LiNbO3的光波導(dǎo)特性研究和平板光子晶體結(jié)構(gòu)的制備.pdf

1、光波導(dǎo)是集成光學(xué)器件的基礎(chǔ)，在光通信領(lǐng)域具有十分重要的用途。人們?cè)诓粩嗟奶剿餍碌牟▽?dǎo)制備方法、改進(jìn)波導(dǎo)的性能。制備光波導(dǎo)的方法常用的有擴(kuò)散、質(zhì)子交換、離子注入等。其中，離子注入作為一種制備光波導(dǎo)的有效方法，引起人們的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。離子交換具有工藝簡(jiǎn)單、傳輸損耗低等優(yōu)點(diǎn)，一直受到人們的青睞。本論文中我們采用離子注入和質(zhì)子交換兩種方法在鈮酸鋰晶體上實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　 離子注入通常被分為高能輕離子(如H、He)

2、高劑量注入和高能重離子(相對(duì)于輕離子而言的，如O、P、Si等離子)低劑量注入兩種方式。輕離子注入形成光波導(dǎo)一般采用的是Mev能量，1016ions/cm2數(shù)量級(jí)的劑量，在材料表面下幾微米的范圍內(nèi)形成光學(xué)波導(dǎo)。輕離子注入一般是在離子射程末端由核能量沉積形成一個(gè)折射率降低的光學(xué)位壘，這樣可以在光學(xué)位壘和空氣之間的夾層形成限制光傳播的波導(dǎo)區(qū)。重離子注入的劑量一般比輕離子注入低1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。重離子注入一般會(huì)在材料近表面區(qū)域形成折射率增加的波導(dǎo)

3、層，來(lái)限制光在波導(dǎo)層中傳播，對(duì)于鈮酸鋰晶體我們認(rèn)為是晶體的自發(fā)極化降低導(dǎo)致異常光折射率增加，有的情況下也同時(shí)會(huì)在離子射程末端形成一個(gè)折射率降低的位壘結(jié)構(gòu)。
　　 光子晶體是近二十年發(fā)展起來(lái)的能夠控制光的一種人工“晶體”材料。光子晶體是由兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定的周期排列起來(lái)的一種“晶體”結(jié)構(gòu)。其中，最有應(yīng)用前景的是三維光子晶體，三維光子晶體能全方位的約束光，但是直接制備相當(dāng)困難，特別是在光學(xué)晶體材料上制備三維光子晶

4、體更是一個(gè)挑戰(zhàn)。平板光子晶體具備或者基本具備三維光子晶體的特性，相對(duì)于直接制備三維光子晶體容易。平板光子晶體是指只在平面上是周期排列的結(jié)構(gòu)，在第三個(gè)方向上是利用傳統(tǒng)的全反射來(lái)限制光，這種介質(zhì)結(jié)構(gòu)仍保持光子晶體的基本性質(zhì)。由于二維平板光子晶體制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，借助發(fā)展成熟的微電子加工工藝取得了一定的進(jìn)展。
　　 光波導(dǎo)是制備集成光學(xué)器件的基本結(jié)構(gòu)，在集成光學(xué)中具有非常重要的地位。平板光子晶體在豎直方向上是利用傳統(tǒng)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)限制

5、光，但是在豎直方向上折射率差值越大對(duì)光的限制越強(qiáng)，存在帶隙的可能性越大。為了便于耦合，在平板光子晶體兩端會(huì)各有一條脊型波導(dǎo)或者條形波導(dǎo)來(lái)對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)入和導(dǎo)出。我們對(duì)離子注入的導(dǎo)入導(dǎo)出波導(dǎo)做了詳細(xì)的研究，特別是單模光波導(dǎo)。單模光波導(dǎo)相對(duì)于多模波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，具有體積小，損耗低等優(yōu)點(diǎn)。表明平板光子晶體的制備需要優(yōu)質(zhì)的折射率限制型波導(dǎo)的支持。
　　 制備平板光子晶體所需要的波導(dǎo)需要滿(mǎn)足一定的條件，首先，這種光波導(dǎo)需要是傳輸損耗低的單模波導(dǎo)，特

6、別是1550 nm通信波長(zhǎng)的單模波導(dǎo)，可以避免多模引起的波導(dǎo)高損耗；其次，光波導(dǎo)的波導(dǎo)層要足夠薄，這樣才能借助現(xiàn)有的微電子加工工藝實(shí)現(xiàn)較好的孔洞側(cè)壁，并且如果波導(dǎo)太厚還可能引入光子晶體的高階模，增加模式之間的耦合損耗。
　　 在實(shí)驗(yàn)中我們通過(guò)離子注入或者離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合的方法制備了光波導(dǎo)。為了優(yōu)化波導(dǎo)的性質(zhì)，我們對(duì)制備的波導(dǎo)進(jìn)行熱退火處理。通過(guò)棱鏡耦合、端面耦合測(cè)量了退火前后波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)。并用有限差分光束傳輸方法(FD

