利用刻蝕和橢偏技術(shù)研究離子注入鈮酸鋰晶體的波導(dǎo)特性.pdf

1、光波導(dǎo)是利用光在折射率不同的兩種介質(zhì)分界面上發(fā)生全反射的原理，將光波限制在微米量級(jí)的透明材料中傳輸?shù)膶?dǎo)行結(jié)構(gòu)。光波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本單元，是光波耦合器、波導(dǎo)調(diào)制器、波導(dǎo)開關(guān)等無源器件和有源器件的基礎(chǔ)，也是全光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕A(chǔ)。光波導(dǎo)以其獨(dú)特的性能、高度集成化以及規(guī)模生產(chǎn)的低成本，在各種光器件的制造中起著重要的作用。人們一直在探索有效的方法來制備性能優(yōu)良的光波導(dǎo)。常用的制備光波導(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)作

2、為一種成熟的材料表面改性技術(shù)，是制備光波導(dǎo)的有效方法，已經(jīng)在多種光學(xué)材料中成功制作了光波導(dǎo)。離子注入技術(shù)制作光波導(dǎo)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①選用的注入離子種類繁多；②離子注入的參數(shù)，包括離子種類、劑量和能量可控性好；③離子注入可以在各種溫度下進(jìn)行；④離子注入可以在材料中形成兩層或兩層以上的多層結(jié)構(gòu)，從而制備復(fù)雜光波導(dǎo)；⑤離子注入是在真空中進(jìn)行的，因而材料表面不會(huì)被污染。由于以上優(yōu)點(diǎn)，離子注入成為了最有發(fā)展前景的制備光波導(dǎo)的方法之一.迄今為止，人

3、們已經(jīng)利用離子注入技術(shù)在包括光學(xué)晶體、玻璃、半導(dǎo)體以及有機(jī)聚合物在內(nèi)的大量光學(xué)材料中形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 鈮酸鋰(LiNbO3，LN)是一種重要的光學(xué)晶體，具有以下特點(diǎn)：①優(yōu)良的電光、雙折射、非線性光學(xué)、聲光、光彈、光折變、壓電、熱釋電、鐵電與光生伏打效應(yīng)等物理特性；②機(jī)械性能穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕；③易于生長(zhǎng)大尺寸晶體、易加工、成本低；④實(shí)施不同攙雜后能呈現(xiàn)出各種各樣的特殊性能。因此LN晶體在聲表面波濾波器、光波導(dǎo)、電光調(diào)制器、倍

4、頻轉(zhuǎn)換、全息存儲(chǔ)等方面有著廣泛的應(yīng)用，是一種如硅單晶一樣不可多得的人工晶體，是至今為止人們所發(fā)現(xiàn)的光學(xué)性能最多和綜合指標(biāo)最好的晶體之一，是應(yīng)用于光電子領(lǐng)域最基本和最重要的功能材料。尤其是近年來，稀土攙雜工藝、疇工程和近化學(xué)比晶體生長(zhǎng)與加工技術(shù)的完善，使有關(guān)LN波導(dǎo)和LN光電和光子學(xué)器件的功能和性能研究急劇增加，使之有可能成為光通訊、軍事對(duì)抗、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光陀螺儀、光學(xué)遙感、激光技術(shù)等領(lǐng)域中的關(guān)鍵元器件制作的光學(xué)“硅”材料。由于鈮酸鋰晶

5、體的以上優(yōu)點(diǎn)和重要價(jià)值，它也就成為了離子注入光波導(dǎo)的首選材料。 離子注入形成的光波導(dǎo)，注入?yún)^(qū)的折射率分布決定了光波導(dǎo)中的導(dǎo)波模式等導(dǎo)波特性，波導(dǎo)中的非線性特性也與折射率分布有著重要的關(guān)系。因此，探討離子注入光波導(dǎo)中的折射率分布不但是研究光波導(dǎo)特性的基礎(chǔ)，也為離子注入光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與制備提供理論指導(dǎo)。直接測(cè)試光波導(dǎo)中的折射率分布比較困難，為了確定波導(dǎo)中的折射率分布，科學(xué)家相繼提出了一些方法，例如Wentzel、Kramers和Bri

6、llouin等人提出的WKB法以及衍生出來的iWKB法、由Fluck等人提出的PIPR(參數(shù)折射率分布重構(gòu)法)等。這些方法適用于一些特定的折射率分布，并得到了很好的應(yīng)用。但是對(duì)于離子注入所形成的光波導(dǎo)，由于光學(xué)位壘的存在，利用棱鏡耦合所測(cè)試的光波導(dǎo)的暗模存在非穩(wěn)定模式(漏模)。該漏模不是在波導(dǎo)中傳輸?shù)恼嬲龑?dǎo)模，而可能是光波在波導(dǎo)表面和光學(xué)位壘之間的多次反射的結(jié)果，因此，上述等方法并不完全適合離子注入光波導(dǎo)折射率分布的擬合。為了解決這個(gè)問

7、題，Chandler和Lama等人于1986年提出了一種反射計(jì)算法，簡(jiǎn)稱RCM，它可以較好地確定離子注入光波導(dǎo)的折射率分布。對(duì)于計(jì)算離子注入光波導(dǎo)的折射率分布，RCM法是目前研究者應(yīng)用的主要方法，但這種方法僅適用于波導(dǎo)模式比較多的情況。當(dāng)模式數(shù)比較少(少于3個(gè))時(shí)，RCM方法的誤差比較大。而且位壘下面的折射率分布，RCM無能為力。為了解決這個(gè)問題，我們提出利用刻蝕和橢偏方法來分析離子注入光波導(dǎo)的折射率分布。 刻蝕主要應(yīng)用于微細(xì)加

