離子注入光電晶體平面光波導(dǎo)的制備和特性研究.pdf

1、光波導(dǎo)即為折射率高的區(qū)域被折射率低的區(qū)域包裹而成的結(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(shí)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和現(xiàn)代光通信領(lǐng)域中起著極其重要的作用。近年來(lái)關(guān)于波導(dǎo)激光的研究也成為一個(gè)熱點(diǎn)，而它的必經(jīng)之路就是在激光晶體上形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，研究人員一直在探索有效的

2、方法來(lái)制備性能優(yōu)良的光波導(dǎo)?，F(xiàn)在常用的制備波導(dǎo)的方法主要有擴(kuò)散、交換、薄膜沉積和離子注入等，其中離子注入技術(shù)作為一種成熟的材料表面改性技術(shù)，引起了人們廣泛的關(guān)注。迄今為止，人們已經(jīng)利用離子注入技術(shù)在包括光學(xué)晶體、玻璃、半導(dǎo)體以及有機(jī)聚合物在內(nèi)的大量光學(xué)材料中形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，取得了許多重要的進(jìn)展，因此離子注入技術(shù)已經(jīng)成為制備光波導(dǎo)的有效手段。 對(duì)于離子注入光學(xué)晶體形成的光波導(dǎo)（特別是具有明顯雙折射性質(zhì)的晶體），由于注入離子原子質(zhì)

3、量的差異，輕離子注入與重離子注入形成波導(dǎo)有著顯著的不同。輕離子注入光學(xué)晶體后，在射程的末端會(huì)因?yàn)樽⑷腚x子的沉積而形成一個(gè)折射率降低的區(qū)域而形成位壘型的光波導(dǎo)。這種波導(dǎo)主要依靠光學(xué)位壘和空氣構(gòu)成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然而輕離子注入的一個(gè)主要問(wèn)題是形成波導(dǎo)的注入劑量較高，一般在～1016ions/c㎡，從而大大的增加了成本。重離子注入則與輕離子注入不同，重離子注入晶體材料在其離子射程內(nèi)對(duì)晶格造成擾動(dòng)，導(dǎo)致晶體雙折射性質(zhì)的降低，使得注入?yún)^(qū)較低的折射率增

4、高，因此其波導(dǎo)主要依賴于材料表面形成的折射率增加層，且形成的波導(dǎo)具有方向性。另外，這種方法具有注入時(shí)間短、劑量低（～1014ions/c㎡）、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 keV離子注入是一種已經(jīng)在半導(dǎo)體摻雜中廣泛應(yīng)用了的技術(shù)，它與MeV離子注入相比有著注入束流大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而且其形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與MeV離子注入相比，有著較小的尺寸。用keV的離子注入來(lái)形成光波導(dǎo)可以降低成本，更有利于離子注入光波導(dǎo)的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 本文主要研

5、究利用離子注入方法分別在釹摻雜的鈣鈮鎵石榴石晶體（Nd：Ca3Nb1．5Ga3．5O12，Nd：CNGG）、近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰（StoichiometricLiNbO3，SLN）、鈦酸鉍（Bi12TiO20，BTO）等晶體材料上形成光波導(dǎo)，對(duì)光波導(dǎo)的導(dǎo)波模式和退火行為進(jìn)行了研究，利用端面耦合法測(cè)試了光波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，優(yōu)化離子注入光波導(dǎo)的形成條件；采用穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀對(duì)部分樣品進(jìn)行了光致發(fā)光譜（PL）的測(cè)量；利用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光

6、度計(jì)測(cè)試了部分樣品的透過(guò)譜與吸收譜；用SRIM2006程序模擬注入過(guò)程，研究離子注入所導(dǎo)致的晶體的損傷情況，對(duì)離子注入波導(dǎo)的形成機(jī)理進(jìn)行了探討。主要結(jié)果如下： 釹摻雜的鈣鈮鎵石榴石（Nd：Ca3Nb1．5Ga3．5O12，Nd：CNGG）晶體與同屬一個(gè)晶系的Nd：YAG相比，吸收譜線有大的加寬，而熒光譜線出現(xiàn)非均勻加寬，使得Nd：CNGG激光器表現(xiàn)出非均勻加寬特性。該晶體在800nm激光二極管發(fā)射波長(zhǎng)區(qū)有寬吸收帶，因此很適合激光

7、二極管泵浦，可做成全固態(tài)激光二極管泵浦的激光器。用能量為500keV、劑量為2×1016ions/c㎡的He+離子注入到Nd：CNGG晶體形成了平面光波導(dǎo)。用RCM擬合了波導(dǎo)區(qū)的折射率分布，與SRIM擬合的核能量損傷分布形狀吻合的比較好，說(shuō)明核能量損失是形成波導(dǎo)區(qū)折射率位壘的主要原因。用FS920穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀對(duì)未注入的Nd：CNGG與注入He+離子后的Nd：CNGG樣品進(jìn)行了光致發(fā)光譜（PL）的測(cè)量。另外，用同樣的方法分別對(duì)注O+、H

8、+的Nd：CNGG樣品進(jìn)行了研究。 鈮酸鋰晶體是一種重要的多功能光學(xué)晶體。它具有優(yōu)良的非線性光學(xué)性質(zhì)以及電光性質(zhì)，現(xiàn)已成為重要的集成光電子學(xué)材料。通常所指鈮酸鋰晶體如非特殊說(shuō)明都是同成分鈮酸鋰（CLN），其Li/Nb比約為48．4/51．6，由于Li離子的缺乏導(dǎo)致空位缺陷影響其光學(xué)性質(zhì)。近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰（SLN）提高了Li/Nb比，使其接近于1：1，與CLN相比提高了鈮酸鋰晶體的性能參數(shù)。用4．5MeV的O離子，劑量6×101

9、4ions/c㎡，注入z切SLN晶體，形成了平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，測(cè)量了波導(dǎo)的偏振特性，利用端面耦合的方法測(cè)量了平面光波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，利用SRIM模擬得到的數(shù)值對(duì)波導(dǎo)的成因進(jìn)行了分析與探討。 BMO（M可以為Si、Ge、Ti）晶體屬于軟鉍礦結(jié)構(gòu)，是性能優(yōu)良的光折變晶體。鈦酸鉍Bi12TiO20（BTO）晶體和它的同型晶體硅酸鉍Bi12SiO20（BSO）、鍺酸鉍Bi12GeO20（BGO）是一類很有前途的光折變材料。他們有許多相似

10、之處，都具有立方I23點(diǎn)群對(duì)稱性，都是順電相晶體，都是光學(xué)各向同性的，都具有壓電性和聲光效應(yīng)，其電光效應(yīng)系數(shù)大，光學(xué)性能優(yōu)越，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息記錄中，它們的靈敏度高，響應(yīng)速度快，都是很好的全息記錄材料。但和他們相比，BTO在許多性能上更優(yōu)越，比如：旋光度小，電光系數(shù)大，紅光區(qū)的靈敏度高，因此BTO晶體是一種很有潛力的光折變?nèi)⒂涗洸牧?。用能量?．5MeV、劑量為6×1014ions/c㎡的氧離子注入BTO晶體形成了平面光波導(dǎo)，用棱鏡耦合