透明光學(xué)材料中的光子導(dǎo)波微結(jié)構(gòu)-制備與特性研究.pdf

1、光子微結(jié)構(gòu)是能夠控制光子運(yùn)動(dòng)的微米、亞微米量級(jí)的結(jié)構(gòu)，是目前國(guó)際上光學(xué)研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)之一，它通過人工方法在均勻的光學(xué)材料引入折射率的變化來調(diào)制光在結(jié)構(gòu)中的傳輸模式，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)的傳遞、放大、探測(cè)、傳感等，在光通信、計(jì)算和超快速信息處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在光學(xué)材料中，將多種功能的光子微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起制備具有整體功能的光子集成芯片，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的小型化、集成化。因此，制備高性能的功能光子微結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)光子集成芯片的基礎(chǔ)。

2、
　　目前，應(yīng)用于制備光子微結(jié)構(gòu)的方法主要有載能離子束注入、飛秒激光寫入、聚焦離子束刻蝕、離子交換等，運(yùn)用這些制備方法已經(jīng)在多種材料上實(shí)現(xiàn)了不同功能的光子微結(jié)構(gòu)，例如多層介質(zhì)膜、光波導(dǎo)、光學(xué)微腔、光子晶體等。多層介質(zhì)膜在一維方向上存在折射率突變，對(duì)于不同波長(zhǎng)的光通過折射率的突變以及介質(zhì)膜的厚度對(duì)光的傳輸進(jìn)行調(diào)制，對(duì)特定波長(zhǎng)的光可以增強(qiáng)透射或者反射;光波導(dǎo)是一種由低折射率區(qū)域包裹高折射率區(qū)域，光在界面上發(fā)生全反射被限制在微小區(qū)域內(nèi)傳

3、輸?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu);光子晶體是一種人造的具有光子帶隙特性的結(jié)構(gòu)，它通過人工的引入周期性的折射率變化對(duì)光在結(jié)構(gòu)中的傳輸進(jìn)行調(diào)制;光學(xué)微腔是一種尺寸在微米或者亞微米量級(jí)的光學(xué)諧振腔，它利用在不均勻界面上光傳播的反射、散射或衍射等效應(yīng)，將光長(zhǎng)時(shí)間限制在特定空間內(nèi)傳輸?shù)奈⑿∑骷?br>　　載能離子束注入是一種成熟的材料表面改性技術(shù)，其主要依靠載能離子與材料的相互作用在襯底材料中沉積能量，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起折射率改變。該技術(shù)已經(jīng)成功的在

4、多種光學(xué)材料中制備了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，例如玻璃、單晶、多晶陶瓷、聚合物、半導(dǎo)體材料等。此外，利用聚焦的載能離子束寫入光學(xué)材料可以實(shí)現(xiàn)材料折射率的微區(qū)改變，從而可以省去復(fù)雜的光刻、掩膜工藝，制備的通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性也比較高;飛秒激光寫入采用高光密度的近紅外飛秒脈沖激光與透明光學(xué)材料相互作用，產(chǎn)生非線性吸收改變透明光學(xué)材料的結(jié)構(gòu)，引起材料的折射率變化，該技術(shù)適用于大部分透明光學(xué)材料，折射率變化形式根據(jù)寫入條件和材料性質(zhì)的不同主要分為兩種:一種

5、是在飛秒脈沖激光寫入?yún)^(qū)域折射率降低，人們通常寫入兩條飛秒燒蝕痕跡，痕跡包裹的區(qū)域形成通道光波導(dǎo)，另一種是在飛秒激光寫入?yún)^(qū)域折射率增加，在燒蝕區(qū)域形成對(duì)稱性較高的通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu);聚焦離子束刻蝕技術(shù)是將高能帶電離子聚焦到樣品加工區(qū)域，通過高能帶電離子的動(dòng)能對(duì)樣品加工區(qū)域進(jìn)行轟擊，將樣品表面的原子從樣品表面分離出去，達(dá)到對(duì)樣品進(jìn)行加工的目的，該技術(shù)適用于各種材料，是加工光學(xué)微腔以及光子晶體等光子微結(jié)構(gòu)的有效手段，與載能離子束注入等材料改性技術(shù)

