[发明专利]一种质子交换铌酸锂渐变折射率分布的仿真方法

说明书

本发明提出一种与质子交换工艺过程相适应的铌酸锂渐变折射率分布的仿真方法。本发明首先进行质子交换和退火工艺过程控制，构建铌酸锂质子交换模型框架，计算得到退火后波导所支持模式的有效折射率。构建以铌酸锂渐变折射率波导样本的模式有效折射率和计算得到的相应模式有效折射率为基础的评价函数，进行参数搜索匹配，建立符合自身工艺条件的铌酸锂质子交换模型，实现不同工艺条件下铌酸锂渐变折射率分布的准确仿真。本发明不需要额外的工艺步骤，可获得基于自身研究条件下的晶体扩散参数，具有较高的准确性和针对性，克服了现有方案折射率分布重构过程的近似与不足，实现准确仿真质子交换铌酸锂渐变折射率分布及其光学特性的目的。

技术领域

本发明涉及质子交换铌酸锂光波导技术，具体涉及一种与质子交换工艺过程相适应的铌酸锂渐变折射率分布及其光学特性的仿真方法。

背景技术

铌酸锂晶体具有优异的电光特性，是一种广为使用的集成光学材料。尤其铌酸锂材料制作的调制器具有体积小、损耗低、响应速度快等优势，经过多年的发展，技术相对成熟，在光通信、光纤传感、光信息处理领域得到大量的应用。除此之外，铌酸锂相关集成器件在非线性光学、量子光学等领域也获得广泛的应用。

铌酸锂波导一般采用扩散的方法改变材料的折射率，通过扩散过程在波导表面形成高的折射率且折射率随深度方向逐渐减小的渐变折射率波导结构。一般常采用的制作方案有钛扩散和质子交换两种。质子交换的方法将铌酸锂晶片置于质子源如苯甲酸中，将铌酸锂晶体中的锂离子用氢离子置换出来，形成与铌酸锂基底有一定折射率差的平板波导，如图1a所示。此时由于质子交换过程，材料的电光系数下降，同时传输光的损耗增加。质子交换后常采用高温退火的方法，实现铌酸锂晶体电光系数的恢复和光学损耗的降低，并形成渐变折射率的波导结构，如图1b所示。该方案同钛扩散方案相比，增加了非寻常光的折射率，而寻常光的折射率不变或下降，故其只能支持一个偏振模式的光传输，具有很好的偏振选择性。同时该方案加工的铌酸锂波导具有高损伤阈值、大的非线性系数等优势，因此获得广泛应用，尤其在光纤陀螺用相位调制器中。

为了优化铌酸锂波导的损耗或铌酸锂调制器的电极设计等应用，需要对铌酸锂波导的折射率分布精确的建模以描述渐变折射率分布的波导结构。目前为了得到渐变折射率分布的波导结构参数，一般使用较多的方法是采用光学m线法测得渐变折射率波导各模式的有效折射率，通过WKB拟合或者逆向工程实现折射率分布的重构。第一种WKB拟合方案为假定退火后折射率分布采用广义的高斯函数分布、指数函数或者误差函数中的一种来描述，通过WKB方法进行拟合求得表面的折射率以及其他的参数。另一种方案为采用逆WKB方法或分析转移矩阵等方法进行重构波导结构。

以上方案的缺点都存在较多的近似过程且只能通过测试退火后的波导才能得到折射率分布，无法实现退火过程质子浓度扩散的描述，也就无法实现铌酸锂渐变折射率分布及其光学特性的仿真预测。

发明内容

本发明的目的是：提出一种质子交换铌酸锂渐变折射率分布的仿真方法，控制质子交换工艺过程，建立与工艺过程相适应的铌酸锂质子交换模型，实现仿真计算铌酸锂渐变折射率分布及其光学特性的目的。铌酸锂质子交换模型为实验过程带来了理论的指导，同时也是铌酸锂二维渐变折射率波导建模优化的基础。

为实现上述目的，本发明的解决方案为：

一种质子交换铌酸锂渐变折射率分布的仿真方法：首先控制质子交换、高温退火等工艺过程。然后建立铌酸锂质子交换模型框架，计算得到退火后渐变折射率波导所支持模式的有效折射率。测量铌酸锂渐变折射率波导样品的有效折射率，并构建以铌酸锂渐变折射率波导样本测得的模式有效折射率和计算得到的相应模式有效折射率为基础的评价函数，进行参数搜索匹配，建立符合自身工艺条件的铌酸锂质子交换模型。最终达到实现不同工艺条件下准确仿真铌酸锂渐变折射率分布及其光学特性的目的。