離子注入平面與條形光波導(dǎo)的優(yōu)化條件研究.pdf

1、光通信技術(shù)已經(jīng)成為迅猛發(fā)展的綜合性技術(shù)領(lǐng)域。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。研究人員一直在探索有效的方法來制備具有優(yōu)良性能的光波導(dǎo)?，F(xiàn)在常用的制備波導(dǎo)的方法主要有擴(kuò)散、交換、薄膜沉積以及離子注入等。離子注入技術(shù)對襯底材料結(jié)構(gòu)的選擇性較低。迄今為止，人們已經(jīng)利用離子注入技術(shù)在包括光學(xué)晶體、玻璃等大量的光學(xué)材料上形成了光波導(dǎo)。因此離子注入技術(shù)已經(jīng)成為制備光波導(dǎo)的有效手段。 離子注入按照其注

2、入離子原子質(zhì)量的大小可以大致分為輕離子注入以及重離子注入兩種。輕離子注入的離子包括氦離子以及質(zhì)子，而重離子則主要有碳、氧、硅、鎳、銅等一些原子質(zhì)量較重的離子。一般說來，輕離子注入對晶格的擾動較小，但是其注入劑量較大，成本較高。重離子注入劑量則相對較低。在一些特定的材料里，形成有效波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所需要的離子劑量僅為10<'13>ions/cm<'2>量級。 對于離子注入光學(xué)晶體形成的光波導(dǎo)(特別是那些具有明顯雙折射性質(zhì)的晶體)，由于注入

3、離子原子質(zhì)量的不同，輕離子注入與重離子注入形成波導(dǎo)有著顯著的不同。輕離子注入光學(xué)晶體后，在射程的末端會因?yàn)樽⑷腚x子的沉積而形成一個折射率降低的區(qū)域從而形成位壘型的光波導(dǎo)。這種波導(dǎo)主要依靠光學(xué)位壘以及空氣構(gòu)成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。重離子注入則與輕離子注入不同，重離子注入晶體材料在其離子射程內(nèi)對晶格造成擾動，導(dǎo)致晶體雙折射性質(zhì)的降低，使得注入?yún)^(qū)較低的折射率增高，因此其波導(dǎo)主要依賴于材料表面形成的折射率增加層，且形成的波導(dǎo)具有方向性。 離子注入

4、光學(xué)玻璃材料也能夠形成光波導(dǎo)。離子注入玻璃后，注入離子形成的損傷將導(dǎo)致材料的壓緊效應(yīng)，從而造成材料局部折射率的增高。這樣就形成了光波導(dǎo)。 本文主要研究了離子注入方法在同化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰、同成分鈮酸鋰、三硼酸鉍、摻釹硅酸鹽玻璃、摻釹釩酸釔以及熔融石英等襯底材料上形成的光波導(dǎo)。利用棱鏡耦合儀測量了所制備光波導(dǎo)的暗模特性；利用端面耦合法測試了光波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布以及光波導(dǎo)的傳輸損耗，通過對光波導(dǎo)有效折射率的計(jì)算擬合得到光波導(dǎo)的折射率分

5、布；用盧瑟福背散射、溝道技術(shù)研究了近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰光波導(dǎo)中的Nb原子移位；在近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰、摻釹硅酸鹽玻璃以及摻釹釩酸釔上利用離子注入結(jié)合光刻技術(shù)形成了條形光波導(dǎo)。主要研究結(jié)果如下：鈮酸鋰晶體是一種重要的多功能光學(xué)晶體。它具有優(yōu)良的非線性光學(xué)性質(zhì)以及電光性質(zhì)，現(xiàn)已成為重要的光波導(dǎo)材料。通常我們所指鈮酸鋰晶體如非特殊說明皆為同成分鈮酸鋰(以下簡稱CLN)，由于Li離子的缺乏導(dǎo)致原位缺陷影響其光學(xué)性質(zhì)。近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰(以下簡稱SL

6、N)提高了Li/Nb比，提高了鈮酸鋰晶體的性能參數(shù)。我們利用2.8MeV的Si離子注入SLN晶體形成折射率增加型平面光波導(dǎo)，利用溝道技術(shù)研究了其損傷分布，所形成光波導(dǎo)區(qū)域Nb離子移位較少；我們利用3.0MeV，2.5MeV，2.0MeV，1.5MeV，1.0MeV，劑量為5×10<'14> ions/cm<'2>的O離子注入z切CLN樣品，利用退火的方法降低了波導(dǎo)的損耗并利用端面耦合的方法測量了波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布，利用TRIM模擬得到的

