離子輻照對幾種光學(xué)材料折射率的調(diào)制及光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備.pdf

1、集成光路是高度集成化的光學(xué)系統(tǒng)，將微型光源、光開關(guān)、分支器、定向耦合器、調(diào)制器和微型探測器等元件整合到同一塊光學(xué)芯片上，以實現(xiàn)光信號的收發(fā)、傳輸和處理。相比于傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，集成光路的體積更小、重量更輕、造價更低廉、性能更穩(wěn)定。
　　光波導(dǎo)是集成光路的基本元件，由折射率較低區(qū)域環(huán)繞折射率較高區(qū)域而形成，具有可與光波長相比擬的微米或亞微米量級的尺寸和多種多樣的形態(tài)結(jié)構(gòu)。基于全反射原理，光場被封閉在波導(dǎo)中，只能沿著特定的方向傳輸。波導(dǎo)

2、區(qū)域的空間極其狹小，因而其內(nèi)部光場的功率密度容易達到很高的水平。某些基底材料原有的光學(xué)特性，諸如非線性、激光特性，在波導(dǎo)中將會有更優(yōu)異的表現(xiàn)。
　　波導(dǎo)的品質(zhì)關(guān)系到整個集成光路的性能和表現(xiàn)，因此高質(zhì)量波導(dǎo)的制備具有非同尋常的意義。
　　制備波導(dǎo)首先需要選擇合適的基底材料，這些材料需要具備良好的光學(xué)和物理、化學(xué)性質(zhì)，如高通透性、高損傷閾值、耐高溫、抗腐蝕、不易潮解。常用的材料種類包括單晶晶體、透明陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體和有機聚合物

3、。
　　其次，波導(dǎo)的制備技術(shù)必須適用于所選擇的基底材料，只有這樣才能得到理想的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。制備波導(dǎo)的原理，是在基底材料中引起折射率的變化，使波導(dǎo)區(qū)域的折射率大于周圍的環(huán)境。目前，相對成熟的制各技術(shù)有:薄膜沉積、外延生長、金屬離子擴散、離子交換、離子注入與離子輻照、脈沖激光寫入等等。
　　離子注入和離子輻照不僅適用的材料種類齊全，而且具有較強的靈活性和可控性。然而，二者形成波導(dǎo)的機理卻不盡相同。
　　一般來說，離子注入對基

4、底材料折射率的改變，主要依靠離子在射程末端與目標材料原子核發(fā)生彈性碰撞所造成的結(jié)構(gòu)性損傷。這種損傷通常會造成局部折射率下降，形成光位壘。波導(dǎo)位于位壘與樣品表面之間。
　　離子輻照所采用的離子，相對原子質(zhì)量≥6，能量≥1MeV/amu，這種情況下，入射能量主要通過離子與目標材料電子之間的非彈性碰撞沉積到材料中，引起電子損傷并導(dǎo)致材料折射率的改變。
　　本論文主要研究了離子注入和離子輻照對多種光學(xué)材料折射率的改造。通過選擇適當種

5、類、能量、劑量的離子轟擊樣品表面，形成了平面光波導(dǎo);再結(jié)合其它表面加工工藝，如飛秒激光燒蝕和金剛石切割技術(shù)，進一步得到了二維脊形波導(dǎo)和三維分支波導(dǎo)。分別表征了波導(dǎo)的導(dǎo)波特性，如傳輸模式和傳輸損耗，以及與基底材料有關(guān)的功能特性，如熒光特性、上轉(zhuǎn)換發(fā)射、非線性頻率轉(zhuǎn)化等。根據(jù)離子注入、離子輻照過程中的能量沉積情況合理地重建了波導(dǎo)中折射率的分布;模擬了光場在波導(dǎo)中的傳輸，并與測量結(jié)果作了對照。
　　探索了一種調(diào)制鈮酸鋰晶體折射率的新方法

6、，即通過氬離子輻照過程中的電子能量沉積作用在可變深度下制造光位壘。在此基礎(chǔ)上，得到了厚度不等的表面型波導(dǎo)和埋入型夾層波導(dǎo)。
　　實驗中，利用非線性晶體的二階非線性極化效應(yīng)，通過不同的相位匹配方式，包括雙折射相位匹配、非臨界相位匹配，在連續(xù)波和脈沖激光兩種機制下，實現(xiàn)了波導(dǎo)中二次諧波的有效輸出。本論文的具體內(nèi)容包括:
　　在Nd∶SLG及Nd∶SGG無序晶體表面，使用15MeV碳離子輻照結(jié)合金剛石切割處理，得到了側(cè)壁相對光滑的

7、脊型波導(dǎo)。測量了從633納米可見光到4微米中紅外波段的波導(dǎo)模式以及傳輸損耗，證明了波導(dǎo)良好的光場限制能力和出色的導(dǎo)波特性。此外，發(fā)現(xiàn)釹離子的熒光性能在波導(dǎo)中以較大程度保留了下來，為波導(dǎo)激光的產(chǎn)生提供了可能。
　　在鉺鐿共摻雜磷酸鹽玻璃表面，使用飛秒激光燒蝕結(jié)合15MeV碳離子輻照，制造了寬度不等的脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。分別測量了633和1064納米波段的模式分布和傳輸損耗;并根據(jù)碳離子輻照的情況，構(gòu)造了樣品表面的折射率分布。在980納米

8、激光的激勵下，實現(xiàn)了脊形鉺鐿共摻雜磷酸鹽玻璃波導(dǎo)中綠光和紅光的上轉(zhuǎn)換發(fā)射。
　　在磷酸氧鈦鉀(KTP)非線性光學(xué)晶體表面，使用15MeV碳離子輻照結(jié)合精密金剛石切割工藝，制造了高質(zhì)量（側(cè)壁粗糙度約為2納米）、低損耗（傳輸損耗約為ldB·cm-1）的脊形光波導(dǎo)。測量了532和1064納米波段的波導(dǎo)模式，重建了脊形波導(dǎo)的折射率分布。通過拉曼散射光譜的比對分析了碳離子輻照對KTP晶體非線性的影響。以Ⅱ類雙折射相位匹配的方式，實現(xiàn)了波導(dǎo)中

9、倍頻綠光的有效輸出。在1064納米脈沖激光泵浦下，最大二次諧波輸出功率和光轉(zhuǎn)換效率，分別達到了110.9W和12.4％。
　　在砷酸氧鈦鉀(KTA)非線性晶體中，使用15MeV氧離子注入結(jié)合飛秒激光燒蝕技術(shù)，制備了不同規(guī)格的脊型波導(dǎo)和Y分支型波導(dǎo)分束器。研究了波導(dǎo)在633和808納米波段的傳輸特性。發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)的出射光功率，隨入射光偏振方向而變化;波導(dǎo)分束器的功率分配比例，由光束入射位置所決定。經(jīng)過逐步的退火處理，波導(dǎo)的傳輸損耗顯著降