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离子注入与离子交换平面和条形光波导的制备及其特性研究

王亮玲  
【摘要】: 光波导作为集成光学的基本单元,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。光波导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。由于光波导的重要应用价值,人们一直在探索有效的方法来制备具有优良性能的光波导。现在常用的制备波导的方法主要有离子注入、离子交换、金属扩散和薄膜沉积等。离子注入作为一种有效的制备光波导的技术,已经取得了许多进展。离子交换具有制作工艺简单、波导损耗低等优点,一直得到广泛关注。在本论文中,我们采用离子注入和离子交换两种方法来制备光波导,研究所制备波导的性能,优化实验条件。 在离子注入形成的波导结构中,He、H轻离子注入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的区域形成波导结构,是典型的位垒型波导。轻离子注入的主要问题是形成波导的注入剂量较高,一般在~10~(16)ions/cm~2,注入成本较高。高能低剂量的重离子注入主要是利用在注入离子射程内对晶格造成扰动,导致晶体双折射性质的降低,使得注入区较低的折射率增高,其波导主要在晶体材料表面形成折射率增加的区域。重离子注入时间短,成本低,而且形成的波导没有位垒型波导的隧道效应,可以降低波导损耗,提高波导性能,因此研究高能低剂量重离子注入光学材料制备光波导不仅有重要的理论意义,而且具有潜在的应用价值。 离子交换方法是在一定条件下使要掺杂的离子与衬底材料中的特定离子进行交换,从而改变折射率形成波导。离子交换方法制作的光波导有如下优点:制作过程的工艺参数可以灵活变化;制作工艺简单,适合大规模批量生产;波导损耗低,偏振相关性小,因此研究离子交换方法制备光波导具有重要的现实意义和应用价值。 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和有源器件的基础。探讨离子注入条形光波导的制备不仅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中的应用。 目前在光通信领域中,第三通信窗口的核心波长为1.53微米,稀土离子Er~(3+)的受激跃迁发射恰恰位于这个波段,而且三价Er~(3+)具有未填满的4f电子壳层,它被已填满的5s和5p壳层所屏蔽,不易受到基质材料晶格场的影响,因而研究铒的掺杂是非常有意义的课题。 本论文主要做了三个方面的研究工作,包括:(1)离子注入制备光波导:研究MeV重离子注入KTiOPO_4和RbTiOPO_4晶体形成折射率增加型波导,导波模式、近场光强分布和折射率改变可能的产生机理。离子注入技术适用范围广,对于新型晶体材料光波导制备及其波导性质的研究特别有效,对离子注入KTa_(1-x)Nb_xO_3、Nd:CNGG和Yb:GdVO_4晶体形成的光波导进行了探讨。(2)离子注入和离子交换相结合制备KTiOPO_4平面和条形光波导:先离子交换后离子注入KTiOPO_4制备双层波导及其特性研究;离子注入对离子交换KTiOPO_4波导的导模进行调制;采用光刻胶做掩膜,结合离子注入和离子交换制备条形KTiOPO_4光波导。(3)稀土元素铒离子的掺杂:一是离子交换铒掺杂KTiOPO_4和KTiOAsO_4晶体,二是铒离子注入KTiOPO_4和KTiOAsO_4晶体,利用卢瑟福背散射技术对掺杂的样品进行了浓度和深度分析。对于以上研究工作,我们取得了一些创新性的结果。总结如下: 磷酸钛氧钾(KTiOPO_4,简称KTP)晶体是一种综合性能优良的非线性光学晶体。它有很高的非线性系数(约为KDP的15倍)、高热导率(为BNN晶体的2倍),不潮解,在900℃以下不分解,机械性能良好,晶体表面易于抛光,失配度小,适用于制作倍频器,其对1064nm的倍频效率可达约80%。该晶体可用于制作倍频、混频、电光调制、光学参量振荡和光学波导等元器件。我们利用高能重离子低剂量的方法首次在KTP晶体中形成折射率增加型的光波导,形成的波导退火后损耗小于1.0 dB/cm,具有实际应用价值。我们还利用光刻胶作为掩膜,MeV低剂量的C离子注入KTP晶体中形成了n_x和n_y方向折射率增加型的条形光波导。研究结果为重离子低剂量注入KTP晶体光波导的制备和应用提供了实验基础。 