Cs-K離子交換結(jié)合離子注入技術(shù)制備磷酸鈦氧鉀晶體光波導(dǎo)的研究.pdf

1、激光技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)各種性能優(yōu)良的光學(xué)材料的支持，其中最令人矚目的材料之一就是磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，KTP)晶體。磷酸鈦氧鉀晶體是一種性能非常優(yōu)良的非線性光學(xué)材料，具有較高的非線性光學(xué)系數(shù)、較高的抗光傷閾值、大的線性電光系數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是非線性領(lǐng)域不可或缺的材料。KTP晶體被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如激光倍頻、參量振蕩、電光調(diào)制和聲光調(diào)制等。尤其是準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的出現(xiàn)，使得KTP晶體在非線性光學(xué)領(lǐng)域有了更大的應(yīng)用空間。此

2、外，KTP晶體還被廣泛應(yīng)用于電光波導(dǎo)、倍頻波導(dǎo)等集成光學(xué)領(lǐng)域，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)器件的小型化具有很大的促進(jìn)作用，而且光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為集成光路的最基本的組成單元在現(xiàn)代光通信領(lǐng)域具有十分重要的用途。 所謂的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就是指由折射率較低的區(qū)域包裹的折射率較高的區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)可以把光限制在較小的區(qū)域傳播，從而提高傳輸光的能量密度，更好地利用晶體的非線性性質(zhì)。光波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本單元，是全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，在各種光器件的制造中起著重要的作用。

3、人們一直在探索制備性能優(yōu)良的光波導(dǎo)的有效方法。鑒于KTP晶體結(jié)構(gòu)的特殊性，人們可以利用離子交換技術(shù)來(lái)制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。離子交換可以使樣品表面的折射率升高從而形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。離子注入技術(shù)是一種制備光波導(dǎo)的有效方法，由于注入離子在晶體內(nèi)部的沉積可以產(chǎn)生一個(gè)折射率降低的光學(xué)位壘，在光學(xué)位壘和空氣之間的區(qū)域就構(gòu)成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 條形光波導(dǎo)是光波耦合器、波導(dǎo)調(diào)制器、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)以及波導(dǎo)激光器等無(wú)源器件和有源器件的基礎(chǔ)。探討條形光波導(dǎo)的制備不但是光

4、波導(dǎo)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，還可以拓展該技術(shù)在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。 相比其它的離子交換過(guò)程如Rb-K交換，有關(guān)Cs-K交換制備光波導(dǎo)的研究報(bào)道要少的多，尤其是在制備條形波導(dǎo)方面。由于Cs-K交換要求有較高的交換溫度，對(duì)光刻掩膜材料的選擇和成膜條件提出了很高的要求。 本論文主要研究了利用Cs-K離子交換技術(shù)在KTP晶體上制備平面和條形光波導(dǎo)，并進(jìn)一步研究了離子注入技術(shù)對(duì)離子交換波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的調(diào)制。主要內(nèi)容包括： (1)用硝酸銫作為交換源

5、，用離子交換技術(shù)在KTP晶體上制備了平面光波導(dǎo)，交換溫度從420℃到470℃，交換時(shí)間從15分鐘到2個(gè)小時(shí)；用棱鏡耦合法研究了所制備的平面波導(dǎo)在633nm和1539nm下的暗模特性。交換波導(dǎo)在633nm下均為多模波導(dǎo)，且模式數(shù)隨著交換時(shí)間的增加而增多。根據(jù)測(cè)量得到的各階導(dǎo)模的有效折射率，用iWKB(inverse Wenzel-Kramers-Brillouin)方法擬合了波導(dǎo)層的折射率分布。離子交換波導(dǎo)的折射率分布為指數(shù)分布，通過(guò)計(jì)算

6、可以得到離子交換波導(dǎo)的有效深度和表面折射率增量。研究結(jié)果表明，隨著交換時(shí)間的增加，波導(dǎo)表面折射率增量逐漸增大并趨于飽和，而提高交換的溫度則有利于提高離子交換的速度。 在1539nm波長(zhǎng)下，交換溫度為430℃，交換時(shí)間為15min的樣品呈現(xiàn)單模特性，提高交換溫度使得波導(dǎo)承載的TE模式增加而TM模數(shù)目不變。用橢圓偏振技術(shù)研究了單模波導(dǎo)在1.539nm波長(zhǎng)下的折射率分布。利用WKB方法優(yōu)化了橢偏參量的計(jì)算過(guò)程，計(jì)算得到該單模波導(dǎo)的有效

