薄膜铌酸锂光电探测器近期研究进展

铌酸锂晶体具有高电光、压电和非线性光学系数,宽光学透明范围、兼容速度匹配、相位匹配和色散工程,长期稳定性以及可低成本制备光学级晶圆等众多优势,作为构筑如电光调制器、光学频率梳、光波导等光电子器件的重要平台,在信息通信领域的光产生、光传输、光调制等领域大放异彩,被誉为“光子领域的硅”,具有巨大的集成应用潜力,受到学术界和产业界的广泛关注。然而,由于铌酸锂的绝缘体和弱光学吸收特性,基于铌酸锂平台的集成应用领域还面临光电转换效率低和探测难的问题,全光通信中光解调和光提取需要高性能探测器的支撑,因此研发基于铌酸锂的光电探测器具有重大的科学意义和应用价值。本文从铌酸锂的基本结构特性出发,详细介绍了铌酸锂的优异物性和光电转化机理,综述了国内外学者近期的一些研究成果,重点阐述了基于铌酸锂晶体的光波导集成型光电探测器和异质结型光电探测器的研究进展,探讨并比较了不同路线的优点和发展潜力,并对该领域提出展望。     

掺锆铌酸锂系列晶体

本文简介了掺锆铌酸锂系列晶体的研究进展,包括单掺锆铌酸锂、锆铁双掺铌酸锂、锆铁锰及锆铜铈三掺铌酸锂。掺锆铌酸锂晶体不但在可见波段具有远优于掺镁铌酸锂的抗光损伤能力,即使在近紫外波段,也拥有其它掺杂晶体所不具备的抗光损伤性能。锆铁双掺铌酸锂晶体兼有高光折变灵敏度和高光折变衍射效率的性质。锆铁锰和锆铜铈三掺铌酸锂晶体不但能够实现非挥发存储,其光折变响应速度及灵敏度都较铁锰和铜铈双掺晶体有大幅提高。这些实验结果表明,掺锆铌酸锂有望成为出色的非线性光学晶体。     

高掺镁铌酸锂晶体OH-吸收光谱的低温研究

本文测量了纯铌酸锂和高掺镁铌酸锂晶体的低温红外光谱,观察了OH-吸收峰的温度依赖特性.研究发现纯铌酸锂的OH-振动吸收峰基本不随温度而变化,而高掺镁铌酸锂晶体的OH-振动吸收峰的主峰峰位随温度的降低向高波数方向移动.通过分析两种晶体中不同的缺陷模型以及H+在晶格中的占位,我们提出高掺镁铌酸锂晶体中的H+紧邻高电性杂质缺陷(MgNb)3-分布,直接参与缺陷集团,完全不同于纯铌酸锂晶体中H+的分布情形,这造成了高掺镁铌酸锂晶体中OH-振动吸收峰随温度的变化.而集团内部缺陷之间相互作用随温度降低而增强的趋势是OH-振动吸收峰右移的主要原因.     

光学超晶格晶体——实现激光频率转换的无限可能

正1962年,诺贝尔奖获得者Bloembergen等提出了准相位匹配(quasi phase matching,QPM)理论,通过对光学晶体的二阶非线性极化率的周期性调制来补偿光频率变换过程中因色散引起的基波和谐波之间的相位失配,从而获得非线性光学效应的有效增强。20世纪70年代末,南京大学闵乃本等用晶体生长条纹技术生长出具有周期畴的铌酸锂晶体(后被称为光学超晶格),完成了首次准相位匹配的实验验证。20世纪80年代末,他们又提出了多重准相位匹配理论,将准周期(人工准晶)引入光学超晶格。     

基于周期性极化铌酸锂的波长可调谐光参量振荡器

本文报导了基于周期性极化铌酸锂(PPLN)波长调谐准相位匹配(QPM)的光学参量振荡器, 该光学振荡器是由一个声光Q开关连续二极管泵浦的Nd:VO4激光器所泵浦.采用温度、角度和周期调谐就能获得宽的波长调谐输出.论文对这几种调谐方式进行了分析比较,这对于实现宽波长、快速、连续调谐相干光源是有益的.     

外加电场法制备周期极化铌酸锂的重要结构参数的数值分析

外加电场法制备周期极化铌酸锂工艺的众多结构参数对极化进程有潜在的影响.本文采用数值方法系统的分析了周期极化的重要结构参数的影响,这些参数包括绝缘层介电常数、绝缘层厚度、电极宽度、外加电压幅度和光栅周期.证明了对极化进程影响最为显著的是电极宽度、外加电压幅度和光栅周期,它们应该是设计极化结构时需要考虑的主要参数.相对的,绝缘层介电常数、绝缘层厚度对极化进程的影响在一定条件下可以忽略.本文由此推论了一种简洁合理的极化结构设计步骤.另外,本文得到了光栅周期与最优电极宽度的二次拟合公式,它为设计提供了依据,降低了复杂程度.     

