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离子注入与热扩散法制备光波导的研究

宋瑱  
【摘要】: 集成光学和光通信技术已经成为当代迅猛发展的综合性技术领域。光波导作为集成光路的最基本组成单元在现代光通信领域具有十分重要的用途。它能将光波束缚在微米量级尺寸的介质中长距离无辐射的传输。采用集成光学工艺根据功能要求制成各种光波导,然后再将其与光纤或光纤阵列耦合,是目前多类光器件的研究热点。早在20世纪70年代,无论是在混合集成光路还是单片集成光路的起步阶段,为了制作波导,对各种材料及其制作方法进行了大量的尝试和评价,高分子材料光波导,玻璃光波导和铌酸锂光波导等表现出较为优越的性能。目前,集成光路还算不上是一种成熟的产品,其理论上的探讨优先于制作技术。集成光路实质具有功率密度高,体积小等优点。由于器件尺度与光波波长处于相当的数量级,这就要求在加工过程中必须采用微米量级的技术,为了制作这种微型器件,就需要有精湛的薄膜制作技术以及精细的图形加工技术。 研究人员一直致力于具有优良性能光波导的形成方法的探索。目前常用的制备波导的方法主要有离子注入,离子置换,薄膜沉积以及飞秒刻蚀等。其中离子注入按照其大致分为轻离子注入和重离子注入两种类型。对于离子注入光学晶体形成的波导,轻离子注入和重离子注入有显著的不同。轻离子一般是指氢或氦离子,目前国际上较多采用的能量为较低能量的氢离子注入到光学材料内,形成波导层厚度多为几微米。这种波导结构主要是依靠在注入离子的射程末端形成折射率降低的光位垒,使得光可以限制在样品表面和位垒之间传输。轻离子注入的特点是注入剂量较高(~10~(16)ions/cm~2左右),并且,有些晶体在相当高的剂量下仍难形成波导结构。而重离子注入剂量相对较低,可以节约成本。重离子注入晶体材料形成光波导的机制视具体材料种类而定,一般认为,重离子注入过程中会在整个射程内对晶格造成扰动,从而改变注入区折射率。因此,形成的波导主要依赖于材料表面形成的折射率增加层,且多具有方向性。 平面光波导结构简单但只能在一个方向上限制光场,用它制作的波导器件受到了一定的限制,因此就发展了条形光波导,能同时在两个方向上对光进行约束。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。近年来条形光波导的制备成为光波导研究的热点,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。 热扩散法是先将需要进行热扩散的材料淀积在衬底表面,在高温装置中使淀积材料扩散进衬底,在衬底表面附近形成一层折射率略高的扩散层的一种方法。采用热扩散法,寻常光折射率(n_o)和异常光折射率(n_e)会发生类似程度的变化,变化幅度和波导层厚度可以通过改变附着在衬底上的金属膜厚度来控制。在扩散波导层中,扩散材料沿纵深方向的浓度分布是一种非阶梯状的从大到小的平滑分布。在扩散温度和时间都固定的情况下,扩散深度不会随金属膜厚度有太大变化,但表面折射率变化会与膜厚在一定程度下成正比,扩散波导层折射率沿厚度方向一般为高斯分布。如果再对钛扩散光波导进行离子注入以部分地改变波导区的折射率,则有可能改变波导的偏振特性,为提高波导的性能提供了一种参考方法。热扩散形成波导的另外一个优点是,可以结合光刻法将金属膜制作成需要的图形,从而制作二维波导。 本文主要研究了:(1)离子注入光学材料平面光波导形成方法,对离子注入光波导热稳定性以及退火特性进行了测试;(2)条形光波导制备的尝试与研究。通过光刻的方法制作光刻胶掩膜,再通过离子注入的方法在KTA晶体上形成条形光波导,利用端面耦合分析了条形光波导的近场光学图像;(3)我们还尝试对钛扩散平面及条形光波导进行离子注入以改变其波导特性。 双轴晶体砷酸钛氧钾(KTiOAsO_4或KTA)是一种优良的倍频材料,它具有良好的二次倍频效应,较大的电光转换系数,很高的抗激光损伤阈值,激光入射允许角大和稳定的相位匹配等特性,已获得了广泛的应用。KTA晶体同KTP晶体比较有着更低的介电常数和更高的熔点。 我们用500keV剂量分别为4×10~(16)ions/cm~2和6×10~(16)ions/cm~2的氢离子注入KTA晶体,形成了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632.8nm和1539nm激光下测量了波导的暗模特性,并用RCM方法重构了波导区折射率分布。用SRIM2006程序对氢离子注入KTA晶体的过程进行了模拟,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分布。利用退火的方法研究了波导的热稳定性。 我们直接利用光刻胶作为掩膜,用500keV氢离子剂量为6×10~(16)ions/cm~2注入到KTA晶体,首次在KTA晶体中形成折射率增加型的条形光波导,利用端面耦合的方法采集了近场光强图像。 我们用低剂量MeV铜离子注入KTA晶体,形成了位垒型波导结构,对样品进行不同条件的退火,在632.8nm和1539nm波长激光下研究退火前后波导的暗模特性,并用RCM方法重构了波导区折射率分布,用SRIM2006程序模拟注入过程,讨论了波导形成的原因。 铌酸锂是一种具有优良性质的多功能光学晶体。它具有很强的电光效应,而且易于制作低损耗的薄膜波导,现已成为广泛应用的光波导衬底材料。金属热扩散法是一种有效的铌酸锂光波导的形成方法。迄今为止的实验表明,在所有可作为扩散源的金属形成的铌酸锂光波导中,钛扩散波导传输特性最好,折射率分布最为稳定,且扩散层内的晶格结构和电光特性都能得到很好的保留。 我们用电子束蒸发镀膜法在-Z切铌酸锂表面淀积20-100nm厚度的钛膜,在高温及湿氧氛围中扩散不同时间,以制作不同厚度的钛扩散平面光波导。并测量其波导特性。 我们用能量500keV的氦离子注入Ti:LiNbO_3平面及条形光波导对其近表面进行改性,对注入前后的波导进行暗模测试,对比其导波模式进行比较及定性的分析。我们对样品进行退火处理以确定其波导稳定性,并采集了注入前后的近场光强图像。


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