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离子注入光学晶体波导结构的特性研究

赵金花  
【摘要】:二十一世纪是信息技术的时代,光已经成为信息最先进、最重要的载体之一。随着多媒体和Internet业务的蓬勃发展,对通信波长容量和传输速率提出了越来越高的要求,全光通信已成为光通信领域发展的必然趋势。光集成是全光通信实现的基础,巨大的发展潜力和应用前景使集成光学受到广泛关注。现在的集成光学已经迎来了成熟阶段,已经发展为集光学、光电子学、激光、非线性光学、光通信等方面于一体的独立学科。光波导作为集成光学系统的基本元件,其性能优劣直接影响着整个系统的质量,对光波导的研究具有重要的应用价值。 离子注入作为一种重要的材料改性方法,因为其具有可控性好、对材料的选择性较少及注入温度可调等优点,已经发展成为一种相对成熟的波导制备方法。目前为止,用离子注入方法制备的光波导结构已经囊括了光学晶体、半导体、陶瓷、聚合物及各种光学玻璃等在内的各种光学材料。离子注入还可以结合各种掩膜技术实现选择性离子注入,也可以结合各种微加工方法在晶体中制备出不同用途的图形结构。作为干法刻蚀技术的一种,Ar离子束刻蚀是一种纯物理的方法,对被刻蚀材料的适用性广泛,刻蚀参数可以精确调整。离子注入及离子束刻蚀技术均具有精确地可调节性,因此用离子注入结合离子束刻蚀技术在光学晶体材料中制备光波导结构具有较高的重复性,适合规模生产,具有非常重要的研究价值。 光波导是由低折射率介质包围的高折射率介质,其实质是材料中不同区域的折射率的差异而形成的,光波导中的波导模式等波导特性及波导中的非线性特性均与介质中的折射率分布有着重要的关系。因此,探讨介质光波导中的折射率分布有着重要的意义,不但是研究光波导各种特性的基本条件,也为光波导的设计与制备提供理论指导。 用离子注入结合光刻技术及离子束刻蚀技术在光学晶体上制备了平面、条形及脊形光波导是本论文的主要内容。涉及到的光学晶体有铁电体(铌酸锉、掺钠的铌酸钙钡),优良的非线性自倍频晶体(磷酸钛氧钾),闪烁晶体(钨酸锌),激光载体材料(钕掺杂锶钆镓氧和钇镓石榴石),软铋矿晶体(钛酸铋)。我们用棱镜耦合方法测试了平面光波导的导模,用反射计算方法(reflectivity calculation method, RCM)计算了平面光波导的折射率分布。对折射率改变机理进行了一定的研究。用端面耦合的方法测试了平面、条形及脊形波导的光传输情况及传输损耗。用有限差分光束传播方法(finite difference beam propagation method, FD-BPM)模拟了波导的模场分布并将计算结果与端面耦合的实验结果进行了比较。用back-reflection(背反射)方法测试了氧离子注入铌酸锂晶体平面光波导的随机及沟道谱,计算了损伤分布。测试了部分样品的透过谱,研究了退火在减少色心方页的作用。用离子注入结合光刻工艺在铌酸锂晶体上制备了功率分离器,在器件研究方面作了初步尝试。本文的主要研究结果如下: 铌酸锂晶体(LiNbO3, LN)晶体是一种集电光、声光、光弹、非线性、光折变和激光活性等效应于一体的性质优良的光学晶体。铌酸锂晶体光波导已经应用于调制器、光开关、放大器等光子学设计的各个方面。用离子注入方法在铌酸锂晶体上制备光波导结构的研究已经相对成熟。本文中所用样品为同成分铌酸锂晶体,简称CLN。我们利用能量为:(2.2+1.8+1.6)MeV,剂量为:(3+2+1)×1014 ions/cm2的多能量氧离子注入在z切LiNbO3晶体上形成了平面及条形光波导。光刻胶周期分别为11gm和50μm,光刻胶空白区域均为5μm。利用金相显微镜观察了抛光后的条形波导端面;对条形光波导进行了端面耦合测试,得到近场光强分布及传输损耗;用有限差分光束传播方法模拟了模场分布,并与端页耦合结果进行了比较。周期为11μm波导区为5μm的波导出现耦合效应形成了阵列波导,有三个FB带。我们的结果说明调整条形波导周期可以形成阵列波导,在形成光孤子方页有重要的意义。我们用3MeV的O离子注入在铌酸锂晶体上形成了平面光波导,利用背散射方法研究了平面光波导的退火特性,平面光波导的退火温度分别为:200℃、300℃、400℃、500℃,退火时间均为30分钟,用棱镜耦合方法测试了各退火条件样品的导模,用端面耦合方法测试了各样品近场光强分布及传输损耗,测试了不同退火条件样品的背散射沟道谱(RBS/C)。 提出一种制备铌酸锂晶体脊形波导的方法:氧离子注入与Ar离子束刻蚀相结合的方法。我们用离子束溅射的方式将样品的注入层剥离掉一部分再进行RBS分析,通过这种方式我们首次得到了3MeV的O离子注入铌酸锂晶体样品产生的损伤分布。我们成功的制备出脊高度为880nm,波导区宽度为10μm的脊形光波导。用原子力显微镜及金相显微镜观测了脊形波导的表面和端面,显微镜照片表明我们制作出了侧面平滑、低粗糙度的脊形光波导;用端面耦合的方法测量了脊形光波导的光学特性,结果说明该脊形波导可以有效的限制光的传输;用Fabry-Perot resonator方法测量了脊形光波导的损耗为2dB/cm。