離子注入釩酸釔光波導及其平板光子晶體結構的研究.pdf

1、導波光學理論主要研究光波在介質光波導結構中的傳播，包括光波導器件的設計、制備和光波導器件之間的連接、耦合等相關知識。光波導結構是導波光學的主要研究對象之一，很多無源器件，比如光耦合器、光調(diào)制器、光電探測器等的工作原理都是建立在光波導的基礎之上的。光波導是折射率高的區(qū)域被折射率低的區(qū)域包裹的結構。光波導的制備方法很多，比如薄膜沉積、離子交換、離子擴散、離子注入、飛秒激光直寫等，我們制備光波導采用的是離子注入的方法。離子注入方法制備的光波導

2、大致分為兩種類型:一種是輕離子注入，以H和He離子為代表;另外一種是重離子注入，主要是O離子、Si離子、Cu離子等為代表。一般認為，這兩種類型的離子注入晶體材料形成的光波導的機理不同。普遍認為，輕離子注入晶體材料以后會在離子射程末端形成一個折射率降低的損傷層(位壘區(qū))，而晶體表面的折射率幾乎不發(fā)生明顯的變化，這樣在損傷層和空氣之間就可以形成波導結構;重離子注入過程中不但會在離子射程末端形成一個折射率降低的損傷層，而且由于電子能量的沉積作

3、用，在晶體表面也會形成折射率增加的區(qū)域，這樣在損傷區(qū)和空氣之間也可以形成波導結構，并且重離子注入形成的折射率增加型波導結構對光波的約束能力比輕離子注入形成的“位壘型”波導結構對光波的約束能力更強。
　　 光子晶體(PhotonicCrystals)是介電常數(shù)(折射率)呈現(xiàn)周期性排列的結構。晶體材料中，電子在周期性電勢場的作用下具有電子能帶、導帶、價帶和電子帶隙。周期性的介電常數(shù)場對光波的作用與周期性的電勢場對電子的作用類似，光子

4、晶體的概念也是類比電子晶體的概念提出的。在光子晶體中，當兩種介質的排列周期和折射率的差值滿足一定條件的時候，可以出現(xiàn)“光子帶隙”(PhotonicBandGap，也稱為光子禁帶)。頻率位于光子晶體帶隙的光波在該光子晶體結構中不能傳播，如果所有偏振態(tài)的光在各個方向上都不能傳播，此時的帶隙稱為“完全帶隙”(FullPhotonicBandGap);如果只是某種偏振態(tài)的光不能在某個方向上傳播，此時的帶隙稱為“模式帶隙”。頻率處于光子晶體帶隙的

5、光波不能在其中傳播，頻率處于帶隙以外的光波可以在其中傳播。如果我們?nèi)藶榈脑谕昝拦庾泳w結構中引入某種缺陷，就可能在原來帶隙的位置上引入一個缺陷態(tài)，頻率處于缺陷態(tài)的光就可以在這種具有缺陷的光子晶體中傳播。利用光子晶體的這個性質，我們可以改變光子晶體結構的尺寸、缺陷的尺寸和缺陷的形狀等物理參數(shù)來控制某個頻率段的光在光子晶體中的傳播。光子晶體可以制備出單色性和方向性好的單模發(fā)光二極管、低損耗的光子晶體光纖、光子晶體波導、發(fā)光效率高且零閾值的光

6、子晶體激光器、光子晶體濾波器、光子晶體分束器、適用于短波波段的光子晶體反射鏡、分辨率很高的光子晶體超棱鏡、高效率的光子晶體微波天線等，除此之外，光子晶體還可以改善太陽能電池的光電轉換效率等。
　　 制備光子晶體的方法很多，比如微機械鉆孔法、介質棒堆積法、電子束曝光法、電化學刻蝕法、自組裝方法、激光全息技術、晶片熔融法等。雖然這些方法在光子晶體的制備中取得了可喜的成果，但是這些方法制備三維光子晶體的時候存在制備效率低和精確定位難等

7、問題。這些問題的存在大大限制了三維光子晶體器件的應用。與三維光子晶體結構相比，二維的平板光子晶體結構也可以在三維空間內(nèi)對光波進行約束和限制，而且大大減小了制備的難度。二維的平板光子晶體結構把光子晶體中帶隙的約束和光波導中折射率差的約束結合起來，在波導平面內(nèi)靠帶隙對光進行約束，在與波導平面垂直的方向上靠折射率差形成的全反射原理對光進行約束。
　　 釩酸釔晶體(YVO4)是一種優(yōu)良的人工晶體。該晶體的透過波段寬(0.4～5μm)，熱

8、穩(wěn)定性高(熔點～1810℃)，機械加工性能好，雙折射性大(在633nm波長下ne-no=0.222)，可以制備成光纖隔離器、環(huán)形器、置換器、偏振光分束器等。重要的是，YVO4摻雜稀土離子以后可以做為激光器的增益介質。例如摻Nd3+以后的Nd:YVO4激光晶體具有泵浦閾值低，吸收和發(fā)射截面大，吸收譜線寬，吸收系數(shù)對溫度的變化不靈敏等優(yōu)點。
　　 以前有利用離子注入的方法在YVO4和Nd:YVO4上制備多模光波導的報道，但是多模光波

