一种用在光波导电场传感器的BGO晶体的设计方法与流程

本发明属于bgo晶体切割加工领域，具体涉及一种用在光波导电场传感器的bgo晶体的设计方法。

背景技术：

光学电场传感器在电场测量领域受到了越来越多人的重视，相比传统有源电场传感器，其具有尺寸小、精度高、灵敏度高、线性动态范围大、频率响应宽等优点，光学电场传感器具有广泛的应用前景和研究价值。现有光学电场传感器多由晶体光路部分和输出光检测电路组成，对于晶体光路部分，现有的制备方法多会影响电光晶体的光学特性，以至于降低整个电场传感器的测量精度。

bgo晶体具有良好的电光效应，其电光系数大，且无自然双折射、无热释电效应，是光学电场传感器中最理想的传感材料。对于集成bgo(锗酸铋，bi4ge3o12)晶体光波导电场传感器，其晶体尺寸大小、内部的光波导结构、光波导的刻画工艺、电极的制作方法以及与其它光学元件的耦合等都会对传感器性能产生影响，因此针对集成bgo晶体光波导电场传感器，其晶体部分的制备方法及制作工艺设计具有重要意义。

现有的光学电场传感器中晶体光路部分大多有以下几个方面的问题：

1.多数光学电场传感器使用的电光晶体材料为ln(铌酸锂，linbo4)晶体，ln晶体存在自然双折射和热释电效应，造成测量误差；并且，ln晶体光波导的刻画方法使用的是质子交换的方法，该方法改变了波导通道的折射率，由此会影响最后的测量结果。

2.多数光学电场传感器采用的是单晶pockels效应盒的设计方案，该方案仅采用一块电光晶体，其内部不设计任何光波导通道，通过在晶体外部连接各种光学器件来实现偏振光或相位调制。一方面，该类方案采用了多种光学器件，这些光学器件间的耦合，不可避免的会产生累积误差，并且增加了传感器的体积和制作成本；另一方面在晶体内部的光不受到晶体光波导的引导，容易造成光发散的问题，造成测量精度的降低。

光学电场传感器因其性能较好而受到了广泛的研究，但由于其结构设计、制作工艺等方面的影响，会造成一定程度上的测量误差。因此，需要对整套测量传感器中晶体结构进行专门的设计。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用在光波导电场传感器的高纯度、高精度的bgo晶体设计方法。本发明采用的技术方案是：一种用在光波导电场传感器的bgo晶体的设计方法，包括以下步骤：

s1：将原料bi2o3和geo2置于坩埚并加热融化，得到熔体，然后将籽晶浸入熔体，同时对熔体提拉、旋转，诱导熔体结晶得到bgo立方晶体；

s2：利用激光切割的方式将立方晶体切割成标准的bgo晶体，并对bgo晶体表面进行光学抛光；

s3：利用飞秒激光在bgo晶体的内部相邻的刻画出多条相互平行但位于不同深度的刻痕，这些刻痕组成一条第一光波导，所述第一光波导包括第一弯曲部和第一直线部；

s4：重复s3，在bgo晶体内部刻画出一条与第一光波导对称的第二光波导，所述第二光波导包括第二弯曲部和第二直线部，所述第二弯曲部和第一弯曲部连通，将第一直线部和第二直线部进行切割，在倾斜的切割断面镀上高反膜；

s5：利用激光烧蚀的方法，在第一直线部的两侧刻画互相平行的沟槽，并利用电子束喷涂的方法，在沟槽内制作au金属电极；

s6：利用有源对准技术，将光纤与第一弯曲部和第二弯曲部的连通处相耦合。

进一步地，步骤s2中，在bgo立方晶体的<110>、<001>面上进行切割，切割后的bgo晶体沿方向，并且其方形面在<110>平面内。

进一步地，步骤s3中，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1khz，脉宽为120fs，单脉冲能量为1.68mj，扫描速率为500μm/s。

进一步地，步骤s4中，所述第一光波导和第二光波导的芯径均为8μm，开口高度均为218μm，刻画在bgo晶体表层下50～80μm处。

进一步地，步骤s4中，所述第一弯曲部和第二弯曲部的弯曲半径均为3.0975cm。

进一步地，步骤s4中，所述第一直线部和第二直线部的切割角度为4°，高反膜的折射率为0.99。

进一步地，步骤s5中，所述沟槽刻画在bgo晶体表层下50～80μm处，所述沟槽的高度为10～12μm。

进一步地，所述光纤与第一弯曲部和第二弯曲部的连通处耦合时，偏差角度小于0.1°，间距小于5μm。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种用在光波导电场传感器的bgo晶体的设计方法，包括以下步骤：bgo晶体的生成，bgo晶体的切割，光波导的刻画，光波导两侧的电极制作，波导与光纤的耦合，bgo晶体无自然双折射，无热释电效应，为立方晶体各向同性结构，并且其熔点低，易于生长，不易潮解，具有良好的光学性能、机械性能及化学稳定性，因此集成有bgo晶体的光波导电场传感器上用于电场检测时，能够减小由电光晶体本身性质所带来的固有误差，提高测量精度。

1.通过对bgo晶体切割方向的确定及切割工艺的选取，既能符合bgo晶体电场传感器的理论需求，又能保证晶体的透光率达到95％以上以及微米尺度上的平整度，以减少由于电光晶体本身的质量问题带来测量误差。