6、相結(jié)合，可以制備出功能更加復(fù)雜多樣的光子微結(jié)構(gòu);離子交換借助于離子置換反應(yīng)將樣品中的離子與溶液中的離子進(jìn)行交換，從而在樣品表面形成一層高折射率的區(qū)域，從而形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　光子微結(jié)構(gòu)依靠折射率的變化對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，因此樣品制備方法對(duì)材料折射率的精確改變至關(guān)重要，這直接影響到光子微結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，所以研究光子微結(jié)構(gòu)的制備及其導(dǎo)波特性具有重要的意義。
　　本文主要研究了透明光學(xué)材料中波導(dǎo)、光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的制備方法和特性，

7、利用飛秒激光寫入在ZnS、Nd∶YAG、KTP晶體中制備雙線型或包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用載能離子輻照技術(shù)結(jié)合金剛石刀精密切割技術(shù)在ZnS晶體中制備脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用聚焦質(zhì)子束寫入技術(shù)在GLS玻璃中制備通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使用端面耦合裝置測(cè)試在不同波長(zhǎng)條件下光在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳輸模式以及傳輸損耗，通過測(cè)量波導(dǎo)的數(shù)值孔徑獲得波導(dǎo)的最大折射率變化，進(jìn)行波導(dǎo)區(qū)域的折射率重構(gòu)，并使用有限差分光束傳播方法(FiniteDifferenceBeamPropa

8、gationMethod，F(xiàn)D-BPM)對(duì)波導(dǎo)的傳輸模式進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比;利用載能離子束注入技術(shù)結(jié)合聚焦離子束刻蝕技術(shù)在Nd∶YAG晶體中制備了光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，使用棱鏡耦合裝置對(duì)離子注入層的暗模特性進(jìn)行分析，利用Rsoft軟件中的BandSOLVE1.3模塊來計(jì)算光子晶體結(jié)構(gòu)的帶隙情況，使用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)測(cè)量該光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，使用共聚焦顯微鏡對(duì)結(jié)構(gòu)區(qū)域的熒光性質(zhì)進(jìn)行分析。
　　主

9、要結(jié)果如下:
　　硫化鋅(ZnS)是一種性能優(yōu)良的中紅外光學(xué)晶體，其機(jī)械性能優(yōu)良，不易潮解，化學(xué)穩(wěn)定性良好。使用飛秒激光寫入技術(shù)在ZnS晶體上制備了雙線型通道光波導(dǎo)，在632.8nm波長(zhǎng)下，對(duì)不同制備參數(shù)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)波模式分析和損耗對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了各制備條件對(duì)波導(dǎo)導(dǎo)波特性的影響情況，獲得了優(yōu)化飛秒激光寫入波導(dǎo)質(zhì)量的途徑;利用飛秒激光寫入技術(shù)在ZnS晶體中制備了不同尺寸的圓形包層光波導(dǎo)，在中紅外波長(zhǎng)下(～4μm)測(cè)試其導(dǎo)波特性，其中

10、在直徑～50μm的包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中以單模模式傳輸，通過測(cè)量該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的數(shù)值孔徑獲得波導(dǎo)區(qū)域的最大折射率差，重構(gòu)其折射率分布，并使用FD-BPM對(duì)該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸模式進(jìn)行模擬計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，測(cè)得的包層光波導(dǎo)的傳輸損耗最小為～1.1dB/cm;使用載能碳離子輻照ZnS晶體表面形成平面光波導(dǎo)，結(jié)合金剛石刀精密切割技術(shù)對(duì)樣品表面進(jìn)行切割，在平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上制備了寬度為～30和～45μm脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在632.8nm波長(zhǎng)下對(duì)脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

