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离子注入与离子束刻蚀制备平面和条形光波导的研究

焦扬  
【摘要】: 光波导就是折射率高的区域由折射率低的区域包裹的结构。它可以把光限制在较小的区域传播以提高光密度,从而更好的利用非线性晶体的非线性性质或者降低激光材料的泵浦阈值。光波导是集成光学的基本单元,同时也是全光网络传输的基础,以其独特的性能、高集成化以及规模生产的低成本,在各种光器件的制造中起着重要的作用。因此,人们一直在探索有效的方法来制备性能优良的光波导。离子注入技术作为一种成熟的材料表面改性技术,引起了人们广泛的关注,迄今为止,人们已经利用离子注入技术在包括光学晶体、玻璃、半导体以及有机聚合物在内的大量光学材料中形成了光波导结构,取得了许多进展。 现在国际上多采用能量为几兆电子伏特(MeV)的轻离子(如He,H)注入到光学材料内,这种方法主要是利用在注入离子的射程末端形成一个折射率降低的光学位垒,在光学位垒和空气之间所夹的区域形成波导结构。在用重离子注入部分光学材料(如铌酸锂(LiNbO_3)、掺钕钒酸钇(Nd:YVO_4)、偏硼酸钡(BBO)、砷酸钛氧钾(KTA)等晶体)制备波导时发现不仅在射程末端有折射率降低,在某一双折射方向上还存在波导区域折射率增加的现象。用这种方法形成的波导与高剂量(10~(16)ions/cm~2)轻离子(He,H等)相比有着注入时间短、成本低(注入剂量可以降低1~3个数量级)等优点。而且这种方法形成的波导没有位垒型波导的隧道效应,可以大大降低波导的损耗,提高波导性能。因此研究重离子注入光学材料波导区折射率增加现象不仅有重要的理论意义,而且具有潜在的应用前景。 条形光波导是光波耦合器、波导调制器、波导开关以及波导激光器等无源器件和有源器件的基础。探讨离子注入条形光波导的制备不但是光波导应用研究的基础,还可以拓展核技术在光电子领域的应用。 本论文主要包括三个方面的工作:(1)MeV重离子注入RTP、Yb:GdCOB、Yb:YCOB、Nd:YCOB及CSBN系列等光学晶体上实现平面波导结构。基于实验结果,分析了离子注入光波导的波导模式及退火行为,优化了注入参数。对离子注入光学晶体材料折射率增加的形成机理进行了探讨;(2)通过光刻,利用光刻胶做掩膜,再通过离子注入的方法在KTA、掺Ce的KNSBN晶体上直接形成条形光波导,利用端面耦合分析了条形光波导的近场光学图像;(3)利用氩离子束刻蚀在LiNbO_3和熔融石英上制备了衍射光栅并在其平面波导(离子注入形成)的基础上刻蚀形成了脊形光波导,利用台阶仪和扫描电镜观察了它们的表面形貌和结构,利用光学实验设备研究了衍射光栅的光学特性及脊形光波导的光传输特性。论文主要结果如下: 三硼酸钙氧钇晶体,化学通式YCa_4O(BO_3)_3(以下简称YCOB),是一种新型非线性光学晶体,具有大的非线性光学系数,宽的透光波段,高的激光损伤阈值,而且具有一致熔融的特性,引起了人们的广泛研究兴趣。当YCOB晶体中的Y~(3+)离子部分的被Nd~(3+)或Yb~(3+)所取代后即变成Nd:YCOB或Yb:YCOB激光自倍频晶体。Er:Yb:YCOB晶体由InGaAs LD或AlGaAs LD(λ=976nm)泵浦可以获得1550nm附近的激光输出,对光通信技术具有重要的应用价值。我们首次用低剂量的MeV氧离子注入Yb:YCOB、Nd:YCOB和Er:Yb:YCOB晶体,分别实现了n_x方向折射率增加的平面波导结构。用棱镜耦合的方法分别在波长633nm和1539nm下测量了形成波导的暗模特性,折射率在波导区域增加。用RCM方法拟合了波导区域的折射率分布,用SRIM’03程序模拟了氧离子的注入过程,并结合波导特性对波导形成机制进行了讨论,我们还利用端面耦合的方法研究了波导的近场光强传播特性。研究结果对于重离子注入稀土元素掺杂YCOB晶体的光波导的制备和应用提供了实验基础。 三硼酸钙氧钆(GdCa_4O(BO_3)_3)晶体,简称GdCOB晶体,和YCOB晶体一样,也是新型三硼酸氧钙稀土(ReCa_4O(BO_3)_3)(Re=Y,Gd,Nd,Er,La,Sm等)族晶体中的一员,同样具有大的非线性光学系数,宽的透光波段,高的激光损伤阈值,是一种性能优良的非线性光学晶体。稀土元素Yb~(3+)离子荧光寿命长,不易出现浓度淬灭,其结构简单,只有基态~2F_(5/2)和激发态~2F_(7/2),量子损失低,光转换效率高,不存在激发态重吸收和上转换现象,可大大减少激光工作物质中的热效应。而且Yb~(3+)仅在980nm附近有一较宽的吸收带,这一吸收带与InGaAsLD的发射波长相匹配,因此Yb:GdCOB晶体可用InGaAsLD泵浦来发射自倍频激光输出。我们用低剂量的MeV氧、碳、硅离子注入Yb:GdCOB晶体,分别实现了平面波导结构。