7、深度為2.8μm，三個(gè)主軸方向波導(dǎo)表面折射率增量分別為0.01 51，0.0127和0.0139。該方法也可以用于研究其他波導(dǎo)的折射率分布。 對(duì)交換溫度為430℃，交換時(shí)間分別為60分鐘和22分鐘的樣品進(jìn)行了退火處理。退火溫度從200"C到410℃，退火時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)3個(gè)小時(shí)。退火前后用棱鏡耦合儀測(cè)量了波導(dǎo)的模式特性，發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的提高和退火時(shí)間的延長(zhǎng)，波導(dǎo)中基模的有效折射率逐漸降低：模式的有效折射率之間的間隔減小。用iWKB方

8、法擬合了波導(dǎo)層的折射率分布，發(fā)現(xiàn)退火后波導(dǎo)表面折射率逐漸降低，同時(shí)波導(dǎo)的有效深度逐漸增加，波導(dǎo)層的折射率分布逐漸變得平緩。 (2)為了研究離子注入對(duì)離子交換的影響，我們分別用H、C和Cu離子注入KTP晶體，注入能量分別為：0.3keV、5MeV和1.5MeV，在對(duì)離子注入樣品進(jìn)行退火處理后，再將樣品放入熔融的硝酸銫中進(jìn)行離子交換，交換時(shí)間為15分鐘到2個(gè)小時(shí)，交換溫度為430℃用棱鏡耦合法測(cè)量了注入和交換前后KTP樣品的暗模特性

9、，通過(guò)對(duì)波導(dǎo)導(dǎo)模的變化和對(duì)應(yīng)的有效折射率的大小進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)離子注入對(duì)離子交換有一定的阻擋作用，注入造成的損傷層類(lèi)似于一個(gè)位壘，阻礙離子在晶體內(nèi)部的擴(kuò)散；同時(shí)，由于交換溫度較高，交換的過(guò)程對(duì)注入后的樣品同樣相當(dāng)于一個(gè)退火過(guò)程，而退火會(huì)造成離子注入引起的缺陷的擴(kuò)散和晶格結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，對(duì)離子交換過(guò)程的影響較大。 (3)一般的波導(dǎo)都以介質(zhì)和空氣的界面作為波導(dǎo)的一個(gè)界面，晶體表面的情況會(huì)直接影響波導(dǎo)區(qū)光場(chǎng)的分布和傳輸，而埋層波導(dǎo)可以獲得相對(duì)對(duì)稱(chēng)的

10、折射率分布，并且可以避免由于晶體表面的影響而引起額外的損耗，引起了人們廣泛的關(guān)注。我們嘗試?yán)肅s-K離子交換和Si離子注入相結(jié)合的方法，在KTP晶體上制備芯層折射率增加的埋層波導(dǎo)℃s離子交換的溫度為430℃，時(shí)間為60min。離子注入采用550keV的Si離子注入，注入劑量為1×1015ions/cm2。用端面耦合技術(shù)研究了埋層波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布。 (4)我們利用離子交換技術(shù)在KTP晶體上制備條形波導(dǎo)，利用光刻工藝和濺射法在K

11、TP晶體表面生長(zhǎng)了一層Cr作為掩膜。用硝酸銫作為交換源，發(fā)現(xiàn)由于交換溫度較高，作為掩模的Cr膜在交換過(guò)程中會(huì)脫落，但是脫落在交換鹽中的Cr離子并不參與交換過(guò)程。能量色散X射線熒光光譜(EDX)測(cè)試發(fā)現(xiàn)在覆蓋有金屬Cr膜的區(qū)域，交換過(guò)后在晶體表面發(fā)現(xiàn)有Cr離子的存在，這說(shuō)明金屬Cr以離子的形式進(jìn)入了KTP晶體內(nèi)部，造成了摻雜。用棱鏡耦合技術(shù)測(cè)量了交換之后波導(dǎo)的暗模特性，用iWKB方法擬合了波導(dǎo)的折射率分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在覆蓋有Cr膜的地方，

12、晶體表面的折射率也有增加，但只發(fā)生在晶體表面很薄的一層。 我們用顯微鏡和掃描電鏡觀察了交換之后晶體表面的條形結(jié)構(gòu)。利用端面耦合技術(shù)測(cè)量了1550nm和633nm的光在條形波導(dǎo)中傳輸?shù)慕鼒?chǎng)光強(qiáng)分布。通過(guò)對(duì)交換樣品進(jìn)行刻蝕，我們發(fā)現(xiàn)在覆蓋有Cr膜的地方和沒(méi)有Cr膜覆蓋的地方，晶體的刻蝕速度不同，這種選擇性刻蝕可能與交換過(guò)程中Cr離子進(jìn)入KTP晶體內(nèi)部而導(dǎo)致晶體表面的鐵電疇極化方向發(fā)生變化有關(guān)。這為下一步研究通過(guò)離子交換實(shí)現(xiàn)晶體周期性