在非线性铁电基板上制作畴反转结构的方法和装置的利记博彩app

文档序号:2737638阅读:324来源:国知局
专利名称:在非线性铁电基板上制作畴反转结构的方法和装置的利记博彩app
技术领域
0001本发明涉及在铁电基板上制作晶畴反转结构,要求其在非
线性光学设备和其他光子器件下进行,该非线性光学设备以准相位
匹配(QPM)技术为基准。
背景技术
0002铁电材料反转晶畴是开发光学非线性设备例如波长转换器 的关键:冲支术。波长转换器的一个实例7^开于文献"J.A. Armstrong et al., Physical Review, vol. 127, No.6, Sep. 15, 1962,pp.l918-1939;C.Q.Xu, et al" Appl. Phys丄ett,,Vo1.63, 1993, pp.3559-3561; 以及 K. Gallo, et al" Appl. Phys, Lett., vol.71,1997,pp.l020-1022"。该文献中,波长转换装置采用了带有波 导的波长转换元件,其中在波导方向上形成周期性晶畴反转光栅, 用以满足准相位匹配(QPM)的条件。通过向波长转换元件输入角 频率COp的泵浦光和角频率03s的信号光,实现波长转换,以获耳又角 频率ODe的转换光。如果使用更高角频率的泵浦光,那么转换角频率 o)c可以通过coc = cop - cos得到(即产生差频(DFG)),另外转换角频
率(0c可以通过C0e二2 0)p-C0s得到(即级联二阶非线性相互作用)。
波长转换器的另 一个实例在文献"J.A. Armstrong et al., Physical Review, vol.l27, No.6, Sep.15, 1962,pp.l918-1939;MYamada, et al., Applied Physics Letters, vol.62, no.5, 1993,pp.435-436,,中公开。该文
献中,波长转换装置仅仅采用了周期性晶畴反转光栅来满足准相位匹配的条件。通过向波长转换元件l命入角频率COf的泵浦光来实现波长转换,以获耳又角频率2cOf的转换光,即产生二次谐波(SHG)。0003为了实现高效率的波长转换,必需高度均匀周期性晶畴反 转结构。在文献"AKinori Harada, U.S. Patent No,5,594,746; AKinori Harada, U.S. Patent No.5,568,308;A.Harada, et al., Applied Physics Letters, vol.69,no.l8,1996,pp.2629-2631"中公开了周期性晶畴反转结 构的一种利记博彩app,如图1所示。在该文献中,将电晕线3与4妻地 屏蔽4安置在掺杂氧化镁的铌酸锂单晶基板1的-c面上方,同时将 周期性电极图案2安置在基板的+c面上。电极是接地的。只要高压 电源5向电暈线^T入了高电压,电暈》i电就j皮启动,则基4反-c面上 产生了负电荷。由于-c面上存在电荷,造成了电压电势差,,人而产 生穿过基板的强电场。若产生的电场大于晶体的内部电场(即矫顽 电场),在电极之下的晶畴就可被反转,这是因为所产生电场的方 向与晶体内部电场是相反的。由于矫顽电场会随着温度的上升而减 小,在该文献中采用了温度控制器6来减小畴反转所需的电场。利 用真空泵7来增强周期,l"生电才及图案(electrode pattern )之间的电歧 视。0004由于^f吏用电暈线(corona wire),以上所7>开的畴反4争方法 只能沿着电晕线的方向在 一个狭小的面积内进行晶体极化。期待能 在整个晶片(例如3"圆形晶片)的全部面积上实现均匀畴反转。0005在文献"Fang, U.S. Patent No.5,045,364, Soane, et al., U.S. Patent No.5,026,147"中公开了另 一种用来制作周期性晶畴反转结构 的方法,如图2所示。该文献中,在聚合物薄膜21 —面的上方安 置一个针形电极3,同时在聚合物膜另一个面的上方安置一个电极 图案22。