用3.0MeV氧离子、剂量为5×10~(13)ions/cm~2~2×10~(15)ions/cm~2,研究了注入剂量与样品表面折射率、暗模特性的关系,用棱镜耦合法研究了注入后样品退火前后的暗模特性,用RCM方法对折射率分布进行了拟合,利用SRIM'03程序模拟了注入离子的电子能量损失、核能量损失及注入离子的射程分布,端面耦合测量了所形成波导的近场光强分布。 磷酸钛氧铷(RbTiOPO_4)是一种高效的非线性光学晶体,简称RTP晶体。与KTP晶体同构,属于双轴晶体,为无对称中心的点群mm~2,空间群Pna2_1,立方晶系。RTP晶体具有良好的二次倍频效应,较大的电光转换系数,很高的激光损伤阈值。与KTP相比RTP晶体具有更大的折射率、较大的非线性和电光系数、更高的损伤阈值和电光效应。这使得RTP晶体在非线性和电光器件应用方面具有重要的意义。我们利用能量为6.0MeV和3.0MeV,剂量为2×10~(15)ions/cm~2和3×10~(15)ions/cm~2的C、O离子注入到RTP晶体中,形成了光学位类型的平面光波导。利用棱镜耦合的方法在波长633nm和1539nm下测量了注入后的暗模特性,采用RCM方法拟合了注入后波导区的折射率分布,我们还利用退火的方法研究了形成波导的热稳定性,发现经过220℃、60分钟的热退火后模式折射率有所增高,表明波导区折射率有所恢复。 铌酸钙锶钡,化学通式Ca_xSr_yBa_(1-x-y)Nb_2O_6(以下简称CSBN)晶体是属于钨青铜结构的新型晶体,四方晶系,点群为4mm,空间群为P4bm,与CBN(铌酸钙钡)、SBN(铌酸锶钡)均为同成分熔化化合物。四方晶系钨青铜结构(TTB)的铌酸盐一直是光学晶体研究的热点,因为这类晶体具有优良的电光、光折变、热电和压电效应。CSBN晶体与CBN晶体、SBN晶体类似,都属于部分填充的钨青铜结构(TTB),具有驰豫型铁电相变和较大的电光效应。目前,没有关于CSBN晶体光波导的报导。我们分别采用6.0MeV和3.0MeV的C离子注入到CSBN系列晶体(CSBN25、CSBN50、CSBN75),用棱镜耦合的方法分别在波长633nm和1539nm下测量了形成波导的暗模特性,发现异常光折射率在波导区域增加,用RCM方法拟合了波导区域的折射率分布,用端面耦合研究了波导的近场光强分布。为CSBN晶体光波导的应用提供了实验基础。 双轴晶体砷酸钛氧钾(KTiAsO_4简称KTA)是一种优良的电光、非线性晶体材料。KTA晶体同KTP晶体比较有着更大的电光系数(30%)和非线性系数(60%),而且它还有着比KTP更高的激光损伤阈值和较高的熔点。我们直接利用光刻胶作为掩膜,用3.0MeV氧离子剂量为5×10~(13)ions/cm~2注入到KTA晶体,首次在KTA晶体中形成n_x和n_y方向折射率增加型的条形光波导;铌酸锶钡钾钠(K_(0.5)Na_(0.5))_(0.2)(Sr_(0.75)Ba_(0.25))_(0.9)Nb_2O_6 or KNSBN)晶体是一种有发展前途的光折变晶体材料,可广泛地用于光信息处理、光计算和光网络系统,在室温下无相变和不退极化,我们在Ce:KNSBN晶体中用光刻胶做掩膜,通过He离子三次注入形成了条形波导阵列。结果表明,利用厚胶可以作为注入掩膜阻挡较高能量离子的注入并在材料上制备出条形光波导,利用端面耦合的方法测量了形成条形波导的近场光强分布以及损耗。我们的结果对于用离子注入法在光学晶体上制备条型光波导具有重要的意义。 铌酸锂晶体是一种集电光、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,是至今为止人们所发现的光学性能最多和综合指标最好的晶体之一。在表面滤波器、光通信调制器、电光开关、声光器件、传感器和高密度信息存储等方面有着广泛的应用,铌酸锂晶体已经成为重要的光波导材料,是应用于光电子领域最基本和最重要的功能材料。熔融石英具有良好的热学、光学和机械性能,已经广泛的应用于光电子器件的制作。它的折射率与光纤的折射率很接近,因此以熔融石英为衬底的各种集成光学无源器件可以较为方便的与光纤耦合。我们利用氩离子束刻蚀先在这两种光学材料上形成了衍射光栅;进一步结合离子注入的方法,即在离子注入形成平面波导的基础上通过刻蚀制备出了脊(条)型光波导,刻蚀过程所用的掩膜也是光刻胶,掩膜的形成采用传统的光刻技术。刻蚀后的样品,利用台阶仪和扫描电镜观察了它们的表面形貌和结构,利用光学实验设备研究了衍射光栅的光学特性及脊形光波导的光传输特性。结合离子注入与离子束刻蚀的方法来制备条形光波导具有重要的研究意义:实现了平面波导向条形波导的过渡,为离子注入光波导的实用化提供实验基础。


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