離子注入非線性光學(xué)晶體光波導(dǎo)折射率改變模型研究.pdf

1、集成光學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)中的重要研究內(nèi)容之一。而光波導(dǎo)器件則是集成光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。目前，常用的形成光波導(dǎo)的方法有金屬擴(kuò)散法、離子交換法、薄膜生長技術(shù)法和離子注入法。其中，離子注入技術(shù)能夠精確控制光波導(dǎo)的深度和光波導(dǎo)的折射率，能夠保留晶體的原始特性，這使得離子注入技術(shù)成為一種有效的光波導(dǎo)制作方法。離子注入光波導(dǎo)的折射率分布規(guī)律不但與離子注入種類、能量、劑量等參數(shù)有關(guān)，還與注入晶體的特性有關(guān)，形成的機(jī)理較為復(fù)雜，目前，主要通過實驗的方法

2、來確定離子注入后的折射率分布規(guī)律，這使得離子注入光波導(dǎo)技術(shù)具有較大的隨機(jī)性、不確定性，限制了該項技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。
　　 因此，研究離子注入晶體后的折射率變化模型具有重要意義。
　　 本論文研究的主要內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　 利用數(shù)值計算的方法研究了離子注入光波導(dǎo)棱鏡耦合暗模特性。
　　 根據(jù)光在棱鏡耦合系統(tǒng)中的傳播特性，從光的Maxwell波動方程出發(fā)，得到了光在棱鏡耦合法測量離子注入光波導(dǎo)中傳播的場幅值

3、關(guān)系，利用轉(zhuǎn)移矩陣加以表示，得到了光在棱鏡中的反射率表達(dá)式。給出符合實際情況的棱鏡耦合系統(tǒng)參數(shù)，并假設(shè)波導(dǎo)折射率分布后，根據(jù)光在棱鏡中的反射率表達(dá)式，利用數(shù)值計算的方法研究了不同折射率分布條件下的暗模特性曲線。研究結(jié)果表明，在暗模特性曲線中，暗模的特性由暗模幅值和暗模峰的尖銳程度來確描述，根據(jù)暗模幅值的大小和暗模峰的尖銳程度能夠判斷暗模所對應(yīng)的波導(dǎo)模式是導(dǎo)模還是輻射模，真正的、限制良好的導(dǎo)模，其暗模幅值很大，同時暗模峰也十分尖銳，稱這樣

4、的暗模具有很好的暗模特性。第0級暗模有效折射率與波導(dǎo)中波導(dǎo)層的表面折射率相關(guān)，其大小的變化趨勢能夠反映波導(dǎo)層表面折射率大小的變化趨勢，當(dāng)暗模特性很好時，能夠利用第0級暗模有效折射率來近似波導(dǎo)層的表面折射率，但當(dāng)暗模特性較差時，其有效折射率與表面折射率之間的誤差較大;相鄰暗模之間的橫向間距與波導(dǎo)層的厚度有關(guān)，橫向間距越小說明波導(dǎo)層厚度越大。襯底的變化對漏模的暗模特性影響較大。這對于利用棱鏡耦合暗模譜分析離子注入光波導(dǎo)的性質(zhì)具有指導(dǎo)意義。<

5、br>　　 建立了離子注入鈮酸鋰光波導(dǎo)折射率改變模型。
　　 總結(jié)了離子注入LiNbO3晶體后關(guān)于應(yīng)變測量的實驗結(jié)果，提出了離子注入晶體后僅存在沿著注入方向的正應(yīng)變而其它應(yīng)變值為零、應(yīng)變與晶格損傷率之間滿足線性關(guān)系的假設(shè)，以此為基礎(chǔ)，將彈光效應(yīng)考慮在內(nèi)，建立了以晶格損傷率為自變量，包含摩爾極化率摩爾體積、自發(fā)極化和彈光效應(yīng)的折射率變化綜合模型。利用已經(jīng)報道的實驗結(jié)果，對理論模型進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該模型與其它模型相比更能得到實

6、驗結(jié)果的支持。根據(jù)理論模型，研究了損傷率從0增大1時的折射率變化規(guī)律，研究了摩爾極化率摩爾體積、自發(fā)極化和彈光效應(yīng)對折射率變化量的影響。結(jié)果表明，離子注入過程中，晶格損傷率與注入劑量之間滿足Avrami公式，退火過程中，晶體損傷率與注入劑量之間滿足線性關(guān)系，即離子注入過程中的晶格損傷動力學(xué)與退火處理中的晶格恢復(fù)動力學(xué)不同。隨著損傷率的增加，尋常光折射率是單調(diào)下降的，異常光折射率先增加后減小。當(dāng)離子注入不同切向的晶體時，在相同的損傷率處，

7、折射率值不相同，即折射率變化規(guī)律還與離子注入方向有關(guān)。當(dāng)損傷率由0增加到1時，摩爾極化率摩爾體積引起的折射率改變量是線性增加的，自發(fā)極化引起的折射率改變量是單調(diào)下降的，而彈光效應(yīng)引起的折射率改變量先增加后減小，在較低損傷區(qū)域和較高損傷區(qū)域其作用可以忽略，在損傷率為50％時，其作用不可忽略，尤其是對于x切或y切晶體的異常光折射率改變量和z切的尋常光改變量，其引起的折射率改變量甚至占總改變量的15％左右。彈光效應(yīng)是折射率變化規(guī)律與離子注入方