7、-BPM)模擬了波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布情況，與實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。折射率分布是制作波導(dǎo)的一個(gè)重要參數(shù)，由于在實(shí)驗(yàn)中我們側(cè)重于單模波導(dǎo)的制備，所以一般采用Intensity Calculation Method(ICM)來(lái)計(jì)算單模波導(dǎo)的折射率分布。傳輸損耗是波導(dǎo)是否具有實(shí)用價(jià)值的重要參數(shù)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中一般采用Fabry-Perot方法測(cè)量脊型波導(dǎo)的傳輸損耗，用Back-Reflection方法測(cè)量平面波導(dǎo)的傳輸損耗。還利用了聚焦離子束(FI

8、B)技術(shù)在傳統(tǒng)波導(dǎo)和鈮酸鋰單晶薄膜上制備了光子晶體結(jié)構(gòu)。
　　 本論文中主要采用的光學(xué)材料是同成分的鈮酸鋰和近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體。鈮酸鋰晶體被稱(chēng)為光學(xué)中的“硅”，是一種集聲光、電光、非線(xiàn)性、光彈等效應(yīng)于一體的性質(zhì)優(yōu)良的鐵電晶體，被廣泛應(yīng)用于光電子學(xué)和非線(xiàn)性光學(xué)。鈮酸鋰光波導(dǎo)作為集成光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)成分，被用來(lái)實(shí)現(xiàn)了許多光學(xué)器件，包括電光調(diào)制器、波導(dǎo)激光、光折射空間孤子、光學(xué)帶隙晶體等。通常所說(shuō)的鈮酸鋰一般是指同成分鈮酸鋰(簡(jiǎn)稱(chēng)C

9、LN)，由于Li的缺少，導(dǎo)致晶體內(nèi)存在許多本征缺陷。近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體(簡(jiǎn)稱(chēng)SLN)中Li/Nb接近1，由于缺陷的減小，提高了晶體的性能參數(shù)，如矯頑場(chǎng)減小、非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)、電光系數(shù)、光折變靈敏度、激光損傷閾值和光致折射率變化等特性都有提高。
　　 本論文的主要結(jié)果如下：
　　 1.離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合制備單模鈮酸鋰光波導(dǎo)
　　 用能量間隔為200 keV，能量范圍是600 keV到1400 keV的相同劑

10、量(1×1015ions/cm2)的氧離子注入到質(zhì)子交換的LiNbO3晶體，在633 nm和1539 nm波長(zhǎng)下均形成單模波導(dǎo)。通過(guò)以上的分析得到以下幾個(gè)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)表明O離子注入可以調(diào)制質(zhì)子交換波導(dǎo)的模式；為了觀(guān)察原子的晶格移位，用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)測(cè)量了只進(jìn)行800 keV的氧注入以及只進(jìn)行質(zhì)子交換LiNbO3的損傷譜，測(cè)量結(jié)果表明，兩者存在不同的損傷分布；利用ICM方法擬合了800 keV氧離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合制備的單模波導(dǎo)

11、在退火后的異常光折射率分布，折射率分布是典型的折射率增加勢(shì)阱加低折射率位壘的分布；最后給出理論上的解釋?zhuān)▽?dǎo)的折射率比交換后的降低了，是由于自發(fā)極化在質(zhì)子交換時(shí)急劇的降低，所以氧離子注入后分子體積的膨脹決定著折射率的降低，分子體積的膨脹是由氧離子注入過(guò)程中形成的損傷引起的。結(jié)果表明離子注入可以成功的調(diào)制質(zhì)子交換波導(dǎo)的折射率分布。
　　 以光刻膠為刻蝕掩膜用Ar離子束刻蝕技術(shù)制備了脊型波導(dǎo)。測(cè)量了模式TM00和TM10的近場(chǎng)光強(qiáng)分

12、布情況，對(duì)比模擬的模式分布，可以看出兩者存在合理的一致。脊型波導(dǎo)的傳輸損耗大約是2.2 dB/cm。以上的結(jié)果顯示在離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合制備的平面波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，用Ar離子束刻蝕制備出較好質(zhì)量的z切脊型波導(dǎo)。
　　 2.He離子注入鈮酸鋰形成單模光波導(dǎo)
　　 MeV He離子已經(jīng)被成功應(yīng)用于制備LiNbO3波導(dǎo)，但是形成的波導(dǎo)一般是多模的，這種情況下一般用擬合得到的no折射率分布與用SRIM模擬的損傷分布進(jìn)行比較。在本

