光电信息功能材料10----KLTN晶体生长及应用

4.2马赫-曾德尔电光系数测量系统
I = I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos Φ 1 1 = ( I max + I min ) + ( I max − I min ) cos Φ 2 2
I max = ( I1 + I 2 )
2
I min = ( I1 − I 2 )
2
Φ 0 = (m + 1 2)π
如果电场加在晶体的x3方向
E3 = E
E1 = E2 = 0
1 1 1 2 2 2 2 2 ( 2 + s12 E ) x1 + ( 2 + s12 E ) x2 + ( 2 + s11 E 2 ) x3 = 1 n0 n0 n0
1 3 ⎧ 2 ⎪n1 ' = n2 ' ≈ n0 − 2 n0 s12 E ⎪ ⎨ ⎪ n ' ≈ n − 1 n3 s E 2 3 0 0 11 ⎪ 2 ⎩
光电功能材料------KLTN
钽铌酸钾锂晶体的生长 及电光性能研究
周忠祥 哈尔滨工业大学
1．目的
光通信的迅猛发展，对应用于光网络中的各种 光无源器件的需求越来越大，而光开关的在光 网络中起着十分重要的作用。 应用器件的需求推动着人们对新材料的探索。 钽铌酸钾锂晶体（KLTN）是新型顺电相电控光 折变材料。 基于钽铌酸钾锂晶体为核心，电控全息为技术 手段的光开关具有交换速度快、大容量、低损 耗、透明等特点，被认为是未来光开关发展的 主导方向之一。
图4. 生长态晶体图
微下拉方法：1998年日本东北大学Valery I. Chani等人用 微下拉技术使用激光加热生长出了KLTN单晶光纤，这 种方法的生长速度快，下拉速度为0.5mm/min.得到的晶 体光纤的直径为1mm，长度在100mm，晶体的均匀性和 温度特性也很好。
图5. KLTN晶体光纤的生长装置
图9. EH开关原理图
图7. KLTN:Cu晶体电控全息开关的频率和衍 射效率的关系
图8. KLTN:Cu电控全息光开关在一个短 脉冲下，衍射效率与时间的关系
图10. EH开关图
3. 钽铌酸钾锂晶体生长及光学性质研究
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.1 掺杂钽铌酸钾锂晶体的生长 顶部籽晶助熔剂法生长： 熔体生长提拉技术与助熔剂高温溶液生长 方法的巧妙结合。用助熔剂法生长出来的晶体 比用熔体法生长的晶体，热应力更小、更均匀 完整。必须在比熔体法生长慢得多的速度下进 行生长，生长速率极为缓慢。 而提拉法在生长 过程中可以方便地观察晶体的生长状况，晶体 在熔体表面处生长，而不与坩埚相接触，这样 能显著地减小晶体的应力，并防止埚壁的寄生 成核。通过使用定向籽晶和“缩颈”工艺，降低 位错密度。生长的晶体，其完整性很高，生长 速率和晶体尺寸也令人满意，光学质量很高。
400 200 0 44
[002]
。
46
40 50 60 2θ (degrees)
70
80
90
样品KLT0.654N0.346的室温X射线粉末衍射图
晶体的介电常数随温度的变化
7500 6000 4500 3000 1500 0 0 50 100 150 200 250 x=0.346 x=0.242
⎡ s11 ⎢s ⎢ 12 ⎢ s12 [ smn ] = ⎢ 0 ⎢ ⎢0 ⎢ ⎢0 ⎣
s12 s11 s12 0 0 0
s12 s12 s11 0 0 0
0 0 0 s44 0 0
0 0 0 0 s44 0
⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ s44 ⎥ ⎦ 0 0 0 0 0
在外加电场作用下
⎡ Δβ1 ⎤ ⎡ s11 ⎢ Δβ ⎥ ⎢ s ⎢ 2 ⎥ ⎢ 12 ⎢ Δβ3 ⎥ ⎢ s12 ⎢ ⎥=⎢ ⎢ Δβ 4 ⎥ ⎢ 0 ⎢ Δβ5 ⎥ ⎢ 0 ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ Δβ 6 ⎥ ⎢ 0 ⎣ ⎦ ⎣ s12 s11 s12 0 0 0 s12 s12 s11 0 0 0 0 0 0 s44 0 0 0 0 0 0 s44 0 0 ⎤ ⎡ E12 ⎤ ⎢ 2 ⎥ 0 ⎥ ⎢ E2 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎢ E32 ⎥ ⎥ ⎥⋅⎢ 0 ⎥ ⎢ E2 E3 ⎥ 0 ⎥ ⎢ E1 E3 ⎥ ⎥ ⎥ ⎢ s44 ⎥ ⎢ E1 E2 ⎥ ⎦ ⎣ ⎦
2.3 基于电控全息技术的光互联
电控全息技术是一种基于顺电相电控光折变效 应的光束控制技术。通过外加电场来控制在晶 体内部重建光折变全息光栅。KLTN的独特优 势，使之成为目前用作电控全息技术的最佳材 料。 电控全息的概念首先由Agranat提出，用来实 现光电人工神经网络。然后扩展成为一种空间 光调制的方法。1996，Balberg, Agranat 以 电控全息神经元的方式证实电控全息的概念。 接下来便实现了并行多级互联网络中的多级电 控全息光开关。在2001年提出了适用于WDM 网络中路由的波长选择光子开关。