铌酸锂晶体的缺陷及其控制

针对铌酸锂晶体中的缺陷研究,本文总结了国内外学者提出的不同晶体缺陷模型及各自的特点,并介绍了我们提出的铌位依赖、锂位敏感模型.在分析晶体缺陷研究的基础上提出了对铌酸锂晶体进行缺陷控制的意义及理论依据,指出缺陷控制的主要任务是保护锂格位.本文还简要概括了铌酸锂晶体缺陷控制的主要手段,并建议从反映铌酸锂晶体性能的角度来研究缺陷结构.     

大尺寸近化学计量比铌酸锂晶体的制备

研究了扩散法制备近化学计量比铌酸锂晶体的工艺,从原料配比、合成方式、晶片放置方式和扩散工艺等方面进行了工艺优化.对不同厚度和切割方向的铌酸锂晶体进行扩散处理,对三英寸Z-cut铌酸锂晶体进行了批量扩散试验,并对扩散后的晶体进行了组分和均匀性测试.结果表明,厚度为3.1 mm的Z-cut晶体组分达到近化学计量比,光学质量达到实用化要求,而XYZ=5.1 mm×5.1 mm×21.0 mm的晶体光学质量较差,同时厚度达1.8mm的Z-cut三英寸近化学计量比铌酸锂晶片可实现批量制备.     

铌酸锂晶体电击穿特性的研究

从电介质的击穿机理出发,用数学方法描述了电极注入电荷被介质捕获的全过程,详细分析了电介质的击穿特性并得出了电击穿现象的理论公式,通过同成分铌酸锂晶体和掺锌铌酸锂晶体的极化和击穿实验对理论分析的结果进行了验证,试验现象与理论分析吻合较好.     

高温度稳定性系列铌酸锂电光调Q开关的研制

通过对影响铌酸锂电光调Q开关工作温度稳定性的原因分析,认为晶体自身的应力是导致铌酸锂电光调Q开关温度稳定性差的主要原因.而减小晶体自身应力的关键主要取决于晶体光学质量的均匀性,同时,组分的波动也会使晶体产生应力.为此利用前期大尺寸铌酸锂晶体质量大幅提高的结果,配合适当的热处理工艺,研制出了系列铌酸锂调Q开关,通过在1064 nm、1318 nm、2128 nm等激光器中应用,这些调Q开关均能稳定工作,完全能够满足激光雷达等脉冲激光器的使用.     

等径控制系统的改进及在光学级铌酸锂生长中的应用

分析了提拉法晶体生长过程中影响滞后变化的因素,采用传统PID调节器和计算机辅助控制相结合的办法,解决了铌酸锂晶体生长过程中的精确等径控制问题,并在大直径铌酸锂晶体生长应用中取得了满意的效果.生长的76mm直径的铌酸锂晶体,生长条纹问题得到很大改善,光学均匀性提高了一个量级以上.     

晶体人生丨祝世宁:从天然结构到人工微结构

与天然或人工晶体结构类似,微结构材料是采用功能基元(即人工微结构,也可称为“人工原子”)加空间序构的方式构筑的新材料体系,它可以实现均匀材料所不具有的超常物性。从半导体超晶格开始,人工微结构经历了光学超晶格、光(声)子晶体、超构材料等的发展,性能调控范围也由原来的电性能扩展到光、声、热、磁、力等。近年来有关铌酸锂晶体及其人工微结构研究举世瞩目,以南京大学为代表的中国科研团队从铌酸锂晶体的畴结构调控开始,在该领域做出许多原创性工作,研究水平居国际前列。展望未来,发展铌酸锂集成光子学还面临三方面的挑战,包括LNOI器件的刻蚀技术、铌酸锂晶圆缺陷和大尺寸铌酸锂薄膜的制备。     

铌酸锂单晶薄膜材料

铌酸锂晶体集电光、声光和非线性光学等物理特性于一身,且透光范围宽,作为一种重要的光学材料被广泛应用于通信、传感等领域.通过离子注入与直接键合的方式制备出的铌酸锂单晶薄膜材料,保留了铌酸锂体材料的优秀物理特性,并且具有高折射率对比度的优点,使光子器件在集成度和性能上都得到了很大程度的提升.本文介绍了铌酸锂薄膜的制备及应用...     