9、導存在模式色散，而且多模光波導的損耗比單模光波導的損耗大。為了避免多模光波導的缺點，我們利用He離子注入和氧離子注入的方法在釩酸釔(YVO4)和摻釹的釩酸釔(Nd:YVO4)晶體上制備了單模平面光波導結構，利用Ar離子束刻蝕技術制備了脊型光波導結構，然后利用聚焦離子束技術(FIB)在YVO4光波導的基礎上制備了Cubic和Hexagon單元的光子晶體結構，從而得到準三維的YVO4平板光子晶體結構，并研究了束流條件和結構參數(shù)對光子晶體的影

10、響。我們還嘗試利用SmartCut方法把YVO4晶體和低折射率的SiO2襯底結合在一起，從而得到折射率差較大的平面光波導結構。我們還利用平面波展開法(PWE)和時域有限差分法(FDTD)模擬了“YVO4onSiO2”結構的平板光子晶體的能帶圖和透射譜，研究了結構參數(shù)對帶隙的影響。本文的主要內(nèi)容如下:
　　 1.He離子注入YVO4制備單模光波導
　　 利用能量為400keY、500keV，劑量為3×1016ions/cm

11、2的He離子分別在室溫條件下和液氮條件下(77K)，注入z切的YVO4晶體，制備了633nm波長下的單模平面光波導結構。然后利用光刻和Ar離子束刻蝕相結合的方法在YVO4晶體上制備了脊型光波導結構。使用光強計算法(ICM)模擬了光波導在退火前后的折射率分布。運用盧瑟福背散射和溝道(RBS/C)技術研究了He離子注入YVO4產(chǎn)生的損傷情況，研究了熱退火處理對YVO4光波導中導模特性的影響。
　　 2.多能量輕離子(He離子和質子)

12、注入Nd:YVO4制備平面波導
　　 為了加寬位壘，我們利用450keY、500keV、550keY三個能量的He離子同時注入z切Nd:YVO4晶體，制備了單模平面光波導結構，測試了平面波導的暗模特性和近場光學分布。比較了Nd:YVO4晶體注入前后的透射譜、RBS/C譜、共聚焦拉曼(Raman)譜。我們還利用480keV、490keV、500keV三個能量的質子同時注入的方法，分別在x切和z切Nd:YVO4晶體上制備了平面光波導

13、結構。測試了不同切向的Nd:YVO4晶體注入前后的RBS/C譜和共聚焦Raman譜。我們發(fā)現(xiàn)，Nd:YVO4晶體的溝道產(chǎn)額與其切向有關，z切Nd:YVO4晶體的溝道產(chǎn)額明顯比x切Nd:YVO4晶體的溝道產(chǎn)額低。我們在He離子和質子注入的Nd:YVO4的波導區(qū)都發(fā)現(xiàn)了新的Raman峰，說明離子注入使得Nd:YVO4晶體的晶向發(fā)生了微小的變化，離子注入引起了晶體的部分非晶化。
　　 3.氧離子注入YVO4(Nd:YVO4)制備單模平

14、面光波導結構
　　 我們利用能量為1MeV，劑量分別為0.5×1015ions/cm2、1.0×1015ions/cm2、1.5×1015ions/cm2的氧離子分別注入x切和z切的YVO4晶體制備了633nm波長下的單模平面光波導結構。研究了注入劑量對導模有效折射率的影響。為了研究注入能量的影響，我們利用劑量為1.5×1015ions/cm2，能量分別為2MeV和3MeV的氧離子注入x切的Nd:YVO4晶體，得到了1539nm

15、波長下的單模平面光波導結構，研究了注入能量對波導暗模特性的影響。我們還比較了不同能量的氧離子注入Nd:YVO4的透射譜，我們發(fā)現(xiàn)氧離子注入以后Nd:YVO4的吸收帶邊發(fā)生了紅移，注入能量越高，紅移越明顯，且注入能量越高，透過率越低，這是因為注入能量越高，注入越深，產(chǎn)生的色心越多。
　　 4.在YVO4光波導上制備光子晶體結構
　　 利用聚焦離子束技術在YVO4光波導的基礎上制備了Cubic單元和Hexagonal單元的光

16、子晶體結構。研究了束流條件、刻蝕深度、反應氣體、周期、填充系數(shù)(占空比)對光子晶體結構的影響。我們發(fā)現(xiàn):由于Hexagon單元比Cubic單元的光子晶體的填充系數(shù)大，所以Hexagon單元的光子晶體結構更容易出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象;隨著束流的增大，刻蝕速率增加，但是刻蝕精度下降;再沉積作用使得實際的刻蝕深度總是小于預設的刻蝕深度，而且再沉積作用使得大周期光子晶體結構的孔洞底部趨于平坦，對于周期較小的光子晶體結構，再沉積作用使得預期的圓柱形孔洞

17、結構變成了圓錐形。
　　 5.嘗試利用SmartCut方法制備“YVO4onSiO2”結構。
　　 利用He離子注入YVO4，在離子的射程末端形成一個損傷層，把注入后的YVO4樣品用壓力的作用固定到SiO2上，利用熱處理過程中的熱膨脹作用把表層的YVO4晶體Bonding到SiO2上。我們使用金相顯微鏡觀察了SiO2上YVO4的表面形貌，利用原子力顯微鏡(AFM)測量了薄膜的厚度，我們還用盧瑟福背散射技術證實了SiO2上