此薄膜形成于基板24上。电极需接地。只要高压电源5 向针形电极输入了高电压,电晕就向聚合物顶面释》i:电荷。由于顶 面存在电荷,造成了电压电势差,从而产生了穿过聚合物薄膜的强电场。 一旦产生了足够的电场,电极下的聚合物分子将沿着电场进 行排列。除非受热,聚合物偶极耳又向将保持相对不变。因此才及化过 程包4舌加热样本、应用才及化电场,还包括了冷却样本,该步驶M吏排列的聚合物偶极子固化。该文献中,聚合物极化需要温度控制器6。0006以上所才艮道的畴反转方法只能直4妾在针形电才及下的小区域 内进行晶体极化。期待能在整个晶片(例如3"圓晶片)的全部面积 上实现均匀极化。所报道方法的一个缺陷是存在转化为火花放电 或形成离子束的高风险,可能会损坏基板或者导致不均匀极化。发明内容0007本发明的目标在于提供一种改进的畴反转方法,该方法简 化了构造并能进行大面积极化。0008本发明提供了一种铁电畴反转方法,其中将电晕炬(cornoa touch)安置在基板的一个表面上,把电极安置在基板另一个相反面 上,利用它们产生所需的电场进4亍4失电晶体(ferroelectric crystal) 的反專争才及"f匕(reverse polarization )。0009本发明同时提供了极化晶体的装置,包括电暈炬,被安置在铁电基板的其中一个面的上方;一个高压(DC,AC或RF)电源,与电暈炬连4妻以形成电暈方欠电;一个铁电晶体基板,基板的一个面上具有周期性电极图案;一个样本架,基板安放在其上,并且基板上的电极图案面向着样本架;用于i曾强电才及图案的电磁j见(electrical discrimination of the electrode pattern )的装置;用于控制基板温度的装置;和一个气体源,用于々是供电暈放电时所需的必要的环境。


0010将以举例的方式描述本发明的具体实施方式
,并参照附图, 其中图1是基于电晕线放电方法的晶体极化装置的现有技术的示意图,图2是基于尖端》文电方法(needle discharge method )的聚合物才及^匕 装置的现有技术的示意图,图3是用于说明根据本发明的晶体极化装置的示意图,图4是用于说明根据本发明的电暈炬的结构的第 一种优选实施方式 的示意图,图5是用于说明根据本发明的电晕炬布置的各种构型的第二种优选 实施方式的示意图,图6是用于说明根据本发明的改进的电晕炬布置的第三种优选实施 方式的示意图,图7用于说明根据本发明的电晕炬和电晕线的组合的第四种优选实 施方式的示意图,图8是用于说明根据本发明的电晕线布置的第五种优选实施方式的 示意图,图9是用于说明根据本发明的改进的气体流动单元的第六种优选实
施方式的示意图,
图10是用于说明根据本发明的改进的电极的第七种优选实施方式 的示意图。
具体实施例方式
0011在第一种优选的实施方式中,如图3所示,优选的晶体极化 装置包括电晕炬3,安置在带有电源5的铁电单晶的-c面上方。基 板l接地,且基板的+c面上具有周期性电极图案2。将铁电基板设 置在样本架11上,样本架与真空泵6及温度控制器8连接。真空 度设置在10"托 1大气压之间,温度在室温 200、的范围之间。 整个系统可置于腔室12中,该腔室带有一个顶盖9和一个底盖10, 且将该系统与第二个真空泵7连接。第二个真空泵的真空度可以设 置在10—3托 1大气压的范围之间。电晕炬3与高压电源5连接,并 通过气体源4供给N2气体。电源5供给的电压值可以设置在1 kV 100kV之间(例如10kV),以达到晶体极化所需要的电场强度。N2 气体流速为0 100 L/min之间的值(例如5 L/min)。
