離子注入光波導的數(shù)值分析研究.pdf

1、離子注入作為一種制備光波導的有效技術，具有在任意溫度下對離子注入的劑量和深度可以精確控制，從而改變材料表面性質(zhì)的優(yōu)越性，引起了人們的廣泛關注。迄今為止，利用該技術在光學晶體、玻璃、半導體和有機聚合物等光學材料上形成光波導結構方面取得了重要進展。 由于折射率分布對于確定離子注入型光波導的性質(zhì)有著至關重要的作用，因此對其折射率分布的確定顯得尤其重要。為此人們提出了多種確定折射率分布的方法，如反射率計算方法(reflectivity

2、calculation method，RCM)，參數(shù)折射率重構方法(parameterized index profile reconstruction，PIPR)和反向Wentzel-Kramer-Brillouin方法(iWKB)。其中RCM方法假設一個由高斯函數(shù)結合線性函數(shù)的折射率分布模型，按該折射率分布模型對光波導進行分層，調(diào)整函數(shù)參數(shù)，計算光在層與層之間界面上發(fā)生的反射和折射，使計算出的模式值和實驗測得的導模的模式值(通常使用

3、棱鏡耦合方法測量)誤差最小，就認為該折射率分布為實際存在的折射率分布。PIPR方法與其類似，也是將折射率分布用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進行描述，調(diào)整函數(shù)參數(shù)使計算出的模式值和實驗得到的模式值偏差最小，該折射率分布就認為是波導中實際的折射率分布。iWKB方法則是從量子力學原理出發(fā)，通過漸變型曲線的參數(shù)調(diào)整使計算出的模式值和實驗測得的導模的模式有效折射率誤差最小，就認為此曲線所代表的折射率分布就是波導的實際折射率分布。其中iWKB方法由于其使用漸

4、變函數(shù)描述折射率分布，決定了該方法適用于分析內(nèi)(外)擴散形成的波導，擴散形成的波導其折射率分布隨著深度的變化是逐步改變的，但對于外延生長、離子注入形成的波導，由于其折射率分布改變比較劇烈，特別是位壘的出現(xiàn)，使用iWKB方法將會帶來較大誤差。RCM和PIPR對于改變比較劇烈的折射率分布比較合適，一般將其用來分析離子注入型波導的折射率分布。以上三種方法的共同特點就是假設折射率分布，通過計算出的模式有效折射率和實驗測得的進行比較，確定實際的折

5、射率分布曲線。為了達到較小的誤差，一般要求在光波導上測量到的模式階數(shù)不小于三。 既然常規(guī)的確定折射率分布的方法要求模式階數(shù)不小于三，探索出一種在導模階數(shù)低于二，甚至在單模情況下仍然能夠確定光波導折射牢分布的方法具有重要意義。本文中將嘗試使用數(shù)值分析方法來解決該問題。光束傳播法(Beam Propagation Method，BPM)由于其概念清晰、基礎技術易于實現(xiàn)和掌握，能夠仿真計算復雜幾何形狀的光學器件性質(zhì)而在光電子器件計算機

6、輔助設計(Computer Aided Design，CAD)方面得到廣泛應用，基于此技術的眾多商業(yè)仿真軟件得到開發(fā)和推廣，嘗試將該數(shù)值分析計算技術引入到離子注入型光波導的折射率分布和其它離子注入型光波導所特有的物理現(xiàn)象的研究具有重要的理論價值和應用前景。 雖然利用光束傳播法可以仿真計算光線在離子注入型光波導中的傳播過程，但為了確定出單模光波導的折射率分布，需要對仿真計算出的結果和實驗結果進行相似度比較，這就涉及到數(shù)字圖像處理的

7、相關內(nèi)容。本文使用歐幾里德(Euclid)距離來衡量兩幅灰度圖的相似程度，實踐中采用的是其數(shù)學變形表達式：Sim(m,s)=1/pn∑i=0(1-│mi-si│/Max(mi,si)*100％其中：Sim(m，s)為相似程度，N為灰度級別，對于灰度圖，其值為255，mi和Si分別為實驗測量和仿真計算得到的灰度圖中第i階灰度直方圖值，P為仿真計算中所選顏色空間的樣點數(shù)。 本文數(shù)值分析的理論基礎為BPM和數(shù)字圖像處理技術，通過它們仿

