3）×10-2μm2/h，增加了接近一倍；铒离子溶解度随晶体Li2O组份的下降而上升，当Li2O组份从48.0降至47.7mol%时，溶解度提高约0.6mol%。进一步研究表明，在X切缺锂铌酸锂基底上制备局域铒掺杂钛波导中，深度方向上的铒离子扩散系数约为（12.8±0.3）×10-2μm2/h，远高于同成分基底中的扩散系数（<7×10-2μm2/h）。5.制备了Z切Y传和X切Z传的高掺铒钛扩散铌酸锂光波导，表面铒浓度分别为1.33×1020cm-3和1.26×1020cm-3，比制备在同成分铌酸锂基底中的钛扩散波导的表面铒浓度分别提高了20%和13%。通过实验和计算，获得了波导的模场尺寸，发射、吸收截面和传输损耗。分别利用980和1480nm泵浦光，观察波导中的1547nm小信号光的增强。Z切波导在980nm耦合泵浦光功率为100mW时，获得了最大的信号增强为：0.9dB/cm（TE），0.7dB/cm（TM）；由于光折变效应的影响，泵浦功率继续提高时，信号增强开始降低。X切波导的抗光折变能力较强，所以使用980nm光泵浦时，即使耦合泵浦功率提高至200mW，波导中信号增强也没有出现明显下降趋势，此时的信号增强为：1.0dB/cm（TE），1.4dB/cm（TM）。1480nm泵浦光引起的光折变效应较小，所以Z切波导和X切波导在1480nm光泵浦时，信号增强都随泵浦功率的提高而提高。当耦合泵浦功率提高至18.5mW时，信号增强分别为：Z切：1.1dB/cm（TE），1.4dB/cm（TM），X切：1.8dB/cm（TE），2.2dB/cm（TM）。最后，对波导在980nm和1480nm光泵浦下的信号光放大性能进行了模拟。其中，Z切波导在980nm和1480nm光泵浦下的TM模式最大增益系数分别为2.4dB/cm和2.5dB/cm，与之前报道的Z切局域铒掺杂钛扩散铌酸锂波导相比分别提高了至少1.0dB/cm和0.7dB/cm。本论文的研究工作中具有如下的创新点：（1）首次全面研究了影响气相输运平衡处理效果的因素（2）首次全面研究了铌酸锂晶体在缺锂状态时锂离子的扩散系数与晶体中氧化锂组份的关系（3）率先制备出局域高掺铒的铌酸锂晶体，以此为基底制备出局域高掺铒钛扩散铌酸锂光波导，其中Z切波导和X切波导表面的铒浓度分别比同成分基底中提高20%和13%。