0012图4中示出了在图3中所示的晶体极化装置中使用的电晕 炬。该电暈炬由具有相同内径的两个金属管形成。金属管的内径可 以在1 mm 10mm之间(例如1 mm)。两个金属管的外径可以是1 mm至1000mm之间的^直(例如第一圓筒1为10mm,而第二圆筒 为14为2 mm )。两个金属管的长度可以是1 mm至1000 mm之间 的值(例如第一金属管1为50 mm,且第二金属管14为50 mm )。 该两个金属管被由电绝缘材料(例如特氟纶)制成的管15所保护, 并且与电源5以及气体源4相连4妄。在绝纟彖管15的外露表面(outlet surface )上形成的第二电4及16是4妄地的。0013在本发明的第二种优选实施方式中,图5中示出了在图3 中所示的晶体极化装置中使用的具有排列构型的可替换电晕炬。在 图5 ( a )中,若多个炬(例如5个炬)均按一定的间隔(例如10 mm) 沿着一条线排列而成。每个炬可以与相同高压电源连4妄或与不同的 高压电源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比,图5(a) 所示的构型能有效进行更大矩形面积的晶体极化。在图5 (b)中, 多个炬(例如8个炬)按一定的角度间隔(如45。)排列成圆形。 i亥圓的半才圣可以是1 mm至100 mm 之间的^f直(例3口 10 mm )。每个 炬可以与相同的高压电源连冲妾或与不同的高电压源;波此独立:t也连 接。与图3所示的单个炬构型相比,图5 (b)所示的构型能有效进 行更大圓形面积的晶体极化,因为通过使用这种构型,在基板的整 个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。在图5(c)中,将多个炬(例 如4个炬)i殳置在一个圓周上且间隔一定角度(例如90°),同时还 有炬i殳置在该圆周的中心。该圆周的半4圣可以是1 mm至100 mm 之间的值(例如10 mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与 不同的高电压源;波此独立i也连4妄。与图3所示的单个炬构型相比, 图5 (c)所示的构型能有效进行更大圆形面积的晶体极化,因为通 过使用这种构型,在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。 在图5(d)中,将多个炬(例如12个炬)设置在两个圓周上,并 间隔一定角度(例如第一圆周上为45°,而第二圆周上为90。)。该 圓周的半径可以是l mm至100mm之间的值(例如第一圓周为10 mm,而第二圓周为20mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或 与不同的高电压源4皮此独立地连4妾。与图3所示的单个炬构型相比, 图5 (d)所示的构型能有效进行更大圆形面积的晶体极化,因为通 过使用这种构型,在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。 在图5 (e)中,多个炬(例如4个炬)排列在正方形的每个角上。 该正方形的边可以是1 mm至100 mm之间(例如10 mm)。每个炬可 以与相同的高压电源连4妄或与不同的高电压源彼此独立地连"^妄。与 图3所示的单个炬构型相比,图5 (e)所示的构型能有效进4亍更大正方形或者圓形面积的晶体极化,因为通过^f吏用这种构型,在基板
的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。在图5 (f)中,多个炬 (例如4个炬)4非列在正方形的每个角上,同时在正方形的中央i殳 置另一个炬。该正方形的边可以是1 mm至100 mm之间的^f直(例 如10 mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压 源;波此独立地连4妄。与图3所示的单个炬构型相比,图5 (f)所示 的构型能有效进行更大正方形或者圆形面积的晶体才及化,因为通过 使用这种构型,在基4反的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。 在图5 (g)中,将多个炬(例如4个炬)排列在两个正方形的每个 角上。正方形的边可以是1 mm至100 mm之间的^直(例3o第一正 方形为10 mm,而第二个为20mm)。每个炬可以与相同的高压电 源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬 构型相比,图5 (g)所示的构型能有效进4亍更大正方形或者圆形面 积的晶体极化,因为通过使用这种构型,在基板的整个-c表面上可 以实现均匀的电4肓分布。
