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离子注入铌酸锂波导的退火研究

马学见  
【摘要】: 光波导是一种折射率高的区域被折射率低的区域包裹的结构,可以把光限制在狭小区域内传播以提高光密度,从而使非线性晶体可以有更好的应用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,也是全光网络传输的基础,同时在各种光器件的制造中起着重要的作用。由于其重要的应用价值,人们不断的探索有效的方法来制备性能优良的光波导。离子注入作为一种有效制备光波导的技术,引起了人们广泛的关注,迄今为止,人们已经利用这种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。 迄今为止,国际上已采用多种离子注入到光学材料形成了光波导。按照注入离子种类可分为轻离子(如H,He)注入和重离子(比H,He重的离子)注入两种:能量为几兆电子伏特(MeV)的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(高剂量轻离子模式),然而轻离子注入的一个突出缺点是形成波导的注入剂量较高,一般在~10~(16)ions/cm~2,从而大大的增加了成本,而且,有些晶体在相当高的剂量下仍难形成波导结构;在用低剂量(10~(14)ions/cm~2)重离子(如Cu,Si等)注入铌酸锂等晶体制备波导时发现不仅在射程末端有折射率降低,在晶体的某些区域还存在折射率增加的现象,并由此构成了折射率增加型的波导(低剂量重离子模式)。这种形成波导的方法与高剂量轻离子注入相比有时间短、成本低等优点。而且这种方法形成的波导没有位垒型波导的隧道效应,可极大降低波导的损耗,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。 铌酸锂(LiNbO_3)的空间群为R3c,属三方晶系,负单轴晶,点群为3m,透光范围为370nm~5200nm。它具有较高的双折射性。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。掺镁铌酸锂的结构同铌酸锂,但抗光损伤阈值比铌酸锂高1到2个数量级,拓展了铌酸锂在非线性光学领域的应用。 重离子注入铌酸锂形成折射率增加型的光波导已经成功地用多种离子在MeV能量下实现。低剂量重离子注入来形成光波导可以降低成本,更有利于离子注入光波导的商业化。本文主要研究利用重离子注入方法在铌酸锂(LiNbO_3)和掺镁铌酸锂晶体光学材料上形成光波导,通过对光波导的导波模式和退火行为的研究,优化离子注入光波导的形成条件。主要结果如下: 利用能量为3.0MeV的铜离子和碳离子分别注入铌酸锂、掺镁铌酸锂晶体中形成平面光波导,研究了不同的退火条件对波导区暗模有效折射率的影响。利用端面耦合方法研究其近场光强传播特性,利用光纤扫描方法研究波导的传输损耗情况。我们还利用SRIM2006程序模拟注入过程,研究离子注入所导致的晶体的损伤情况。 分别用3.0MeV的氦离子、硅离子共同注入铌酸锂晶体,首次将两种注入模式相结合在铌酸锂晶体上形成了双层平面光波导。我们分别在波长633nm和1539nm下测量其暗模特性,通过对波导暗模分布的分析,首次利用RCM方法拟合了波导区的折射率分布,并对波导中的折射率分布进行了分析。我们还利用端面耦合的方法研究了波导的光强传播特性,并分别采用热退火和激光退火的方法处理所形成的光波导,系统的研究了两种离子共同注入铌酸锂所形成的双层光波导的退火特性。


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