8、工技術(shù)中，包括微電子學(xué)、光電子學(xué)和微光學(xué)元件的制作?？涛g包括干法刻蝕和濕法刻蝕。橢圓偏振測(cè)量術(shù)起源于100多年前，是一種通過分析偏振光在待測(cè)薄膜樣品表面反射前后偏振狀態(tài)的改變來獲得薄膜材料的光學(xué)性質(zhì)和厚度的一種光學(xué)方法。該方法有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：①具有非破壞性；②測(cè)量的靈敏度和精度高；③可以同時(shí)測(cè)量到材料的光學(xué)參數(shù)和厚度n、k、d的值。 刻蝕和橢偏技術(shù)相結(jié)合確定波導(dǎo)折射率分布，就是利用刻蝕方法把波導(dǎo)層層剝離，并依次測(cè)量波導(dǎo)表面的

9、橢偏參量。通過對(duì)所有橢偏參量的分析來得到波導(dǎo)層的折射率分布。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是： (1)對(duì)折射率分布的測(cè)量更可靠。目前對(duì)離子注入晶體材料后的波導(dǎo)區(qū)的折射率分布分析主要依據(jù)RCM法，它是根據(jù)波導(dǎo)中的傳導(dǎo)模式來反演、擬合折射率分布，而橢偏法是根據(jù)橢偏參數(shù)來計(jì)算折射率分布。 (2)適用范圍更廣。對(duì)于波導(dǎo)中的模式數(shù)較少(少于3個(gè))的情況，尤其是最有應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景的單模光波導(dǎo)，RCM法無能為力。橢偏法不受波導(dǎo)模式數(shù)的限制，而且可

10、以分析折射率位壘以下區(qū)域的折射率分布。 (3)對(duì)折射率分布測(cè)量更加精確?？梢酝ㄟ^人為控制刻蝕速率，使每層剝離的厚度非常小，即把波導(dǎo)區(qū)分為任意多層測(cè)量，從而可以逐漸逼近折射率的真實(shí)分布。 本論文主要包括兩方面工作：①分析光在晶體中的傳播特性，給出分層晶體結(jié)構(gòu)的橢偏參數(shù)與折射率分布的關(guān)系，這是本文的理論基礎(chǔ)；②對(duì)離子注入波導(dǎo)進(jìn)行刻蝕和橢偏測(cè)量，測(cè)出不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橢偏參量，分析折射率分布，并根據(jù)刻蝕規(guī)律研究晶體的損傷分布特點(diǎn)。

11、 光在各向同性吸收介質(zhì)中傳播時(shí)有復(fù)折射率法和矢量傳播常數(shù)法兩種分析方法，我們對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較，并根據(jù)光在各向同性吸收介質(zhì)中傳播時(shí)的矢量傳播常數(shù)法，引入了波法線矢量傳播常數(shù)，分析了光在單軸和雙軸吸收晶體中傳播時(shí)的特性，得到了描述晶體性質(zhì)以及光傳輸性質(zhì)的物理量的表達(dá)形式，例如波法線折射率、光線折射率、吸收系數(shù)等。由這些量可以推導(dǎo)出透明晶體相應(yīng)物理量的表達(dá)形式。我們重點(diǎn)給出了水平極化光和垂直極化光在晶體分界面的反射和透射系數(shù)。對(duì)分

12、層均勻的各向同性薄膜結(jié)構(gòu)，其橢偏參數(shù)可用散射矩陣法求出。我們把離子注入晶體形成的波導(dǎo)區(qū)，視為折射率分層均勻的膜層結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)散射矩陣法計(jì)算了不同分層結(jié)構(gòu)的橢偏參量。 O2+是在LN晶體中通過離子注入形成光波導(dǎo)的常用離子。我們用單能量、雙能量以及多能量的O2+離子注入LN晶體形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究了250℃"C、30分鐘退火前后波導(dǎo)暗模有效折射率的變化，然后采用刻蝕和橢偏技術(shù)，分析了單能量和多能量的O2+離子注入LN后波導(dǎo)區(qū)的折

13、射率分布。 摻鎂LN晶體具有抗光損傷能力強(qiáng)、抗光折變性能好、雙折射性大等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛應(yīng)用于非線性光學(xué)、激光介質(zhì)、光波導(dǎo)等方面。我們把3MeV的O2+離子注入到摻鎂LN晶體中形成了光波導(dǎo)，研究了250℃、30分鐘退火前后波導(dǎo)暗模有效折射率的變化，然后采用刻蝕和橢偏技術(shù)，分析了離子注入后波導(dǎo)區(qū)的折射率分布。 C2+也是在LN晶體中形成光波導(dǎo)的常用離子，用2MeV不同劑量的C2+離子注入LN晶體形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究了250

14、℃、30分鐘退火前后波導(dǎo)暗模有效折射率的變化，然后采用刻蝕和橢偏技術(shù)，分析了小劑量C2+離子注入后波導(dǎo)區(qū)的折射率分布。離子注入晶體后會(huì)造成一定程度的晶格損傷，損傷對(duì)波導(dǎo)性能有重要影響。我們用刻蝕的方法，研究了多種能量和劑量的O2+、C2+、Si+、Ni+等離子注入LN晶體后的刻蝕規(guī)律，并據(jù)此分析了離子注入?yún)^(qū)的損傷分布。 H+離子注入后LN晶體造成的損傷比較小。我們研究了退火對(duì)H+注入LN波導(dǎo)特性的影響，以及正、負(fù)z面注入離子的晶