0014在本发明的第三种优选实施方式中,图6中示出了在图3 中所示的晶体极化装置中使用的具有布置构型的可4#换电晕炬。图 6 (a)和图6 (b)分别是该构型的侧视图和俯视图。在图6中,多 个炬(例如4个炬)4非列在一个正方形的四个角上,同时在正方形 的中央i殳置一个炬。该正方形的边可以是1 mm至100 mm之间的 值(例如10 mm)。正方形中心的炬与正方形角上的炬之间的高度 差d可以是1 mm至10 mm之间的值(例如5 mm )。每个炬可以与 相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图5
(f)所示的炬构型相比,采用图6所示的构型能在基板的整个-c 面上实现更均匀的电荷分布,是由于下面的原因。第一,每个电晕 炬所释放的暈电荷具有特定的分布。炬正下方的电荷密度会偏高。 因此,正方形中央附近位置的电荷密度往往偏高。第二,电荷密度 取决于炬的高度(即炬与基板-c面之间的距离)。电晕炬越高,表
ii面电荷密度就越低。因此,可以通过升高或者降低位于正方形炬排 列中央的炬的高度来控制电暈炬的电荷分布。
0015本发明的第四种优选实施方式中,图7中示出了在图3中 所示的晶体极化装置中使用的电晕炬。在图7中,采用了圓形的电 晕线71,同时还在圆的中央i殳置炬73。该圓周的半^圣可以是1 mm 至100 mm之间的^直(例如10 mm )。电晕线和炬可以与相同高压电 源连4妻或不同的高压电源74、 75 4皮此独立i也连4妄。与图3所示的 单个炬构型相比,图7所示的构型能有效进行更大圆形面积的晶体 极化,因为通过4吏用这种构型,在基板的整个-c表面上可以实现均 匀的电4节分布。
0016在本发明的第五种优选实施方式中,在图8中所示的排列 结构中使用了如图3中所示的电暈炬。在图8中,采用了电暈炬布 置82。放电装置被安置在基板81的上方。排列的间隔可以是1 mm 至100 mm之间的值(例如10 mm)。电晕炬可以与相同高压电源 85连4妄或4皮此独立地与不同的高电压源连4妄。电暈炬可以与相同气 体源84连4妾或#1此独立地与不同的气体源连接。与图3所示的单 个炬构型或与图1所示的单线状构型相比,图8所示的构型能有效 进行更大面积的晶体极化,因为通过使用这种构型,在基板的整个 -c表面上可以实i见均匈的电荷分布。电晕炬的布置可以用类j以图1 的电晕线的布置取代。
0017本发明的第六种优选实施方式中,在图9中示出了在图3 中所示的晶体才及化装置中4吏用的气流源。在图9中,流入电晕炬的 气体(来自气体源94)的温度由加热器98控制。与图3所示的气 流装置相比,图9所示的构型能减少气体与基板之间因存在温差而 引起的压力,这样可以防止才及化过程中对基才反造成4壬何损坏。0018本发明的第七种优选实施方式中,图10中示出了在图3 中所示的晶体极化装置中使用的样品架。在图10中,电极102形 成于基板101上,在电极102的顶部上4吏用Si02薄膜103以实现电 极图案的电绝缘。因此,样本架无需与高真空泵连接。与图3所示 的样本架相比,图10所示的构型简化了样本架,因此降低了制造 成本。
0019上述实施方式已对掺杂氧化镁的铌酸锂的晶体极化进行了 描述。当然,本发明中所叙述的方法可适用于其他铁电材料,例如 LiTa03、 KTP等等。
0020以上实施方式包^"了适合多种不同电暈炬和电晕线的不同 构型。当然,所述构型的不同组合也可以进行大面积的晶体极化。
这些构型可以与本专利中明确存又述的那些以多种不同的方式ia合。
0021上述实施方式已经描述了与样品架相连的加热单元。当然, 其他的加热单元,诸如IR加热器也可以提供升高基板的温度的相
似效果。
0022上述实施方式已经描述了电绝缘层(即Si02)。当然,其 他绝缘体如光刻胶也能为增强电极图案的电歧视提供相似的效果。
0023上述实施方式已经描述了气流(即N2)。当然,其他惰性 气体如Ax也能为产生电晕放电提供类似的效果。