高掺镁铌酸锂晶体的生长及其激光器件性能的研究

本文报道高掺镁铌酸锂晶体的生长，测试了晶体的光学性能－双折射梯度和消光比，晶体的光折变阈值，红外透射光谱和光电导，用高掺镁铌酸锂晶体制做了倍频器和Ｑ开关。研究了它们的性能和应用。     

铌酸锂晶体的光折变效应

铌酸锂(LiNbO₃, LN)是一种多功能多用途的人工晶体,被称为“光学硅”。近期以铌酸锂薄膜(LNOI)为平台的集成光子学发展迅速,有将“光学硅”变为现实的趋势。高集成意味着高局域高光强密度,使铌酸锂晶体的光折变效应变得不容忽视。光折变效应是光致折射率变化的简称,是非线性光学的重要组成部分。本文回顾了铌酸锂晶体光折变效应的发现和机理、不同掺杂及掺杂组合对光折变效应的调控,重点介绍了铋镁双掺铌酸锂晶体的光折变性能及相关理论和实验结果,概述了铌酸锂光折变波导和孤子,及基于LNOI的集成光子学器件中的光折变效应,并对未来的研究趋势进行了展望。期待我国发挥铌酸锂光折变研究及LNOI产业化的优势,在光子学芯片的竞争中占据主导地位。     

锂组分对纯铌酸锂晶体光折变性能的影响研究

本文研究了低光强下锂组分对纯铌酸锂晶体的可见光折变、紫外光致吸收及紫外光折变性能的影响,发现了光折变中心种类和数量随晶体组分的渐变行为.在组分较低的同成分晶体中,大量本征缺陷形成Q极化子,因而在可见光波段表现出较弱的光生伏打效应;在组分较高的近化学计量比铌酸锂晶体中,双极化子是主要光折变中心,从而引起较高的光生伏打电场.而纯铌酸锂晶体的紫外光致吸收以及紫外光折变性能则具有相似的组分依赖关系.它们随组分的增加过程可分为两个不同的阶段:当组分小于49.70 mol;时,随组分增加缓慢升高,而当组分高于49.70 mol;时,随组分突然猛增并迅速升高.上述实验结果也可采用本征缺陷由Q极化子主导向双极化子主导的渐变过程进行解释.     

铌酸锂的耄耋之路:历史与若干进展

铌酸锂集压电、倍频、电光和光折变等特性于一身,被认为是非线性光学的模型晶体,已经表现出巨大的实用价值。铌酸锂在其诞生以来的近百年中,已经在国土安全、医学检测、高能物理、工业探测等领域占据着不可或缺的地位。随着微纳技术的发展,近年来铌酸锂微纳结构中新型光学效应的研究,已经成为国际上竞相争夺的前沿热点之一,相关研究对于产生新型微纳光子学器件具有重要推动作用。本文主要围绕铌酸锂的光学性质综述了其发展历史,同时介绍其在微纳光学领域的研究现状,并对其未来发展进行了展望。     

太赫兹声子极化激元在LiNbO3微结构中的衍射和干涉动态过程的时间分辨成像

利用飞秒激光脉冲,在50μm厚的铌酸锂晶体薄片中产生了太赫兹声子极化激元波.使用飞秒加工技术在铌酸锂晶体薄片上刻制了针对太赫兹声子极化激元波的衍射和干涉微结构.利用已经构建的偏振门探测成像系统实时动态地记录了太赫兹声子极化激元波的时间和空间传播过程.对不同频率的声子极化激元波在不同尺寸狭缝的动态衍射和干涉的过程进行了时间分辨的二维成像探测和分析,直观地展示了其衍射和干涉的时空特性.     

同成分铌酸锂晶体中反位铌的扩散研究

通常商业使用的同成分铌酸锂晶体(CLN)是固液同成分共熔点配比,其Li2O含量约为48.6mol;,晶体中存在大量的锂空位和反位铌等本征缺陷,进而影响了晶体的电光系数、折射率、光折变等性能.研究表明,将缺锂的晶体在高温、富锂气氛下进行扩散处理可获得接近化学计量配比的铌酸锂晶体(nSLN),这种方法获得的nSLN晶体光学质量高,且技术简便、成本低,具有实际应用价值.本文分析了富锂气氛下CLN晶体扩散过程中反位铌的扩散机制和扩散路径,认为反位铌在扩散过程中将迁移到晶体外部,并通过CLN晶片的单边扩散进行了验证.     

铌酸锂晶体及其应用概述

铌酸锂晶体历史悠久,物理效应最为齐全,被用于制备声学滤波器、谐振器、延迟线、电光调制器、电光调Q开关、相位调制器等器件,在电子技术、光通信技术、激光技术等领域得到了广泛应用,并且在第五代无线通信技术、微纳光子学、集成光子学及量子光学等近期快速发展的领域中展示了重要的应用前景.本文简要综述了铌酸锂晶体的基本性质、晶体制备以及应用情况,对铌酸锂晶体未来的应用发展进行了简要分析.