離子注入光晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特性研究.pdf

1、二十一世紀(jì)是信息技術(shù)的時(shí)代，光已經(jīng)成為信息最先進(jìn)、最重要的載體之一。隨著多媒體和Internet業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)通信波長(zhǎng)容量和傳輸速率提出了越來(lái)越高的要求，全光通信已成為光通信領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。光集成是全光通信實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景使集成光學(xué)受到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在的集成光學(xué)已經(jīng)迎來(lái)了成熟階段，已經(jīng)發(fā)展為集光學(xué)、光電子學(xué)、激光、非線性光學(xué)、光通信等方面于一體的獨(dú)立學(xué)科。光波導(dǎo)作為集成光學(xué)系統(tǒng)的基本元件，其性能優(yōu)劣直接影響著整

2、個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，對(duì)光波導(dǎo)的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。離子注入作為一種重要的材料改性方法，因?yàn)槠渚哂锌煽匦院谩?duì)材料的選擇性較少及注入溫度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為一種相對(duì)成熟的波導(dǎo)制備方法。目前為止，用離子注入方法制備的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)已經(jīng)囊括了光學(xué)晶體、半導(dǎo)體、陶瓷、聚合物及各種光學(xué)玻璃等在內(nèi)的各種光學(xué)材料。離子注入還可以結(jié)合各種掩膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)選擇性離子注入，也可以結(jié)合各種微加工方法在晶體中制備出不同用途的圖形結(jié)構(gòu)。作為干法刻蝕技術(shù)的一種，Ar離子

3、束刻蝕是一種純物理的方法，對(duì)被刻蝕材料的適用性廣泛，刻蝕參數(shù)可以精確調(diào)整。離子注入及離子束刻蝕技術(shù)均具有精確地可調(diào)節(jié)性，因此用離子注入結(jié)合離子束刻蝕技術(shù)在光學(xué)晶體材料中制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有較高的重復(fù)性，適合規(guī)模生產(chǎn)，具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。光波導(dǎo)是由低折射率介質(zhì)包圍的高折射率介質(zhì)，其實(shí)質(zhì)是材料中不同區(qū)域的折射率的差異而形成的，光波導(dǎo)中的波導(dǎo)模式等波導(dǎo)特性及波導(dǎo)中的非線性特性均與介質(zhì)中的折射率分布有著重要的關(guān)系。因此，探討介質(zhì)光波導(dǎo)中的折射

4、率分布有著重要的意義，不但是研究光波導(dǎo)各種特性的基本條件，也為光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與制備提供理論指導(dǎo)。用離子注入結(jié)合光刻技術(shù)及離子束刻蝕技術(shù)在光學(xué)晶體上制備了平面、條形及脊形光波導(dǎo)是本論文的主要內(nèi)容。涉及到的光學(xué)晶體有鐵電體(鈮酸鋰、摻鈉的鈮酸鈣鋇)，優(yōu)良的非線性自倍頻晶體(磷酸鈦氧鉀)，閃爍晶體(鎢酸鋅)，激光載體材料(釹摻雜鍶釓鎵氧和釔鎵石榴石)，軟鉍礦晶體(鈦酸鉍)。我們用棱鏡耦合方法測(cè)試了平面光波導(dǎo)的導(dǎo)模，用反射計(jì)算方法(reflect

5、ivity calculation method，RCM)計(jì)算了平面光波導(dǎo)的折射率分布。對(duì)折射率改變機(jī)理進(jìn)行了一定的研究。用端面耦合的方法測(cè)試了平面、條形及脊形波導(dǎo)的光傳輸情況及傳輸損耗。用有限差分光束傳播方法(finite difference beam propagation method，F(xiàn)D-BPM)模擬了波導(dǎo)的模場(chǎng)分布并將計(jì)算結(jié)果與端面耦合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。用back-reflection(背反射)方法測(cè)試了氧離子注入鈮酸

6、鋰晶體平面光波導(dǎo)的隨機(jī)及溝道譜，計(jì)算了損傷分布。測(cè)試了部分樣品的透過(guò)譜，研究了退火在減少色心方面的作用。用離子注入結(jié)合光刻工藝在鈮酸鋰晶體上制備了功率分離器，在器件研究方面作了初步嘗試。本文的主要研究結(jié)果如下：
　　 ⑴鈮酸鋰晶體(LiNbO3，LN)晶體是一種集電光、聲光、光彈、非線性、光折變和激光活性等效應(yīng)于一體的性質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)晶體。鈮酸鋰晶體光波導(dǎo)已經(jīng)應(yīng)用于調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、放大器等光子學(xué)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。用離子注入方法在鈮酸

