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利用刻蚀和椭偏技术研究离子注入铌酸锂晶体的波导特性

刘汉平  
【摘要】: 光波导是利用光在折射率不同的两种介质分界面上发生全反射的原理,将光波限制在微米量级的透明材料中传输的导行结构。光波导是集成光学的基本单元,是光波耦合器、波导调制器、波导开关等无源器件和有源器件的基础,也是全光网络传输的基础。光波导以其独特的性能、高度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。人们一直在探索有效的方法来制备性能优良的光波导。常用的制备光波导的方法主要有扩散、交换、薄膜沉积以及离子注入等。离子注入技术作为一种成熟的材料表面改性技术,是制备光波导的有效方法,已经在多种光学材料中成功制作了光波导。离子注入技术制作光波导,具有以下优点:①选用的注入离子种类繁多;②离子注入的参数,包括离子种类、剂量和能量可控性好;③离子注入可以在各种温度下进行;④离子注入可以在材料中形成两层或两层以上的多层结构,从而制备复杂光波导;⑤离子注入是在真空中进行的,因而材料表面不会被污染。由于以上优点,离子注入成为了最有发展前景的制备光波导的方法之一。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。 铌酸锂(LiNbO_3,LN)是一种重要的光学晶体,具有以下特点:①优良的电光、双折射、非线性光学、声光、光弹、光折变、压电、热释电、铁电与光生伏打效应等物理特性;②机械性能稳定、耐高温、抗腐蚀;③易于生长大尺寸晶体、易加工、成本低;④实施不同搀杂后能呈现出各种各样的特殊性能。因此LN晶体在声表面波滤波器、光波导、电光调制器、倍频转换、全息存储等方面有着广泛的应用,是一种如硅单晶一样不可多得的人工晶体,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,是应用于光电子领域最基本和最重要的功能材料。尤其是近年来,稀土搀杂工艺、畴工程和近化学比晶体生长与加工技术的完善,使有关LN波导和LN光电和光子学器件的功能和性能研究急剧增加,使之有可能成为光通讯、军事对抗、光学数据存储、光陀螺仪、光学遥感、激光技术等领域中的关键元器件制作的光学“硅”材料。由于铌酸锂晶体的以上优点和重要价值,它也就成为了离子注入光波导的首选材料。 离子注入形成的光波导,注入区的折射率分布决定了光波导中的导波模式等导波特性,波导中的非线性特性也与折射率分布有着重要的关系。因此,探讨离子注入光波导中的折射率分布不但是研究光波导特性的基础,也为离子注入光波导的设计与制备提供理论指导。直接测试光波导中的折射率分布比较困难,为了确定波导中的折射率分布,科学家相继提出了一些方法,例如Wentzel、Kramers和Brillouin等人提出的WKB法以及衍生出来的iWKB法、由Fluck等人提出的PIPR(参数折射率分布重构法)等。这些方法适用于一些特定的折射率分布,并得到了很好的应用。但是对于离子注入所形成的光波导,由于光学位垒的存在,利用棱镜耦合所测试的光波导的暗模存在非稳定模式(漏模)。该漏模不是在波导中传输的真正导模,而可能是光波在波导表面和光学位垒之间的多次反射的结果,因此,上述等方法并不完全适合离子注入光波导折射率分布的拟合。为了解决这个问题,Chandler和Lama等人于1986年提出了一种反射计算法,简称RCM,它可以较好地确定离子注入光波导的折射率分布。对于计算离子注入光波导的折射率分布,RCM法是目前研究者应用的主要方法,但这种方法仅适用于波导模式比较多的情况。当模式数比较少(少于3个)时,RCM方法的误差比较大。而且位垒下面的折射率分布,RCM无能为力。