離子注入鈮酸鋰光波導(dǎo)電光特性改變及晶格損傷分布研究.pdf

1、在信息科技繁榮發(fā)展的背景下，光通訊技術(shù)近幾年來得到了迅猛發(fā)展。光波導(dǎo)就是折射率高的區(qū)域由折射率低的區(qū)域包裹的結(jié)構(gòu)。它可以把光限制在較小的區(qū)域內(nèi)傳播以提高光密度，從而更好的利用非線性晶體的非線性性質(zhì)或者降低激光材料的泵浦閾值。光波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本單元，同時也是全光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕A(chǔ)，以其獨(dú)特的性能、高集成化以及規(guī)模生產(chǎn)的低成本，在各種光器件的制造中起著重要的作用。 離子注入技術(shù)是一種制備光波導(dǎo)的有效手段，它具有注入劑量和形成波導(dǎo)厚度

2、可精確控制、對形成光波導(dǎo)的材料和方向性限制較少以及對形成波導(dǎo)的溫度要求較低等優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，人們已經(jīng)利用離子注入技術(shù)在包括電光晶體、玻璃、半導(dǎo)體以及有機(jī)化合物在內(nèi)的大量光學(xué)材料上形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 鈮酸鋰(LiNbO3)晶體是一種集電光、聲光、光彈、非線性、光折變和激光活性等效應(yīng)于一體的性質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)晶體，是至今為止人們所發(fā)現(xiàn)的光學(xué)性能最多和綜合指標(biāo)最好的晶體之一，在表面濾波器、光通信調(diào)制器、電光開關(guān)、聲光器件、傳感器和高密度信

3、息存儲等方面有著廣泛的應(yīng)用。鈮酸鋰晶體已經(jīng)成為重要的光波導(dǎo)襯底材料，是應(yīng)用于光電子領(lǐng)域最基本和最重要的功能材料。鈮酸鋰具有突出的電光特性和較大的線性電光系數(shù)，使得鈮酸鋰光波導(dǎo)在集成光學(xué)器件中的光信號調(diào)制器，電光開關(guān)等方面有重要的應(yīng)用。 利用輕離子如He、H注入LiNbO3制備光波導(dǎo)在國際上已多有報道。對于輕離子注入，一般認(rèn)為在離子注入過程中，注入離子與靶中的電子和晶格原子發(fā)生碰撞等相互作用，能量逐漸降低，在其射程末端與晶格原子的

4、作用變強(qiáng)，對晶格結(jié)構(gòu)會造成一定程度的破環(huán)，從而在晶體內(nèi)距離表面微米量級的位置形成一個損傷層，損傷層內(nèi)的晶格部分非晶化，晶格密度降低，最終導(dǎo)致?lián)p傷層內(nèi)的折射率降低，形成光位壘。位壘層和材料表面的空氣層把光限制在它們所包裹的薄層中傳播，形成波導(dǎo)。離子注入在波導(dǎo)區(qū)引起的晶格損傷會影響鈮酸鋰的電光特性等物理性質(zhì)。研究不同注入條件引起的鈮酸鋰電光特性的改變，對于離子注入制備鈮酸鋰光波導(dǎo)在波導(dǎo)電光調(diào)制器和電光開關(guān)等方面的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

5、 一直以來，對于離子注入光波導(dǎo)，人們通常利用測量得到的波導(dǎo)導(dǎo)模的有效折射率重構(gòu)波導(dǎo)的折射率分布，對于波導(dǎo)區(qū)其他物理性質(zhì)也大都是通過測量波導(dǎo)區(qū)的總體表現(xiàn)來表征，并不了解波導(dǎo)區(qū)內(nèi)物理性質(zhì)發(fā)生變化的細(xì)節(jié)。波導(dǎo)區(qū)的物理和光學(xué)性質(zhì)之所以發(fā)生改變，是因離子注入過程使得晶體的晶格結(jié)構(gòu)遭到破環(huán)，導(dǎo)致一定程度的晶格損傷造成的。因此，研究不同注入條件在晶體中造成的晶格損傷分布，對于我們優(yōu)化波導(dǎo)的制備條件以及研究波導(dǎo)中物理性質(zhì)包括折射率的改變是非常有意義

6、的。 本論文主要包括兩個方面的工作：(1)利用500keV的H和He離子注入鈮酸鋰晶體形成平面光波導(dǎo)。基于測量結(jié)果，分析了波導(dǎo)的模式結(jié)構(gòu)及退火行為，并著重研究了不同的注入條件下波導(dǎo)的電光系數(shù)γ33的改變；(2)利用不同能量的He離子注入鈮酸鋰形成光波導(dǎo)，研究了波導(dǎo)的模式及退火行為，利用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)及一個退溝道計算的模型研究了注入引起的鈮酸鋰晶格損傷的分布及退火行為，并與SRIM模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。論文的主要結(jié)果如下：

7、 鈮酸鋰具有優(yōu)良的電光特性和較大電光系數(shù)。研究了鈮酸鋰波導(dǎo)最常用的電光系數(shù)也是鈮酸鋰最大的電光系數(shù)分量γ33隨不同條件的離子注入發(fā)生的改變。利用500keV的H離子注入鈮酸鋰，劑量為8×1016 ions/cm2和1×1017ions/cm2，利用退火處理恢復(fù)了鈮酸鋰的晶格結(jié)構(gòu)，并最終形成了異常光折射率增加型的光波導(dǎo)，研究了波導(dǎo)模式的退火行為。利用500keV的He離子注入鈮酸鋰，劑量為2×1016，3×1016，4×1016，

8、5×1016ions/cm2，注入形成良好的異常光折射率增加型的單模波導(dǎo)。發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)的有效折射率并不隨注入劑量的增加而沿同一趨勢改變。利用姜毅提出的關(guān)于鈮酸鋰折射率改變與晶格損傷程度的關(guān)系模型，分析了上種現(xiàn)象的成因。利用一種基于棱鏡耦合技術(shù)的平面光波導(dǎo)電光系數(shù)的測量方法一波導(dǎo)法，測量了H、He注入鈮酸鋰形成的波導(dǎo)的電光系數(shù)γ33，研究了電光系數(shù)的改變與注入條件的關(guān)系。結(jié)果顯示，H離子注入鈮酸鋰光波導(dǎo)的電光系數(shù)γ33基本和未注鈮酸鋰相等；H

9、e離子注入鈮酸鋰光波導(dǎo)的電光系數(shù)γ33相比于未注前大約降低了30％。 利用能量為300keV，400keV，480keV，劑量為2×1016.3×1016 ions/cm2的He離子注入鈮酸鋰，形成了異常光折射率增加型的單模波導(dǎo)，利用退火處理改善了波導(dǎo)的傳輸性能，研究了波導(dǎo)導(dǎo)模的退火行為。利用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)，測量了退火處理前后波導(dǎo)的背散射溝道譜，并與鈮酸鋰的隨機(jī)譜和未注鈮酸鋰的溝道譜做了比較，研究了溝道譜隨注入條件的改變