8、真計算出離子注入型單(雙)模條形(平面)光波導的折射率分布，同時嘗試使用數(shù)值分析技術設計條形波導的離子注入?yún)?shù)，研究離子注入型光波導所特有的物理現(xiàn)象，并分析其物理機理。主要結果如下： 在MeV能級通過重離子注入鈮酸鋰已經(jīng)成功制備出了折射率增加型的條形和平面光波導，而且其模式為單模(1539nm)或雙模(633nm)，長期以來一直找不到一個在不破壞樣品的情況下確定出波導折射率分布的方法。本文提出了光強計算方法(Intensity

9、Calculation Method,ICM)確定單模條形和平面波導的折射率分布，該方法使用光束傳播法仿真光線在波導中的傳輸過程，將仿真計算出的光強圖和實驗獲得的光強圖進行數(shù)字圖像分析比較，精確確定出單模平面(條形)波導的折射率分布。該方法可以推廣到分析其它離子注入型單模波導的折射率分布，這對于分析離子注入型光波導的物理性質(zhì)及對其進行應用開發(fā)具有重要意義。在633nm下，對多能量氧離子注入鈮酸鋰進行棱鏡耦合測量，發(fā)現(xiàn)其為雙模波導，同時使

10、用端面耦合發(fā)現(xiàn)光強圖中兩模式耦合在一起，無法區(qū)分開，這樣無法再使用確定單模情況下鈮酸鋰波導中折射率分布的ICM方法，需要提出新的方法來確定該類光波導的折射率分布。在本論文中，提出了一種基于折射率分布理論模型的數(shù)值計算方法來確定雙模光波導的折射率分布。通過該折射率分布模型，調(diào)整模型參數(shù)，對不同參數(shù)下折射率分布所對應模式的有效折射率進行數(shù)值計算，計算出的模式有效折射率和實驗測得的模式有效折射率的方差最小時所對應的折射率分布模型即認為是光波導

11、中實際的折射率分布。 一般情況下離子注入型光波導的損傷分布情況可以通過SRIM(The Stoppingand Range of Ions in Matter)軟件能夠仿真計算出來，并且通過ICM方法能夠確定條形波導在離子注入方向的折射率分布，在折射率分布已知的情況下，利用數(shù)值計算方法對不同寬度下的條形波導在寬度方向上的模式分布情況進行仿真計算，最后對仿真計算結果和實驗測量出的結果進行比較，發(fā)現(xiàn)計算值和實際測得的數(shù)據(jù)吻合較好，這

12、為將來設計光波導的注入條件進行了有益的嘗試。 在離子注入形成的光波導中觀察到一些比較特別的物理現(xiàn)象，比如奇異模(Strange Mode)和雙位壘(Double Barrier)，對于這些現(xiàn)象，科研工作者相繼提出了一些模型進行解釋。對于奇異?，F(xiàn)象，科研人員提出的模型認為是由晶體損傷區(qū)的主光位壘(the main nuclear damage optical barrier)旁存在一個小的光勢阱(thesubsidiary opt

13、ical well)造成的。本論文中嘗試從損傷分布曲線出發(fā)，建立理論模型，使用數(shù)值計算方法驗證該模型是否能有奇異模的存在。對離子注入鈮酸鋰晶體，注入離子的種類、能量和劑量不同會在注入后的晶體內(nèi)部出現(xiàn)雙位壘現(xiàn)象，在使用傳統(tǒng)方法RCM計算結果的基礎上，利用數(shù)值計算方法BPM計算在該雙位壘型光波導中存在的模式有效折射率，將其和棱鏡耦合實驗測得的進行比較，方差較小時所對應的折射率分布曲線即認為是雙位壘現(xiàn)象下離子注入晶體形成的光波導的折射率分布曲