11、的傳輸模式進(jìn)行分析，并測(cè)量了波導(dǎo)的傳輸損耗。
　　釔鋁石榴石（Y3Al5O12或YAG）晶體是一種機(jī)械性能和透光性質(zhì)優(yōu)異的光學(xué)材料，使用飛秒脈沖激光寫入技術(shù)在YAG晶體中制備了圓形包層光波導(dǎo)，利用端面耦合裝置測(cè)試了在中紅外波長(zhǎng)(～4μm)條件下波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸模式，通過測(cè)量波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的數(shù)值孔徑獲得波導(dǎo)區(qū)域的最大折射率改變，重構(gòu)其折射率分布，使用FD-BPM計(jì)算獲得其傳輸模式，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，測(cè)量了在TE和TM偏振下該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸

12、損耗，最小為～0.7dB/cm。
　　摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)晶體保留了釔鋁石榴石晶體的優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)，同時(shí)也是一種性能優(yōu)良的激光晶體。使用載能離子束注入技術(shù)在Nd∶YAG晶體形成平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使用棱鏡耦合裝置測(cè)試其暗模特性，利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)對(duì)波導(dǎo)層進(jìn)行加工制備了光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，使用SNOM測(cè)試該結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，532nm的光在結(jié)構(gòu)中心缺陷處近場(chǎng)光強(qiáng)獲得了增強(qiáng)，～30％，這表明該結(jié)構(gòu)可以將532nm的光限制在結(jié)構(gòu)

13、中心缺陷處傳輸，532nm波長(zhǎng)位于光子晶體帶隙波長(zhǎng)范圍中，同時(shí)也表明了該結(jié)構(gòu)可以限制波長(zhǎng)為1064nm（532nm的一階帶隙波長(zhǎng)）的光的傳輸，使用共聚焦熒光顯微鏡測(cè)量了該結(jié)構(gòu)區(qū)域的熒光強(qiáng)度分布，獲得了～5％的不在帶隙波長(zhǎng)范圍內(nèi)的938nm的熒光增強(qiáng)，這是由于1064nm和938nm熒光發(fā)射峰都是由Nd3+的亞穩(wěn)態(tài)電子能級(jí)4F3/2產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該光子晶體微腔結(jié)構(gòu)可以用于降低波導(dǎo)激光閾值，增大波導(dǎo)激光輸出功率，提高波導(dǎo)激光的效率。<

14、br>　　磷酸鈦氧鉀（KTiOPO4或KTP）晶體是一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體，其非線性系數(shù)大、熱導(dǎo)率大，不吸潮、不潮解，透明范圍較大，機(jī)械性能良好。使用飛秒激光寫入技術(shù)在KTP晶體中制備了不同尺寸的半圓形包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用端面耦合裝置測(cè)試了TE和TM偏振的中紅外波長(zhǎng)～4μm激光在半圓形包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳輸模式，為單模或者多模傳輸，并測(cè)量了該包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸損耗，最小為～0.4dB/cm。
　　硫化鎵鑭（GaLaS或GL

15、S）玻璃是一種新型的具有優(yōu)異光學(xué)性能的硫族化物半導(dǎo)體材料，在紅外波段具有很高的透過率，具有較高的折射率，物理、化學(xué)性質(zhì)以及機(jī)械性能優(yōu)良。利用聚焦質(zhì)子束寫入技術(shù)在GLS玻璃中制備了不同注入條件的通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，測(cè)試了635nm、1064nm、1310nm以及1550nm的光在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳輸模式及導(dǎo)波特性，并測(cè)量了不同劑量下各個(gè)波長(zhǎng)的光在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳輸損耗;通過測(cè)量波導(dǎo)的數(shù)值孔徑獲得了波導(dǎo)區(qū)域的最大折射率差，并重構(gòu)了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)區(qū)域的折射率