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LiNbO_3的光波导特性研究和平板光子晶体结构的制备

张少梅  
【摘要】:光波导是集成光学器件的基础,在光通信领域具有十分重要的用途。人们在不断的探索新的波导制备方法、改进波导的性能。制备光波导的方法常用的有扩散、质子交换、离子注入等。其中,离子注入作为一种制备光波导的有效方法,引起人们的广泛关注,并且已经取得了重要进展。离子交换具有工艺简单、传输损耗低等优点,一直受到人们的青睐。本论文中我们采用离子注入和质子交换两种方法在铌酸锂晶体上实现光波导结构。 离子注入通常被分为高能轻离子(如H、He)高剂量注入和高能重离子(相对于轻离子而言的,如O、P、Si等离子)低剂量注入两种方式。轻离子注入形成光波导一般采用的是MeV能量,1016 ions/cm2数量级的剂量,在材料表面下几微米的范围内形成光学波导。轻离子注入一般是在离子射程末端由核能量沉积形成一个折射率降低的光学位垒,这样可以在光学位垒和空气之间的夹层形成限制光传播的波导区。重离子注入的剂量一般比轻离子注入低1-3个数量级。重离子注入一般会在材料近表面区域形成折射率增加的波导层,来限制光在波导层中传播,对于铌酸锂晶体我们认为是晶体的自发极化降低导致异常光折射率增加,有的情况下也同时会在离子射程末端形成一个折射率降低的位垒结构。 光子晶体是近二十年发展起来的能够控制光的一种人工“晶体”材料。光子晶体是由两种不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列起来的一种“晶体”结构。其中,最有应用前景的是三维光子晶体,三维光子晶体能全方位的约束光,但是直接制备相当困难,特别是在光学晶体材料上制备三维光子晶体更是一个挑战。平板光子晶体具备或者基本具备三维光子晶体的特性,相对于直接制备三维光子晶体容易。平板光子晶体是指只在平面上是周期排列的结构,在第三个方向上是利用传统的全反射来限制光,这种介质结构仍保持光子晶体的基本性质。由于二维平板光子晶体制备工艺相对简单,借助发展成熟的微电子加工工艺取得了一定的进展。 光波导是制备集成光学器件的基本结构,在集成光学中具有非常重要的地位。平板光子晶体在竖直方向上是利用传统的光波导结构来限制光,但是在竖直方向上折射率差值越大对光的限制越强,存在带隙的可能性越大。为了便于耦合,在平板光子晶体两端会各有一条脊型波导或者条形波导来对光进行导入和导出。我们对离子注入的导入导出波导做了详细的研究,特别是单模光波导。单模光波导相对于多模波导来说,具有体积小,损耗低等优点。表明平板光子晶体的制备需要优质的折射率限制型波导的支持。 制备平板光子晶体所需要的波导需要满足一定的条件,首先,这种光波导需要是传输损耗低的单模波导,特别是1550 nm通信波长的单模波导,可以避免多模引起的波导高损耗;其次,光波导的波导层要足够薄,这样才能借助现有的微电子加工工艺实现较好的孔洞侧壁,并且如果波导太厚还可能引入光子晶体的高阶模,增加模式之间的耦合损耗。 在实验中我们通过离子注入或者离子注入和质子交换相结合的方法制备了光波导。为了优化波导的性质,我们对制备的波导进行热退火处理。通过棱镜耦合、端面耦合测量了退火前后波导的光学性质。并用有限差分光束传输方法(FD-BPM)模拟了波导的近场光强分布情况,与实验图像数据进行比较。折射率分布是制作波导的一个重要参数,由于在实验中我们侧重于单模波导的制备,所以一般采用Intensity Calculation Method (ICM)来计算单模波导的折射率分布。传输损耗是波导是否具有实用价值的重要参数,我们在实验中一般采用Fabry-Perot方法测量脊型波导的传输损耗,用Back-Reflection方法测量平面波导的传输损耗。还利用了聚焦离子束(FIB)技术在传统波导和铌酸锂单晶薄膜上制备了光子晶体结构。 本论文中主要采用的光学材料是同成分的铌酸锂和近化学计量比铌酸锂晶体。铌酸锂晶体被称为光学中的“硅”,是一种集声光、电光、非线性、光弹等效应于一体的性质优良的铁电晶体,被广泛应用于光电子学和非线性光学。铌酸锂光波导作为集成光学系统的基础成分,被用来实现了许多光学器件,包括电光调制器、波导激光、光折射空间孤子、光学带隙晶体等。通常所说的铌酸锂一般是指同成分铌酸锂(简称CLN),由于Li的缺少,导致晶体内存在许多本征缺陷。近化学计量比铌酸锂晶体(简称SLN)中Li/Nb接近1,由于缺陷的减小,提高了晶体的性能参数,如矫顽场减小、非线性光学系数、电光系数、光折变灵敏度、激光损伤阈值和光致折射率变化等特性都有提高。 本论文的主要结果如下: 1.离子注入和质子交换相结合制备单模铌酸锂光波导 用能量间隔为200 keV,能量范围是600 keV到1400 keV的相同剂量(1×1015 ions/cm2)的氧离子注入到质子交换的LiNbO3晶体,在633 nm和1539 nm波长下均形成单模波导。