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基于离子注入和飞秒激光烧蚀制备磁旋光玻璃波导

朱其峰  
【摘要】:光路中的反向传输光对光源和光学系统有不良影响,因此需要对反向光进行隔离。光学隔离器是一种光无源设备,在光路中仅允许光沿一个方向通过,其功能是隔离由于各种原因引起的反向传输光,从而提高光传输效率。随着光通信技术的进一步发展,人们对包括集成化和功能化在内的光隔离器性能指标也提出了更高的要求,对新一代光隔离器的研究已成为光通信系统的需求。另一方面,光波导是集成光学的基本单元。因此,结合了隔离器和光波导特性的波导隔离器逐渐成为研究热点。而波导隔离器的性能优劣取决于其波导结构的性能好坏,因此制备出性能优良的波导结构至关重要。按几何结构区分,光波导可以分为平面光波导和通道光波导。离子注入技术是一种重要的用于材料表面改性的技术,是制备波导结构的重要方法之一。其广泛的材料适用性、注入离子的能量和剂量可控、离子选择性广、无污染,迄今为止人们使用离子注入技术已经在超过100种光学材料上成功制备出光波导结构。离子注入方法一般只能制备出在一个方向上对光的传输进行限制的平面光波导结构,而通道光波导结构能够在两个维度空间上对光的传输进行限制,更有利于集成化,具有更加广阔的应用前景。如今比较常用的制备通道光波导结构的方法主要是通过将离子注入方法和飞秒激光烧蚀等微加工技术相结合,该种方法的优点是制备过程相对简单且制备出的波导结构性能优良,是一种具有广泛应用前景的制备工艺。磁旋光玻璃由于其出色的特性(高Verdet常数,优异的均匀性,高损伤阈值和较低的非线性折射率)而成为光通信系统和高功率激光系统中光隔离器和循环器中最常用的法拉第旋转材料之一。本论文选用磁旋光玻璃作为制备磁光波导的材料。本论文主要内容是利用离子注入和飞秒激光烧蚀等微加工技术在磁旋光玻璃中制备平面和通道光波导结构。通过各种光学表征实验探讨了波导的形成机理,分析了波导折射率变化的原因,研究了波导的光传输特性。研究内容为制备磁光隔离器提供了实验依据。主要工作内容如下:1. 氦离子注入磁旋光玻璃制备平面光波导采用能量为400 ke V,剂量为6.0×10~(16) ions/cm~2的He~+离子注入磁旋光玻璃样品制备平面波导结构,并对波导性能进行了光学表征。利用SRIM 2013软件模拟了氦离子注入的损伤分布,结果表明核能量损失是造成波导折射率改变的主要因素。波导的暗模特性图表明波导共激发了4个模式,且所有模式的有效折射率都小于磁旋光玻璃基质的衬底折射率,是一种典型的位垒型波导结构,能够很好的限制光的传输。2. 硅离子注入和飞秒激光烧蚀制备磁旋光玻璃平面和通道光波导采用能量为6.0 Me V、剂量为2×10~(15)ions/cm~2的硅离子注入结合飞秒激光烧蚀微加工技术在磁旋光玻璃中制备平面和通道光波导结构。重离子注入形成波导折射率改变的机制是由电子能量损失和核能量损失共同决定的。SRIM和RCM拟合结果表明波导的折射率分布是典型的“势阱”+“位垒”类型,这种类型的光波导能够很好的限制光的传输。我们分别测量和模拟了波导的近场光强分布,实验结果和理论模拟相符合。测量得出平面波导和通道波导的传播损耗分别为2.3 d B/cm和3.4 d B/cm。3. 双能量碳离子注入和飞秒激光烧蚀制备磁旋光玻璃平面和通道光波导我们通过采用能量为(6+5.5)Me V、剂量为(8+4)×10~(13) ions/cm~2的碳离子注入结合飞秒激光烧蚀微加工技术在磁旋光玻璃中制备了通道光波导结构。双能量注入能够显著增加“光学位垒”的宽度,从而大大加强波导对光的限制能力。在532 nm和976 nm波长下分别测量了波导结构的近场光强分布,结果表明通道波导结构对可见和近红外波段的光传输都有更好的限制作用。


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