13、實(shí)驗(yàn)中，利用400 keV He離子在77 K，劑量3×1016 ions/cm2，注入LiNbO3形成了單模平面波導(dǎo)。用盧瑟福背散射/溝道方法測(cè)量的損傷分布的形狀與用ICM模擬的no折射率分布的形狀有合理的相似，所以表明注入損傷是no折射率改變的主要原因。首次在實(shí)驗(yàn)上用由盧瑟福背散射/溝道技術(shù)測(cè)得的損傷分布與波導(dǎo)的折射率分布比較，而不是用由SRIM模擬得到的損傷分布。另外，用Ar離子束刻蝕的方法制備了脊型波導(dǎo)，并測(cè)量和模擬了近場(chǎng)光強(qiáng)分

14、布。脊型波導(dǎo)中ne的傳輸損耗大約為1.9 dB/cm。在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了注入損傷是引起no折射率的改變的主要原因，制備了具有重要應(yīng)用價(jià)值的x切鈮酸鋰脊型波導(dǎo)。
　　 用相同的能量、劑量、離子在室溫下注入到LiNbO3晶體同樣形成了光波導(dǎo)，在兩種條件下形成波導(dǎo)的異常光折射率增加和尋常光折射率降低的趨勢(shì)是一樣的，對(duì)于ne都是形成折射率增加的波導(dǎo)，對(duì)于no都是形成折射率減低的波導(dǎo)，但是低溫條件下，離子注入引起的折射率的改變幅度△ne和△n

15、o都比較大。從盧瑟福背散射/溝道譜中，可以看出注入?yún)^(qū)域的損傷的程度與靶的溫度有很大的關(guān)系，靶的溫度低，波導(dǎo)區(qū)域保留的損傷大。從以上的討論可以得出：損傷可以使異常光折射率增加，尋產(chǎn)光折射率隨損傷的增加而降低，且損傷與靶的溫度有關(guān)。
　　 3.雙能量氧離子注入同成分與近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體形成單模波導(dǎo)的研究
　　 用550keV和250keV的O離子注入到鈮酸鋰，劑量分別是6×1014 ions/cm2、3×1014 ion

16、s/cm2，只有在260℃，30分鐘退火后才在LiNbO3晶體上形成波導(dǎo)，在633 nm下激發(fā)出一個(gè)有效折射率增加的導(dǎo)模。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的損傷深度分布擬合了退火后波導(dǎo)的折射率分布，折射率在波導(dǎo)區(qū)是增加型的。成功地利用雙能量O離子注入LiNbO3形成了具有均勻損傷分布和均勻近場(chǎng)光強(qiáng)分布的光波導(dǎo)。退火后波導(dǎo)的傳輸損耗大約是0.5 dB/cm，具有實(shí)用價(jià)值。
　　 SLN晶體有優(yōu)異的性質(zhì)是近期的研究熱點(diǎn)。利用相同的注入條件結(jié)合光刻工藝在

17、近化學(xué)計(jì)量比的鈮酸鋰上同時(shí)制備出了平面波導(dǎo)和條形波導(dǎo)。用棱鏡耦合方法得到了退火前后波導(dǎo)的暗模特性圖，并分析了形成的原因，我們認(rèn)為是雙能量離子注入的損傷決定了異常光折射率的改變。并利用端面耦合裝置測(cè)量了SLN條形波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布。
　　 4.鈮酸鋰平板光子晶體結(jié)構(gòu)的制備
　　 在論文中我們主要研究鈮酸鋰平板光子晶體結(jié)構(gòu)的制備，一方面，平板光子晶體具有或者基本具有三維光子晶體的特性，可以用現(xiàn)有的半導(dǎo)體精細(xì)加工工藝進(jìn)行制備，

18、相對(duì)于直接制備三維光子晶體容易；另一方面，平板光子晶體可以實(shí)現(xiàn)平面集成，特別是在非線(xiàn)性光學(xué)晶體上制備的光子晶體，將會(huì)大幅度提高基于非線(xiàn)性光學(xué)晶體的光學(xué)器件的性能，導(dǎo)致下一代集成光電器件的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的集成光學(xué)。鈮酸鋰是一種具有較大的非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)，電光，壓電，聲光等系數(shù)的優(yōu)良晶體，所以在鈮酸鋰晶體上制備光子晶體對(duì)于高密度集成光學(xué)器件的發(fā)展具有重要意義。
　　 利用基于平面波展開(kāi)法的軟件計(jì)算了鈮酸鋰光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，用時(shí)