7、鋰晶體上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟。本文中所用樣品為同成分鈮酸鋰晶體，簡(jiǎn)稱(chēng)CLN。我們利用能量為：(2.2+1.8+1.6)MeV，劑量為：(3+2+1)×1014ions/cm2的多能量氧離子注入在z切LiNbO3晶體上形成了平面及條形光波導(dǎo)。光刻膠周期分別為11μm和50μm，光刻膠空白區(qū)域均為5μm。利用金相顯微鏡觀察了拋光后的條形波導(dǎo)端面；對(duì)條形光波導(dǎo)進(jìn)行了端面耦合測(cè)試，得到近場(chǎng)光強(qiáng)分布及傳輸損耗；用有限差分光束傳播方法模

8、擬了模場(chǎng)分布，并與端而耦合結(jié)果進(jìn)行了比較。周期為11μm波導(dǎo)區(qū)為5μm的波導(dǎo)出現(xiàn)耦合效應(yīng)形成了陣列波導(dǎo)，有三個(gè)FB帶。我們的結(jié)果說(shuō)明調(diào)整條形波導(dǎo)周期可以形成陣列波導(dǎo)，在形成光孤子方面有重要的意義。我們用3MeV的O離子注入在鈮酸鋰晶體上形成了平面光波導(dǎo)，利用背散射方法研究了平面光波導(dǎo)的退火特性，平面光波導(dǎo)的退火溫度分別為：200℃、300℃、400℃、500℃，退火時(shí)間均為30分鐘，用棱鏡耦合方法測(cè)試了各退火條件樣品的導(dǎo)模，用端面耦合方

9、法測(cè)試了各樣品近場(chǎng)光強(qiáng)分布及傳輸損耗，測(cè)試了不同退火條件樣品的背散射溝道譜(RBS/C)。
　　 ⑵提出一種制備鈮酸鋰晶體脊形波導(dǎo)的方法：氧離子注入與Ar離子束刻蝕相結(jié)合的方法。我們用離子束濺射的方式將樣品的注入層剝離掉一部分再進(jìn)行RBS分析，通過(guò)這種方式我們首次得到了3MeV的O離子注入鈮酸鋰晶體樣品產(chǎn)生的損傷分布。我們成功的制備出脊高度為880nm，波導(dǎo)區(qū)寬度為10μm的脊形光波導(dǎo)。用原子力顯微鏡及金相顯微鏡觀測(cè)了脊形波導(dǎo)的

10、表面和端面，顯微鏡照片表明我們制作出了側(cè)面平滑、低粗糙度的脊形光波導(dǎo)；用端面耦合的方法測(cè)量了脊形光波導(dǎo)的光學(xué)特性，結(jié)果說(shuō)明該脊形波導(dǎo)可以有效的限制光的傳輸；用Fabry-Perotresonator方法測(cè)量了脊形光波導(dǎo)的損耗為2dB/cm。我們這種鈮酸鋰晶體脊形光波導(dǎo)的制作方法可以用于光通信和集成光學(xué)領(lǐng)域的波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)。
　　 ⑶磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，KTP)晶體是一種具有較大倍頻系數(shù)的非線性光學(xué)晶體。利用能量和劑量分別

11、為2.4MeV1.5×1016ions/cm2的He離子注入KTP晶體，形成了雙模光波導(dǎo)。測(cè)試了該波導(dǎo)的導(dǎo)模特性及光傳輸特性，結(jié)果顯示在633nm波長(zhǎng)下KTP平面光波導(dǎo)可以限制TE及TM偏振方向的光且均可以測(cè)到兩個(gè)傳輸模，但是TM偏振下近場(chǎng)光強(qiáng)明顯較弱，約為T(mén)E偏振方向的1/100，說(shuō)明該波導(dǎo)在x方向較易限制光的傳輸。波導(dǎo)在x方向TE0模式的傳輸損耗為0.7dB/cm，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明我們制備的KTP平面光波導(dǎo)在實(shí)際應(yīng)用方面有潛在的價(jià)值。我

12、們用離子注入及氬離子束刻蝕相結(jié)合的方式在磷酸鈦氧鉀晶體上制備了平面及脊形光波導(dǎo)。注入離子為Si離子，能量為6MeV，劑量分別為6×1014ions/cm2。我們對(duì)平面光波導(dǎo)進(jìn)行了一系列的退火處理，用棱鏡耦合方式測(cè)量了每個(gè)退火條件下波導(dǎo)的導(dǎo)模特性，經(jīng)過(guò)一定的退火處理后，平面波導(dǎo)可以傳輸633nm的激光。我們用臺(tái)階儀測(cè)量了脊彤波導(dǎo)的高度，用端面耦合的方式測(cè)量脊形波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，我們的工作為用離子注入與離子束刻蝕相結(jié)合的方式在KTP晶體上

13、制備脊形波導(dǎo)提供了可行性依據(jù)。
　　 ⑷鎢酸鋅(ZnWO4)晶體是重要的閃爍晶體，其具有優(yōu)良的閃爍性能。我們主要研究了離子注入ZnWO4晶體平面光波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)和退火效果。我們用He離子和C離子注入的方式均形成了折射率增加的波導(dǎo)，增加型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以有效限制光的傳輸。這種折射率分布使得平面波導(dǎo)以非漏的方式傳輸光波。我們對(duì)兩種離子注入后的樣品均進(jìn)行了一系列(260℃-550℃)的退火處理。我們用端而耦合方法測(cè)試了波導(dǎo)經(jīng)過(guò)一定退火處