为了解决这个问题,我们提出利用刻蚀和椭偏方法来分析离子注入光波导的折射率分布。 刻蚀主要应用于微细加工技术中,包括微电子学、光电子学和微光学元件的制作。刻蚀包括干法刻蚀和湿法刻蚀。椭圆偏振测量术起源于100多年前,是一种通过分析偏振光在待测薄膜样品表面反射前后偏振状态的改变来获得薄膜材料的光学性质和厚度的一种光学方法。该方法有以下几方面的优点:①具有非破坏性;②测量的灵敏度和精度高;③可以同时测量到材料的光学参数和厚度n、k、d的值。 刻蚀和椭偏技术相结合确定波导折射率分布,就是利用刻蚀方法把波导层层剥离,并依次测量波导表面的椭偏参量。通过对所有椭偏参量的分析来得到波导层的折射率分布。这种方法的优点是: (1)对折射率分布的测量更可靠。目前对离子注入晶体材料后的波导区的折射率分布分析主要依据RCM法,它是根据波导中的传导模式来反演、拟合折射率分布,而椭偏法是根据椭偏参数来计算折射率分布。 (2)适用范围更广。对于波导中的模式数较少(少于3个)的情况,尤其是最有应用价值和应用前景的单模光波导,RCM法无能为力。椭偏法不受波导模式数的限制,而且可以分析折射率位垒以下区域的折射率分布。 (3)对折射率分布测量更加精确。可以通过人为控制刻蚀速率,使每层剥离的厚度非常小,即把波导区分为任意多层测量,从而可以逐渐逼近折射率的真实分布。 本论文主要包括两方面工作:①分析光在晶体中的传播特性,给出分层晶体结构的椭偏参数与折射率分布的关系,这是本文的理论基础;②对离子注入波导进行刻蚀和椭偏测量,测出不同波导结构的椭偏参量,分析折射率分布,并根据刻蚀规律研究晶体的损伤分布特点。 光在各向同性吸收介质中传播时有复折射率法和矢量传播常数法两种分析方法,我们对两种方法进行了比较,并根据光在各向同性吸收介质中传播时的矢量传播常数法,引入了波法线矢量传播常数,分析了光在单轴和双轴吸收晶体中传播时的特性,得到了描述晶体性质以及光传输性质的物理量的表达形式,例如波法线折射率、光线折射率、吸收系数等。由这些量可以推导出透明晶体相应物理量的表达形式。我们重点给出了水平极化光和垂直极化光在晶体分界面的反射和透射系数。对分层均匀的各向同性薄膜结构,其椭偏参数可用散射矩阵法求出。我们把离子注入晶体形成的波导区,视为折射率分层均匀的膜层结构,然后根据散射矩阵法计算了不同分层结构的椭偏参量。 O~(2+)是在LN晶体中通过离子注入形成光波导的常用离子。我们用单能量、双能量以及多能量的O~(2+)离子注入LN晶体形成了光波导结构,研究了250℃、30分钟退火前后波导暗模有效折射率的变化,然后采用刻蚀和椭偏技术,分析了单能量和多能量的O~(2+)离子注入LN后波导区的折射率分布。 掺镁LN晶体具有抗光损伤能力强、抗光折变性能好、双折射性大等优点,从而广泛应用于非线性光学、激光介质、光波导等方面。我们把3MeV的O~(2+)离子注入到掺镁LN晶体中形成了光波导,研究了250℃、30分钟退火前后波导暗模有效折射率的变化,然后采用刻蚀和椭偏技术,分析了离子注入后波导区的折射率分布。 C~(2+)也是在LN晶体中形成光波导的常用离子,用2MeV不同剂量的C~(2+)离子注入LN晶体形成了光波导结构,研究了250℃、30分钟退火前后波导暗模有效折射率的变化,然后采用刻蚀和椭偏技术,分析了小剂量C~(2+)离子注入后波导区的折射率分布。 离子注入晶体后会造成一定程度的晶格损伤,损伤对波导性能有重要影响。我们用刻蚀的方法,研究了多种能量和剂量的O~(2+)、C~(2+)、Si~+、Ni~+等离子注入LN晶体后的刻蚀规律,并据此分析了离子注入区的损伤分布。 H~+离子注入后LN晶体造成的损伤比较小。我们研究了退火对H~+注入LN波导特性的影响,以及正、负z面注入离子的晶体经退火后的刻蚀规律。


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