我们这种铌酸锂晶体脊形光波导的制作方法可以用于光通信和集成光学领域的波导器件的设计。 磷酸钛氧钾(KTiOPO4, KTP)晶体是一种具有较大倍频系数的非线性光学晶体。利用能量和剂量分别为2.4MeV 1.5×1016ions/cm2的He离子注入KTP晶体,形成了双模光波导。测试了该波导的导模特性及光传输特性,结果显示在633nm波长下KTP平页光波导可以限制TE及TM偏振方向的光且均可以测到两个传输模,但是TM偏振下近场光强明显较弱,约为TE偏振方向的1/100,说明该波导在x方向较易限制光的传输。波导在x方向TEo模式的传输损耗为0.7dB/cm,这个结果说明我们制备的KTP平面光波导在实际应用方面有潜在的价值。我们用离子注入及氩离子束刻蚀相结合的方式在磷酸钛氧钾晶体上制备了平面及脊形光波导。注入离子为Si离子,能量为6MeV,剂量分别为6×1014ions/cm2。我们对平面光波导进行了一系列的退火处理,用棱镜耦合方式测量了每个退火条件下波导的导模特性,经过一定的退火处理后,平面波导可以传输633nm的激光。我们用台阶仪测量了脊形波导的高度,用端面耦合的方式测量脊形波导的近场光强分布,我们的工作为用离子注入与离子束刻蚀相结合的方式在KTP晶体上制备脊形波导提供了可行性依据。 钨酸锌(ZnWO4)晶体是重要的闪烁晶体,其具有优良的闪烁性能。我们主要研究了离子注入ZnWO4晶体平面光波导的光学性质和退火效果。我们用He离子和C离子注入的方式均形成了折射率增加的波导,增加型的波导结构可以有效限制光的传输。这种折射率分布使得平面波导以非漏的方式传输光波。我们对两种离子注入后的样品均进行了一系列(260℃-550℃)的退火处理。我们用端页耦合方法测试了波导经过一定退火处理后的近场光强分布,并与理论结果进行了比较。在633nm波长下折射率增加的最大值为△nα=0.0128。碳离子注入波导在光通信窗口(1539nm)也可以限制光的传输。吸收谱的测试结果显示注入过程对ZnWO4晶体可见光的吸收性质影响不大。连续退火处理的结果表明C离子注入的波导有较高的热稳定性。我们的实验为用离子注入方法制备ZnWO4晶体平面光波导提供可行性依据,为ZnWO4晶体在集成光学领域的应用提供一种新的思路。 掺钕的锶钆镓氧(Nd:SrGdGa3O7, Nd:SGG)和钇镓石榴石(Nd:YGa3O12, Nd:YGG)是性能优良的激光载体材料。我们用离了注入的方法制备了平页光波导结构,用棱镜及端面耦合方法测试了波导的导模特性及传输特性。用背反射方法测得碳离子注入Nd:SrGdGa3O7平面光波导的传输损耗为0.84dB/cm,有潜在的应用价值。Nd:YGG波导是“势阱+位垒”型的折射率分布,端面耦合的测试结果显示该波导可以传输633nm激光,离子注入过程没有影响Nd3+在w550nm的范围内的光吸收性质。共焦微荧光测试结果说明我们的波导制备方法几乎没有对Nd3+的荧光发射性质造成影响。我们的实验在Nd:SGG和Nd:YGG晶体上产生波导激光方面具有指导意义。 我们用能量为5MeV剂量为1×1015 ions/cm2的C离子注入掺钠的铌酸钙钡6, Na:CBN)晶体。棱镜耦合测试结果显示波导在633nm波长下寻常光折射率(no)降低、异常光折射率(ne)增加。端页耦合测试结果显示该平面光波导在633nm波长下只能传输TM偏振的光波,形成了寻常光折射率降低的位垒型光波导。寻常光方向第一个导模有效折射率与衬底折射率之差为:△neff=-0.0103。异常光方向不能形成波导的原因,与CBN晶体本身对光波的透过率有偏振选择性有关。钛酸铋(BiTi12O20, BTO)晶体属于软铋矿结构,是性能优良的光折变晶体。我们利用4.5MeV的O和550keV的He离子注入BTO晶体,均制备出了平页光波导。退火后O离子注入波导的损耗较低为1.27dB/cm.实验结果表明离子注入后的退火处理可以显著降低光波导的传输损耗。测得Ar离子束刻蚀BTO晶体的刻蚀速率为21nm/min。 我们用光刻技术结合多能氧离子注入的方式,在z切铌酸锂晶体上成功制备了1×2 Y分支功率分配器。设计的原型是传统的四分支波导,光在传输过程中一分二然后再二分四,这个设计的好处是在四个分支中光可以方便的实现均匀分配,四个分支中光强大体一致。设计参数:波导区为5μm,整个分支结构的宽度为75μm。用金相显微镜观测了分支波导端面,观测结果表明波导区的大小和整个分支波导的范围与我们设计的基本一致。用端面耦合的方式测量了分支波导的近场光强分布,在四个分支中得到了近似均匀的光功率输出,说明我们用光刻技术与离子注入技术相结合成功的制备了可以均匀分配光功率的分配器,数值计算的结果与实验结果基本相符。实验结果同时说明,我们的实验设计可以在光互连、波导开关、调制器等光子学器件制作中得到应用。


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