14、理后的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，并與理論結(jié)果進(jìn)行了比較。在633nm波長(zhǎng)下折射率增加的最大值為△nα=0.0128。碳離子注入波導(dǎo)在光通信窗口(1539nm)也可以限制光的傳輸。吸收譜的測(cè)試結(jié)果顯示注入過(guò)程對(duì)ZnWO4晶體可見(jiàn)光的吸收性質(zhì)影響不大。連續(xù)退火處理的結(jié)果表明C離子注入的波導(dǎo)有較高的熱穩(wěn)定性。我們的實(shí)驗(yàn)為用離子注入方法制備ZnWO4晶體平面光波導(dǎo)提供可行性依據(jù)，為ZnWO4晶體在集成光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一種新的思路。
　　 ⑸摻釹的

15、鍶釓鎵氧(Nd：SrGdGa3O7，Nd：SGG)和釔鎵石榴石(Nd：YGa3O12，Nd：YGG)是性能優(yōu)良的激光載體材料。我們用離了注入的方法制備了平而光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用棱鏡及端面耦合方法測(cè)試了波導(dǎo)的導(dǎo)模特性及傳輸特性。用背反射方法測(cè)得碳離子注入Nd：SrGdGa3O7平面光波導(dǎo)的傳輸損耗為0.84dB/cm，有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Nd：YGG波導(dǎo)是“勢(shì)阱+位壘”型的折射率分布，端面耦合的測(cè)試結(jié)果顯示該波導(dǎo)可以傳輸633nm激光，離子注入過(guò)

16、程沒(méi)有影響Nd3+在w>550nm的范圍內(nèi)的光吸收性質(zhì)。共焦微熒光測(cè)試結(jié)果說(shuō)明我們的波導(dǎo)制備方法幾乎沒(méi)有對(duì)Nd3+的熒光發(fā)射性質(zhì)造成影響。我們的實(shí)驗(yàn)在Nd：SGG和Nd：YGG晶體上產(chǎn)生波導(dǎo)激光方面具有指導(dǎo)意義。
　　 ⑹用能量為5MeV劑量為1×1015 ions/cm2的C離子注入摻鈉的鈮酸鈣鋇(Na0.176Ca0.224Ba0.688Nb2O6Na：CBN)晶體。棱鏡耦合測(cè)試結(jié)果顯示波導(dǎo)在633nm波長(zhǎng)下尋常光折射率(n

17、o)降低、異常光折射率(ne)增加。端而耦合測(cè)試結(jié)果顯示該平面光波導(dǎo)在633nm波長(zhǎng)下只能傳輸TM偏振的光波，形成了尋常光折射率降低的位壘型光波導(dǎo)。尋常光方向第一個(gè)導(dǎo)模有效折射率與襯底折射率之差為：△neff=-0.0103。異常光方向不能形成波導(dǎo)的原因，與CBN晶體本身對(duì)光波的透過(guò)率有偏振選擇性有關(guān)。鈦酸鉍(BiTi12O20，BTO)晶體屬于軟鉍礦結(jié)構(gòu)，是性能優(yōu)良的光折變晶體。我們利用4.5MeV的O和550keV的He離子注入BT

18、O晶體，均制備出了平面光波導(dǎo)。退火后O離子注入波導(dǎo)的損耗較低為1.27dB/cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明離子注入后的退火處理可以顯著降低光波導(dǎo)的傳輸損耗。測(cè)得Ar離子束刻蝕BTO晶體的刻蝕速率為21nm/min。
　　 ⑺用光刻技術(shù)結(jié)合多能氧離子注入的方式，在z切鈮酸鋰晶體上成功制備了1×2 Y分支功率分配器。設(shè)計(jì)的原型是傳統(tǒng)的四分支波導(dǎo)，光在傳輸過(guò)程中一分二然后再二分四，這個(gè)設(shè)計(jì)的好處是在四個(gè)分支中光可以方便的實(shí)現(xiàn)均勻分配，四個(gè)分支中光

19、強(qiáng)大體一致。設(shè)計(jì)參數(shù)：波導(dǎo)區(qū)為5μm，整個(gè)分支結(jié)構(gòu)的寬度為75μm。用金相顯微鏡觀測(cè)了分支波導(dǎo)端面，觀測(cè)結(jié)果表明波導(dǎo)區(qū)的大小和整個(gè)分支波導(dǎo)的范圍與我們?cè)O(shè)計(jì)的基本一致。用端面耦合的方式測(cè)量了分支波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，在四個(gè)分支中得到了近似均勻的光功率輸出，說(shuō)明我們用光刻技術(shù)與離子注入技術(shù)相結(jié)合成功的制備了可以均勻分配光功率的分配器，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)說(shuō)明，我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以在光互連、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)、調(diào)制器等光子學(xué)器件制