0024上述实施方式已经描述了与腔室连冲妄的为了排除腔室内不 必要气体的第二真空泵。当然,其他清除腔室内气体的方法也能为 排除腔室内不必要的气体提供类似的效果。
10026现在对于本领i或的4支术人员来i兌,本发明的其他实施方式 是显而易见的,本发明的范围在所附的权利要求书作出了限定。
权利要求
1.一种用于铁电畴反转的方法,其中,使用位于基板的一个表面上的电晕炬和在所述基板的相对表面上的电极以产生反向极化所述铁电晶体必要的电场。
2. —种晶体极化装置,包括电暈炬,位于4失电基才反的一个表面上;高压(DC、 AC或RF)电源,连4妾所述电晕炬以产生电 暈方文电;铁电晶体基板,在所述基板的一个表面上具有周期性的 电极图案;样品架,其上i殳置有所述基板,且所述基4反的所述电才及 图案朝向所述样品架;增强所述电极图案的电歧视的装置;控制所述基板温度的装置;以及气体源,提供电暈放电所需的必要环境。
3. 根据权利要求2所述的电极图案,是接地的;并且形成于所述铁电基板的+c表面上。
4. 根据权利要求2所述的增强所述电极图案的电歧视的装置,包 括真空泵;以及连接基板与所述真空泵的连接器。
5. 根据权利要求2所述的增强所述电极图案的绝缘的装置,包括在所述电极图案的顶部的电绝缘膜。
6. 根据权利要求2所述的晶体极化装置,组件如所述的电暈炬、 样品架、和基板包含在一个腔室中。
7. 根据权利要求2所述的控制所述基板温度的装置,包括与所述样品架连接的加热器; 位于所述基一反附近的温度传感器;以及 稳定所述基板温度的反馈回路。
8. 才艮据权利要求2所述的控制所述基板温度的装置,包括设置于所述样品架旁边的辐射加热器; 位于所述基板附近的温度传感器;以及 稳定所述基纟反温度的反々贵回^各。
9. 根据权利要求2所述的电暈炬,包括以一定距离排列的具有一 定构型的多个炬。
10. 根据权利要求9所述的多个电暈炬,其中,所述多个炬与一个 电源相连。
11. 根据权利要求9所述的多个电暈炬,其中,每个炬分别与独立 的电源相连。
12. 根据权利要求9所述的多个电暈炬,其中,所述多个炬沿一条 直线排列。
13. 才艮据权利要求9所述的多个电暈炬,其中,所述多个炬沿一个 单独的圆周或多个圆周进行_没置。
14. 才艮据^^又利要求9所述的多个电晕炬,其中,所述多个炬i殳置在 正方形或矩形的角上。
15. 4艮据;K利要求13、 14所述的多个电暈炬,其中,另一个炬i殳 置在所述圓或正方形或矩形的中心。
16. 根据权利要求13-15所述的多个电暈炬,其中,所述多个炬设 置在不同的高度。
17. 根据权利要求16所述的多个电晕炬,其中,所述接近所述圆 或正方形或矩形中心的炬被设置在与其他的炬不同的高度。
18. 根据权利要求2所述的气体供应器,包括储气罐;气体流控制器;和 气体温度控制器。
19. 根据权利要求18所述的储气罐,包含氮气N2或其他惰性气体。
20. 根据权利要求13-17所述的电暈炬,所述设置在圆形或正方形 或矩形中的炬^皮所述弯曲的电晕线代替。
全文摘要
一种晶体极化装置具有一个单畴铁电基板(例如掺杂氧化镁的铌酸锂基板)、样本架、高压电源、电晕炬、气体源、腔室及至少一个真空泵。在基板的第一个面上形成具有一定结构(例如周期性光栅)的电极,在样品架的顶部设置有带有面朝下的电极的基板。电极接地以使该电极区域形成高电场,该高电场是由于基板的第二个面上的电晕炬产生的电荷形成所导致的。而基板的第二个面上的电荷分布受高压电源和气体源的控制。为了使晶体极化达到最优化,利用温度控制器来设置基板的温度,并且使用真空泵使基板第一个面上的电极绝缘。
文档编号G02F1/365GK101517475SQ200780035798
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月20日 优先权日2006年9月26日
发明者乔纳森·马克尔, 张仁世, 徐长青 申请人:C2C彩达公司
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