離子注入MgO：LiNbO-,3-平面和條形波導(dǎo)的制備與研究.pdf

1、集成光學(xué)的概念是1969年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，它的提出大大促進(jìn)了的光通信的發(fā)展，同時(shí)也是今后全光網(wǎng)絡(luò)傳輸以及全光計(jì)算的基礎(chǔ)。集成光學(xué)是以光波導(dǎo)現(xiàn)象為基礎(chǔ)的光子和電子系統(tǒng)，系統(tǒng)的連接通過光波導(dǎo)和光纖，系統(tǒng)的基本元件是光波導(dǎo)器件。利用光在折射率不同的兩種物質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生全反射的原理，光波導(dǎo)將光波限制在微米量級(jí)的薄膜內(nèi)傳輸。集成光學(xué)的研究內(nèi)容異常豐富，但其根本的基礎(chǔ)是在薄膜中的傳輸，對(duì)光訊號(hào)的所有處理，都必須以光在薄膜中能夠傳導(dǎo)為前提，因

2、此光波導(dǎo)在集成光學(xué)中起著重要作用。 離子注入法作為制作光波導(dǎo)的一種重要方法，相對(duì)于其他制作波導(dǎo)的方法有以下優(yōu)點(diǎn)：可以改變材料的折射率，而基本不改變材料的光電特性，對(duì)晶體波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)影響小，可以在較低溫度進(jìn)行，對(duì)注入劑量和深度可以精確控制等。 其中離子注入分輕離子注入以及新興的低劑量重離子注入兩種。重離子注入的優(yōu)點(diǎn)有：離子劑量相對(duì)較低，比輕離子注入低2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。這就使注入時(shí)間大大縮短，從而降低制作成本。重離子注入形成的損

3、傷層在晶體表面下1um到1.5um之間，比較容易形成單模波導(dǎo)。 鈮酸鋰(LiNbO3)晶體具有大的電光、聲光及非線性光學(xué)系數(shù)，材料的化學(xué)性能穩(wěn)定，晶體生長成本低且易生長出大尺寸的單晶等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于制備各種光波導(dǎo)器件，成為集成光學(xué)最常用的晶體材料，在單模光纖通信系統(tǒng)、信號(hào)處理、傳感器等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，同單晶硅一樣是一種不可多得的人工晶體。 鈮酸鋰晶體之所以有如此豐富多彩的性質(zhì)和應(yīng)用前景，還與其眾多的摻雜元素密不可分。純

4、鈮酸鋰晶體提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，各種各樣的摻雜才使得晶體變得如此重要。其中高摻鎂(莫爾分?jǐn)?shù)超過4.6％時(shí))的鈮酸鋰(MgO：LiNbO3)晶體的抗光折變能力可以提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。摻鎂鈮酸鋰的高抗光損傷能力適應(yīng)了波導(dǎo)器件在調(diào)制器、倍頻器、波導(dǎo)激光振蕩等高功率密度的應(yīng)用要求，因此制作MgO：LiNbO3離子注入光波導(dǎo)和進(jìn)一步研究其光學(xué)及結(jié)構(gòu)特征對(duì)于拓寬波導(dǎo)器件的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。我們主要選擇5％mol摻鎂鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)

5、作為試驗(yàn)材料。 傳統(tǒng)的鈮酸鋰波導(dǎo)制作工藝Ti擴(kuò)散法和質(zhì)子交換法用來制作摻鎂鈮酸鋰光波導(dǎo)有一定的局限性。如使用Ti擴(kuò)散法制作摻鎂鈮酸鋰光波導(dǎo)，擴(kuò)散系數(shù)減小，擴(kuò)散區(qū)的抗光折變性能有所下降；使用質(zhì)子交換法，擴(kuò)散速度減慢。并且Ti擴(kuò)散法和質(zhì)子交換法制作的波導(dǎo)損耗較大，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有一定的影響。由于離子注入的自身優(yōu)點(diǎn)，離子注入法有望成為制作低損耗摻鎂鈮酸鋰光波導(dǎo)的有效方法。 對(duì)低劑量O2+注入Z切的MgO:LiNbO3晶片的性質(zhì)做了

6、一些研究。首先制作了平面MgO:LiNbO3光波導(dǎo)，注入離子能量從1.5MeV到4.5MeV，注入劑量從4×1014到12×1014ions/cm2。分別在633nm和1539nm波長TM偏振下形成了異常光折射率增加型的單模波導(dǎo)。觀察并測量了波導(dǎo)損耗和折射率分布隨退火條件的變化，并得到了尋常光折射率和異常光折射率隨退火溫度升高而變化的規(guī)律。經(jīng)過230℃，30分鐘退火，波導(dǎo)的傳輸損耗下降到0.9dB-2.0dB。 介紹了制作MgO

7、:LiNbO3條形波導(dǎo)的研究，分別使用單能量和多能量注入氧離子注入有條形圖案金屬掩膜的樣品，形成條形波導(dǎo)。單能量注入條件為注入能量1.5MeV和3.5MeV注入劑量為6×10l4ions/cm2；多能量注入的注入能量為3.0MeV+3.6MeV+4.5MeV，總注入劑量為8.8×1014ions/cm2；。其中多能量注入和單能量3.5MeV注入形成的條形波導(dǎo)在光纖通訊波段1550nm波長TM偏振下形成了低損耗的單模波導(dǎo)，其中多能量注入形