2.通过飞秒激光不断扫描可以制作出折射率降低的光波导包层，且包层与纤芯的折射率差值保持在0.005左右，以此保证包层内部bgo晶体的光学性质不发生改变，避免由晶体折射率发生改变而造成的实验误差。

3.通过激光蚀刻在bgo晶体光波导两侧刻画沟槽，并通过电子束喷涂技术在沟槽内制作电极，使电极处于bgo晶体光波导两侧，保证电场均匀性，降低测量误差。

附图说明

图1是本发明实施例中bgo晶体的切割方向示意图；

图2是本发明实施例中bgo晶体切割阵列排布图；

图3是本发明实施例中bgo晶体光波导结构示意图；

图4是本发明实施例中y型光波导的示意图；

图5是本发明一种用在光波导电场传感器的bgo晶体结构示意图；

图6是本发明实施例中au金属电极的结构示意图；

图7是本发明实施例中bgo晶体光波导与光纤的耦合示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例采用的技术方案是：一种用在光波导电场传感器的bgo晶体的设计方法，包括以下步骤：

s1：将原料bi2o3和geo2置于坩埚并加热融化，得到bi2o3和geo2的熔体，然后将籽晶浸入熔体，同时对熔体提拉、旋转，诱导熔体结晶得到bgo立方晶体。在bgo立方晶体结晶的过程中，可采用定向籽晶及缩颈技术减少晶体的缺陷，得到一种纯净度在4n以上，并且呈无色透明状，无裂纹、条纹、气泡、云层等宏观缺陷，无色心、散射颗粒等微观缺陷的立方晶体，并选取尺寸为2×2×2cm³的bgo立方晶体进行后续加工。

s2：参考图1、图2，用激光在2×2×2cm³的bgo立方晶体的<110>、<001>面上进行切割，得到8块标准的bgo晶体，尺寸为4×4×15mm³，切割后的bgo晶体沿方向，并且其方形面在<110>平面内。采用激光切割的方式，有利于在毫米尺度上进行精细操作，并且在切割完成后需要对晶体表面进行光学抛光，以增加晶体的透光度及光滑度。

s3：参考图3，通过设置飞秒激光的聚焦点及光功率参数，对bgo晶体内部进行多次扫描，相邻的写入多条相互平行但位于不同深度的痕迹，这些写入痕迹处的bgo晶体的折射率会降低，由此组成一条连续的包层通道型光波导，即第一光波导，第一光波导包括第一弯曲部和第一直线部，在第一光波导的内部传输通道中晶体的折射率、介电常数等参数性质不发生改变。

本实施例采用的飞秒激光中心波长为800nm，重复频率为1khz，脉宽为120fs，单脉冲能量为1.68mj，扫描速率为500μm/s。

s4：参考图4和图5，重复步骤s3，在bgo晶体内部得到与第一光波导对称的第二光波导，第二光波导包括第二弯曲部和第二直线部，其中第二弯曲部和第一弯曲部连通，之后将第一直线部和第二直线部以一定的角度进行切割，并在倾斜的端面镀上高反膜。

在本实施例中，第一光波导和第二光波导的芯径均为8μm，开口高度均为218μm，并且刻画在bgo晶体表层下50～80μm处，第一弯曲部和第二弯曲部的弯曲半径均为3.0975cm，第一直线部和第二直线部的切割角度为4°，高反膜的折射率为0.99。

s5：参考图6，利用激光烧蚀的方法，在第一直线部的两侧刻画互相平行的沟槽，并且在沟槽内利用电子束喷涂的方法，制作au金属电极。

在本实施中，沟槽的深度也为50～80μm，保证au金属电极处于直波导的两侧，沟槽具体高度为10～12μm。

s6：参考图7，利用有源对准技术，调整耦合组件的相对位置，在光纤与第一弯曲部和第二弯曲部连通处的bgo晶体端面之间通过点胶器注入固化胶，然后缓慢推进光纤使其与bgo晶体端面固定连接，从而实现光纤与第一光波导和第二光波导的耦合。

在本实施例中，光纤耦合时，调整第一光波导和第二光波导连通处与光纤耦合时的角度和距离，保证偏差角度小于0.1°，间距小于5μm，尽量减小耦合时产生的损耗。

本发明提供的方法，采用高纯度的bgo晶体，用在光波导电场传感器时，能够减小由晶体本身性质所带来的固有误差，提高测量精度；通过对bgo晶体切割方向的确定及切割工艺的选取，既能符合bgo晶体电场传感器的理论需求，又能保证晶体的透光率达到95％以上以及微米尺度上的平整度，以减少由于电光晶体本身的质量问题带来测量误差；通过飞秒激光技术不断扫描可以制作出折射率降低的光波导包层，且包层与纤芯的折射率差值保持在0.005左右，以此保证包层内部bgo晶体的光学性质不发生改变，避免由晶体折射率发生改变而造成的实验误差；通过激光蚀刻在第一光波导两侧刻画沟槽，并通过电子束喷涂技术在沟槽内制作电极，使电极处于第一光波导的两侧，保证电场均匀性，降低测量误差。

根据以上说明书中的阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，上述实施例中提到的内容并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。