8、向有關(guān)的根本原因。
　　 研究了高劑量低能量He離子注入KTP晶體后的相關(guān)特性。
　　 研究了300keV的He離子在4×1016、6×1016、8×1016、10×1016ions/cm2的劑量下注入到z切的KTP樣品后的棱鏡耦合暗模特性以及背散射/溝道(RBS/C)譜特性。研究了150keV的He離子在8×1016的劑量下注入到KTP樣品在不同退火溫度時的棱鏡耦合暗模特性及背散射/溝道(RBS/C)譜特性。研究結(jié)果表

9、明，在相同注入能量下，隨著注入劑量的增加，樣品中的暗模特性越來越差，樣品中第0級暗模的有效折射率逐漸減小;在相同注入劑量下，nx的暗模特性最差，ny的次之，nz的最好。根據(jù)暗模特性與折射率之間的對應(yīng)關(guān)系可知，隨著注入劑量的增加，波導(dǎo)層表面折射率逐漸減小。在相同注入劑量下，nx的值最小，ny的次之，nz的最大。300keV的He離子注入KTP后會在晶體中形成非晶層，隨著劑量的增加，樣品表面損傷是逐漸增加的。150keV、8×1016的He

10、離子注入KTP后，注入劑量達(dá)到飽和，其各向同性折射率值約為1.74。150keV的He離子(注)入KTP經(jīng)過退火處理后，隨著退火溫度的升高表面有效折射率增加，當(dāng)退火溫度到400℃后，nx和ny逐漸增加到了未注入KTP晶體的折射率，而nz卻相差很遠(yuǎn)，但是其趨勢外延結(jié)果表明，當(dāng)溫度達(dá)到800℃時nz的值非常接近未注入KTP晶體的折射率。這與離子注入過程中相同劑量下的nx、ny、nz折射率的大小關(guān)系不同，表明離子注入過程的折射率變化規(guī)律與退火

11、過程中的規(guī)律不同。RBS/C譜表明，經(jīng)過退火處理后樣品晶格得到稍微的恢復(fù)，未能消除非晶層。同時，研究了上述樣品的退火后的表面氣泡聚集情況。300keV、8×1016ions/cm2的He離子注入樣品在400℃的退火溫度退火1小時后，樣品表面形成稀疏的、最大直徑為10μm的He2氣泡，再退火后氣泡消失。150keV、8×1016ions/cm2的He離子注入的樣品退火溫度達(dá)到400℃后出現(xiàn)了氣泡集聚，但僅局限在少數(shù)幾個地方，最大直徑約為3

12、0μm，而且比300keV樣品的密集。離子其它劑量和退火溫度下未見氣泡集聚，在溫度超過800℃后晶體出現(xiàn)部分析出物，超過900℃后晶體部分分解。因此，在z切KTP中，低于8×1016ions/cm2的He離子注入不能形成有效的He2氣泡集聚。這對于晶體離子切割(CIS)技術(shù)應(yīng)用于KTP具有重要的借鑒意義。
　　 建立了離子注入磷酸鈦氧鉀光波導(dǎo)折射率改變模型。
　　 以離子注入LiNbO3晶體后的應(yīng)變分布假設(shè)為基礎(chǔ)，建立了

13、以晶格損傷率為自變量的離子注入KTP晶體后的折射率變化模型，該模型包含摩爾極化率摩爾體積、自發(fā)極化和彈光效應(yīng)對折射率改變的影響。利用最小量的一階近似展開，研究了摩爾極化率摩爾體積、自發(fā)極化和彈光效應(yīng)對折射率改變量的影響，結(jié)果表明三個因素對折射率的作用與離子注入LiNbO3晶體后折射率改變模型的相同。根據(jù)300keV不同注入劑量樣品背散射/溝道(RBS/C)譜得到了損傷提取曲線，估算了樣品表面損傷率。根據(jù)300keV不同注入劑量下的棱鏡耦

14、合暗模特性曲線，得到了樣品的表面有效折射率。將表面損傷率帶入模型公式，計算得到了理論表面折射率，結(jié)果表明，在一定的范圍內(nèi)理論表面折射率與實驗表面折射率相符合的較好。同時分析了其中可能的誤差因素。離子注入LiNbO3晶體折射率改變模型，與離子注入KTP晶體的折射率改變模型具有相同的形式，只是模型參數(shù)不同，這說明當(dāng)確定了模型參數(shù)后這種模型能夠應(yīng)用所有的光學(xué)晶體，這對于離子注入光波導(dǎo)的進(jìn)一步應(yīng)有具有重要意義。根據(jù)該模型，利用背散射/溝道(RB

15、S/C)譜得到的損傷提取曲線，研究了300keV不同劑量注入下的折射率深度分布規(guī)律，這種分布曲線不同與反射率(RCM)計算法得到曲線，是一種真實的分布曲線。結(jié)果表明:在相同的注入劑量下，隨著注入深度的增加，折射率nx、ny、nz的值逐漸減小，均在0.9μm處減小到了各向同性值1.74，形成了光學(xué)位壘，在nx、ny、nz形成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，nz中最容易形成有效的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對于同一種折射率，如nx（ny或nz或），隨著注入劑量的增加樣品表