KLTN:Cu，左侧掺杂浓度0.5mol%， 右侧为1mol%和,晶体为淡绿色
KLTN: Fe，左侧掺杂浓度0.015wt%，右 侧为0.3wt%和,晶体为红褐色
KLTN: Mn，左侧掺杂浓度0.5mol%， 右侧为1mol%和,晶体为棕黄色
KLTN Crystal Grown in HIT
3.1.5 生长中遇到的困难及解决办法
外加电场为1450V/cm的情况下写入光栅的情况
外加电场为-1450V/cm的情况下写入光栅的情况。
4 KLTN晶体电光特性研究：
4.1 顺电相KLTN晶体的二次电光效应 顺电相KLTN属于立方晶系，m3m点群，其二次电 光系数矩阵具有如下的形式，顺电相KLTN只有三个独 立的二次电光系数，即、和
目前国外对该方面的研究工作及相关的工艺 技术实行保密政策，我们开展这方面的研究 工作，基于多年对光折变全息存储研究的特 长，通过研究掺杂钽铌酸钾锂晶体的电控光 折变及其他物理性质，探索适用于电控全息 光开关的最佳晶体组分及掺杂，在低外加电 场作用下利用电控全息技术，进行快速的折 射率调制，实现性能可调、易于集成的光学 全息衍射元件，并发展电控全息光开关的相 关技术。
2. 国内外研究现状及分析
晶体的生长 晶体的倍频及电光性能 电控全息光互联
2.1钽铌酸钾锂的生长研究
顶部籽晶助熔剂法：顶部籽晶助熔剂生长技术是 助熔剂生长方法的重大发展之一。它是熔体生长 提拉技术与助熔剂高温溶液生长方法的巧妙结 合。美国加州理工学院Amnon Yariv教授领导的研 究小组首先提出用顶部籽晶助熔剂法生长KLTN 晶体，并获得高光学质量的光学晶体。
3.1.2 实验设备：
生长炉为十一所生产的JDL400单晶生长炉，加 热 装 置 是 中 频 感 应 线 圈 加 热 ， 最 高 温 度 1700 度。控温系统是英国欧陆公司出的818温控表， 精度为±0.1 度。生长装置如图3-1，图3-2为示 意图
图11. 单晶生长系统
图12 单晶生长示意图
切割机
晶体生长炉
抛光机
3.1.3 工艺条件:
提拉法生长单晶的工艺条件非常关键，包括炉子热环 境、周围气氛、原料纯度、提拉速率、晶体转速、 冷却速率和材料的挥发等因素。 （1） 温度梯度 （2） 晶体生长速率 （3） 旋转速度
4.1.4 晶体生长过程
（1） 籽晶的获得 （2） 单晶的生长 （3）已生长的晶体
3.1.1 生长配料：
生长晶体所用原料为K2CO3, Li2CO3, Ta2O5, Nb2O5 和 CuO, Fe2O3, Mn2O3 ， 纯 度 均 为 99.99%。为了把晶体的铁电－顺电相变温度Tc 控制在室温，采用具体配料比例(摩尔比)如下： K: Li: Ta: Nb =55: 3: 10.3: 25.4 2.
D ielectric constant
Temperature(℃ )
显示了不同Nb浓度下，晶体介电常数随温度变化的曲线
3.3 掺杂钽铌酸钾锂晶体光折变特性
衍射效率与外加电压强度的关系
KLTN晶体对短波长的记录光更加敏感，还可以以短 波长写入光栅，而一长波长进行读取。
零电场情况下写入光栅，而在有外加电场情况下读取。其中实现为拟合曲线
Benny Pesach. 等 人 研 究 了 顺 电 相 下 的 KLTN:Cu,V的存储能力，通过外加电场 M /# = M 〈η〉 下光折变效应，KLTN:Cu，V具有很高 的全息存储能力，用 表示材 料 的 存 储 能 力 ， 当 入 射 角 为 45 度 时 ， KLTN的M/#的值为4，而高掺杂LiNbO3 晶体的实验结果为M/#的值是1.5。通过 提高KLTN晶体中掺杂的Cu,V的浓度， 可以进一步提高KLTN的存储能力。
图6. KLTN晶体光纤
2.2 KLTN晶体的结构及光学性质研究
K1-yLiyTa1-xNbxO3 在x属于0和1之间任何值，形成固溶体。当 y≥0.13时，晶体为钨青铜结构，是十分优良的蓝光倍频晶体。 与传统蓝光倍频晶体KLN相比，提高了晶体在蓝光区域的透射 率，降低了吸收系数，使材料脱色，并且使吸收边较短波长移 动。 当y<0.13时，KLTN为立方钙钛矿结构并且易于掺杂过度金属元 素，属于m3m点群，在居里温度附近电光效应很大。
500 0 0 10 20 30
[111]
40
50
60
70
80
90
2θ (degrees)
样品KLT0.789N0.211的室温X射线粉末衍射图
1200
I nt ensi t y( count s)
600
[200]
a=3.993Å c=4.018Å 晶 格 常 数 为
1000 800 600 400 200 0 0 10 20 30
m = 0 , ± 1,…
cos(Φ + ΔΦ ) ≈ ±ΔΦ
1 1 ΔI = I − ( I max + I min ) = ± ( I max − I min )ΔΦ 2 2 vout vout ΔΦ = = (Vmax − Vmin ) 2 V p − p 2 ΔΦ = 2πΔ(nl ) λ