通过以上的分析得到以下几个结论:实验表明O离子注入可以调制质子交换波导的模式;为了观察原子的晶格移位,用卢瑟福背散射/沟道技术测量了只进行800 keV的氧注入以及只进行质子交换LiNbO3的损伤谱,测量结果表明,两者存在不同的损伤分布;利用ICM方法拟合了800 keV氧离子注入和质子交换相结合制备的单模波导在退火后的异常光折射率分布,折射率分布是典型的折射率增加势阱加低折射率位垒的分布;最后给出理论上的解释,波导的折射率比交换后的降低了,是由于自发极化在质子交换时急剧的降低,所以氧离子注入后分子体积的膨胀决定着折射率的降低,分子体积的膨胀是由氧离子注入过程中形成的损伤引起的。结果表明离子注入可以成功的调制质子交换波导的折射率分布。 以光刻胶为刻蚀掩膜用Ar离子束刻蚀技术制备了脊型波导。测量了模式TM00和TM10的近场光强分布情况,对比模拟的模式分布,可以看出两者存在合理的一致。脊型波导的传输损耗大约是2.2 dB/cm.以上的结果显示在离子注入和质子交换相结合制备的平面波导的基础上,用Ar离子束刻蚀制备出较好质量的z切脊型波导。 2.He离子注入铌酸锂形成单模光波导 MeV He离子已经被成功应用于制备LiNbO3波导,但是形成的波导一般是多模的,这种情况下一般用拟合得到的no折射率分布与用SRIM模拟的损伤分布进行比较。在本实验中,利用400 keV He离子在77 K,剂量3×1016 ions/cm2,注入LiNbO3形成了单模平面波导。用卢瑟福背散射/沟道方法测量的损伤分布的形状与用ICM模拟的no折射率分布的形状有合理的相似,所以表明注入损伤是no折射率改变的主要原因。首次在实验上用由卢瑟福背散射/沟道技术测得的损伤分布与波导的折射率分布比较,而不是用由SRIM模拟得到的损伤分布。另外,用Ar离子束刻蚀的方法制备了脊型波导,并测量和模拟了近场光强分布。脊型波导中ne的传输损耗大约为1.9 dB/cm。在实验上验证了注入损伤是引起no折射率的改变的主要原因,制备了具有重要应用价值的x切铌酸锂脊型波导。 用相同的能量、剂量、离子在室温下注入到LiNbO3晶体同样形成了光波导,在两种条件下形成波导的异常光折射率增加和寻常光折射率降低的趋势是一样的,对于ne都是形成折射率增加的波导,对于no都是形成折射率减低的波导,但是低温条件下,离子注入引起的折射率的改变幅度Δne和Δno都比较大。从卢瑟福背散射/沟道谱中,可以看出注入区域的损伤的程度与靶的温度有很大的关系,靶的温度低,波导区域保留的损伤大。从以上的讨论可以得出:损伤可以使异常光折射率增加,寻产光折射率随损伤的增加而降低,且损伤与靶的温度有关。3.双能量氧离子注入同成分与近化学计量比铌酸锂晶体形成单模波导的研究 用550 keV和250 keV的O离子注入到铌酸锂,剂量分别是6×1014 ions/cm2、3×1014 ions/cm2,只有在260℃,30分钟退火后才在LiNbO3晶体上形成波导,在633 nm下激发出一个有效折射率增加的导模。根据实验测得的损伤深度分布拟合了退火后波导的折射率分布,折射率在波导区是增加型的。成功地利用双能量O离子注入LiNbO3形成了具有均匀损伤分布和均匀近场光强分布的光波导。退火后波导的传输损耗大约是0.5 dB/cm,具有实用价值。 SLN晶体有优异的性质是近期的研究热点。利用相同的注入条件结合光刻工艺在近化学计量比的铌酸锂上同时制备出了平面波导和条形波导。用棱镜耦合方法得到了退火前后波导的暗模特性图,并分析了形成的原因,我们认为是双能量离子注入的损伤决定了异常光折射率的改变。并利用端面耦合装置测量了SLN条形波导的近场光强分布。 4.铌酸锂平板光子晶体结构的制备 在论文中我们主要研究铌酸锂平板光子晶体结构的制备,一方面,平板光子晶体具有或者基本具有三维光子晶体的特性,可以用现有的半导体精细加工工艺进行制备,相对于直接制备三维光子晶体容易;另一方面,平板光子晶体可以实现平面集成,特别是在非线性光学晶体上制备的光子晶体,将会大幅度提高基于非线性光学晶体的光学器件的性能,导致下一代集成光电器件的出现,实现真正意义上的集成光学。铌酸锂是一种具有较大的非线性光学系数,电光,压电,声光等系数的优良晶体,所以在铌酸锂晶体上制备光子晶体对于高密度集成光学器件的发展具有重要意义。 利用基于平面波展开法的软件计算了铌酸锂光子晶体的能带结构,用时域有限差分方法模拟了铌酸锂平板光子晶体的透射光谱,根据得到的参数用聚焦离子束刻蚀技术在质子交换铌酸锂波导上制备了光子晶体结构。介绍了基于二氧化硅衬底的铌酸锂单晶薄膜材料(LiNbO3 On Insulator, LNOI)的应用价值和制备过程,国际上首次用聚焦离子束技术在LNOI铌酸锂单晶薄膜上(760 nm)制备了二维平板光子晶体结构和一维光子晶体微腔结构,并模拟了二维平板光子晶体的透射光谱。


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