7、數(shù)值對波導(dǎo)的成因進(jìn)行了分析；我們用6.0MeV的C離子，劑量1×10<'15> ions/cm<'2>，以及3.6MeV的O離子，劑量1×10<'15>ions/cm<'2>，注入x切CLN晶體，形成了平面光波導(dǎo)，并測量了所得到波導(dǎo)的偏振特性，利用端面耦合的方法測量了所得到平面光波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布。利用端面耦合的方法測量了所得到平面光波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布；我們利用6MeV的O離子，劑量5×10<'14>ions/cm<'2>，結(jié)合光刻工藝

8、制備掩膜注入近化學(xué)劑量比的鈮酸鋰晶體形成平面以及條形光波導(dǎo)，此外我們還利用500keV的質(zhì)子注入近化學(xué)劑量比的鈮酸鋰晶體并形成了異常光折射率增加型的平面光波導(dǎo)。利用MeV的。離子以及Si離子注入鈮酸鋰晶體實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰晶體+z面的取向腐蝕。 三硼酸鉍晶體，化學(xué)通式BiB<,3>O<,6>(以下簡稱為BiBO)。是一種優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體，具有大的有效非線性光學(xué)系數(shù)，高的激光損傷閾值。且BiBO容易生長均勻性優(yōu)良的晶體，不潮解，在非

9、線性光學(xué)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。我們利用3.6MeV的O離子以及3.0MeV的C離子注入x切BiBO晶體，注入劑量從5×10<'12>ions/cm<'2>到5×10<'13>ions/cm<'2>，在n<,x>以及n<,y>方向都形成了折射率增加型的平面光波導(dǎo)，我們利用棱鏡耦合的方法測量了其暗模特性；利用RCM方法擬合了其折射率分布，并利用BPM的方法計(jì)算得到了波導(dǎo)區(qū)域的模場分布。我們的結(jié)果對于在BiBO晶體上實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)倍頻具有重要意義。

10、 基于SiO<,2>)的硅酸鹽玻璃在近紅外具有極高的透明度，它對于Nd<'3+>、Er<'3+>等稀土離子具有較高的溶解度，而且硅酸鹽玻璃具有良好的機(jī)械加工性質(zhì)以及化學(xué)穩(wěn)定性，非常適合于光波導(dǎo)材料。我們用6MeV的O離子離子注入摻釹的硅酸鹽玻璃，形成了折射率增加型的平面以及條形光波導(dǎo)。利用棱鏡耦合測量了所制備平面光波導(dǎo)的暗模特性并利用RCM擬合得到了平面光波導(dǎo)的折射率分布，利用掃描光纖法測量了平面光波導(dǎo)退火前后的傳輸損耗，此外還

11、在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中觀察到了6MeVO離子注入硅酸鹽玻璃后導(dǎo)致的體積壓緊效應(yīng)；摻釹釩酸釔是一種優(yōu)良的激光晶體，利用能量3.0 MeV的O離子，劑量為1×10<'15>ions/cm<'2>，注入Nd：YVO<,4>晶體形成條形光波導(dǎo)，利用端面耦合的方法測量了條形光波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布以及傳輸損耗，并利用光路傳輸法計(jì)算了條形光波導(dǎo)的模場分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為離子注入方法在摻釹硅酸鹽玻璃以及摻釹釩酸釔上制備波導(dǎo)激光器以及波導(dǎo)放大器提供了雛形。 熔融石

12、英廣泛應(yīng)用于光電子器件的制作，而且以熔融石英為襯底的集成光學(xué)無源器件可以非常容易的與光線耦合。我們利用2.4MeV的C離子，劑量1×10<'15>ions/cm<'2>注入熔融石英形成平面光波導(dǎo)，利用棱鏡耦合法結(jié)合不同條件的退火測量了波導(dǎo)的熱穩(wěn)定性，利用掃描光纖法測量了退火前后波導(dǎo)的傳輸損耗，利用。RCM的方法擬合得到了波導(dǎo)的折射率分布；首次利用500keV的質(zhì)子注入熔融石英形成表面折射率增加型的平面光波導(dǎo)，利用棱鏡耦合法測量了波導(dǎo)的暗