磷酸钛氧铷(RbTiOPO_4,RTP)晶体与KTP晶体性质相似,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。RTP晶体在电光器件应用方面有着很好的前景,例如高频Q开关、光调制器等,而且RTP晶体通过周期极化的方法可以实现蓝光的准相位匹配。我们利用6.0MeV的C离子注入RTP晶体形成光波导,经过一系列热退火后形成了折射率增加型平面光波导。目前国际上还没有关于折射率增加型RTP光波导的任何报道。测量了RTP波导的暗模特性、损耗、光在波导中的近场光强分布等,研究了注入剂量与折射率变化的关系,得到了RTP光波导导模随着退火条件的变化规律,这为RTP波导的制备与应用提供了参考。 钽铌酸钾(KTa_(1-x)Nb_xO_3,KTN)晶体具有良好的热释电、电光和非线性光学性质,在热释电探测器、电光调制器、电光偏转器、全息存贮等方面有良好的应用前景,吸引着人们用各种方法来制备KTN陶瓷、晶体和薄膜。KTN晶体是目前所发现的具有最大二次电光效应的晶体,同时也是最早发现具有光折变性质的几种晶体之一。目前国际上未见关于离子注入KTN晶体制备光波导的报道。我们分别采用3.0 MeV,1×10~(15)ions/cm~2的C离子和500 keV,2×10~(16)ions/cm~2的质子注入KTN晶体,在633 nm和1539 nm的波长下利用棱镜耦合法进行了导模特性研究,拟合并分析了其折射率分布,利用光束传播法(BPM)研究了传播模式的近场光强分布。研究结果为KTN晶体的光波导制备和应用提供了参考。 钕激活的钙铌镓石榴石(Nd:CNGG)晶体与Nd:YAG相比,吸收谱线大大加宽,而荧光谱线出现非均匀加宽,使得Nd:CNGG激光器表现出非均匀加宽特性。该晶体熔点低,具有无序结构,在800 nm激光二极管发射波长区有宽吸收带,因此该晶体很适合激光二极管泵浦,可做成全固态激光二极管泵浦的激光器。Yb~(3+)的能级结构简单,荧光寿命长,能有效存储能量,同时它的吸收带在900~1100nm范围内,且吸收峰较宽,能与InCaAs泵浦源有效耦合,因而很适合用作高功率固体激光增益介质的激活中心。钒酸钆(GdVO_4)晶体是一种优质激光基质材料,掺Yb~(3+)的GdVO_4晶体具有良好的热学、机械和光学性质,适合用作高功率、低量子缺陷的LD泵浦激光晶体。我们用6.0MeV的C离子分别注入Nd:CNGG晶体和Yb:GdVO_4晶体,分析了导模特性及其折射率分布,首次在Nd:CNGG晶体上形成了光学位垒型光波导和在Yb:GdVO_4晶体上形成了寻常光折射率增加型的光波导,这对于制备Nd:CNGG和Yb:GdVO_4光波导和波导激光的实现提供了实验基础。 离子注入和离子交换相结合制备KTiOPO_4平面和条形光波导方面,国际上相关报道很少。离子注入和离子交换相结合具有以下优点:(1)可以对波导的导模进行调制;(2)可以制备双层波导;(3)可以制备埋层条形光波导。所以,利用离子注入和离子交换相结合制备KTP平面和条形波导具有重要研究价值。我们先通过离子交换制备KTP波导,然后将离子注入到交换层中,从而形成双层的KTP平面波导;先将离子注入KTP晶体中形成损伤层,然后在纯RbNO_3中进行离子交换,研究了离子注入对离子交换KTP波导导模的调制作用;先采用离子交换法在KTP晶体上制备单模波导,然后利用光刻胶掩膜进行离子注入,使注入区形成非晶的损伤层,从而在光刻胶掩膜的区域形成条形光波导。在633nm波长下,我们测量了波导的暗模特性。采用端面耦合法测量了波导模式的近场光强分布。用卢瑟福背散射技术和时间飞行二次离子质谱技术研究了Rb元素和K元素在KTP晶体中的深度分布。研究结果为离子注入和离子交换相结合制备光波导及其应用提供了新的思路。 稀土元素铒离子的掺杂方面,利用离子注入的方法把铒离子掺杂到KTP和KTA晶体中,用卢瑟福背散射技术分析了Er离子在注入晶体中的射程分布。对Er离子注入的KTP晶体进行退火,Er离子在KTP晶体中退火后的深度分布不再是高斯分布,是两个峰的分布。这可能是因为注入的Er离子一部分被晶格缺陷“诱捕”在注入损伤层内,剩余的Er离子一部分向KTP晶体表面扩散,另一部分向KTP晶体更深处扩散。KTP和KTA晶体在RbNO_3和Er_2O_3的混合熔盐中进行离子交换,首次把Er离子掺杂到KTP和KTA晶体中。用卢瑟福背散射技术分析了交换后的每个样品。以上研究工作为研究掺杂铒离子的分布形状与波导模场分布是否匹配提供了参考。


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