利用刻蝕和橢偏技術研究離子注入鈮酸鋰晶體的波導特性.pdf

1、光波導是利用光在折射率不同的兩種介質(zhì)分界面上發(fā)生全反射的原理，將光波限制在微米量級的透明材料中傳輸?shù)膶薪Y構。光波導是集成光學的基本單元，是光波耦合器、波導調(diào)制器、波導開關等無源器件和有源器件的基礎，也是全光網(wǎng)絡傳輸?shù)幕A。光波導以其獨特的性能、高度集成化以及規(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。人們一直在探索有效的方法來制備性能優(yōu)良的光波導。常用的制備光波導的方法主要有擴散、交換、薄膜沉積以及離子注入等。離子注入技術作

2、為一種成熟的材料表面改性技術，是制備光波導的有效方法，已經(jīng)在多種光學材料中成功制作了光波導。離子注入技術制作光波導，具有以下優(yōu)點：①選用的注入離子種類繁多；②離子注入的參數(shù)，包括離子種類、劑量和能量可控性好；③離子注入可以在各種溫度下進行；④離子注入可以在材料中形成兩層或兩層以上的多層結構，從而制備復雜光波導；⑤離子注入是在真空中進行的，因而材料表面不會被污染。由于以上優(yōu)點，離子注入成為了最有發(fā)展前景的制備光波導的方法之一.迄今為止，人

3、們已經(jīng)利用離子注入技術在包括光學晶體、玻璃、半導體以及有機聚合物在內(nèi)的大量光學材料中形成了光波導結構。 鈮酸鋰(LiNbO3，LN)是一種重要的光學晶體，具有以下特點：①優(yōu)良的電光、雙折射、非線性光學、聲光、光彈、光折變、壓電、熱釋電、鐵電與光生伏打效應等物理特性；②機械性能穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕；③易于生長大尺寸晶體、易加工、成本低；④實施不同攙雜后能呈現(xiàn)出各種各樣的特殊性能。因此LN晶體在聲表面波濾波器、光波導、電光調(diào)制器、倍

4、頻轉換、全息存儲等方面有著廣泛的應用，是一種如硅單晶一樣不可多得的人工晶體，是至今為止人們所發(fā)現(xiàn)的光學性能最多和綜合指標最好的晶體之一，是應用于光電子領域最基本和最重要的功能材料。尤其是近年來，稀土攙雜工藝、疇工程和近化學比晶體生長與加工技術的完善，使有關LN波導和LN光電和光子學器件的功能和性能研究急劇增加，使之有可能成為光通訊、軍事對抗、光學數(shù)據(jù)存儲、光陀螺儀、光學遙感、激光技術等領域中的關鍵元器件制作的光學“硅”材料。由于鈮酸鋰晶

5、體的以上優(yōu)點和重要價值，它也就成為了離子注入光波導的首選材料。 離子注入形成的光波導，注入?yún)^(qū)的折射率分布決定了光波導中的導波模式等導波特性，波導中的非線性特性也與折射率分布有著重要的關系。因此，探討離子注入光波導中的折射率分布不但是研究光波導特性的基礎，也為離子注入光波導的設計與制備提供理論指導。直接測試光波導中的折射率分布比較困難，為了確定波導中的折射率分布，科學家相繼提出了一些方法，例如Wentzel、Kramers和Bri

6、llouin等人提出的WKB法以及衍生出來的iWKB法、由Fluck等人提出的PIPR(參數(shù)折射率分布重構法)等。這些方法適用于一些特定的折射率分布，并得到了很好的應用。但是對于離子注入所形成的光波導，由于光學位壘的存在，利用棱鏡耦合所測試的光波導的暗模存在非穩(wěn)定模式(漏模)。該漏模不是在波導中傳輸?shù)恼嬲龑?，而可能是光波在波導表面和光學位壘之間的多次反射的結果，因此，上述等方法并不完全適合離子注入光波導折射率分布的擬合。為了解決這個問

7、題，Chandler和Lama等人于1986年提出了一種反射計算法，簡稱RCM，它可以較好地確定離子注入光波導的折射率分布。對于計算離子注入光波導的折射率分布，RCM法是目前研究者應用的主要方法，但這種方法僅適用于波導模式比較多的情況。當模式數(shù)比較少(少于3個)時，RCM方法的誤差比較大。而且位壘下面的折射率分布，RCM無能為力。為了解決這個問題，我們提出利用刻蝕和橢偏方法來分析離子注入光波導的折射率分布。 刻蝕主要應用于微細加

8、工技術中，包括微電子學、光電子學和微光學元件的制作?？涛g包括干法刻蝕和濕法刻蝕。橢圓偏振測量術起源于100多年前，是一種通過分析偏振光在待測薄膜樣品表面反射前后偏振狀態(tài)的改變來獲得薄膜材料的光學性質(zhì)和厚度的一種光學方法。該方法有以下幾方面的優(yōu)點：①具有非破壞性；②測量的靈敏度和精度高；③可以同時測量到材料的光學參數(shù)和厚度n、k、d的值。 刻蝕和橢偏技術相結合確定波導折射率分布，就是利用刻蝕方法把波導層層剝離，并依次測量波導表面的

9、橢偏參量。通過對所有橢偏參量的分析來得到波導層的折射率分布。這種方法的優(yōu)點是： (1)對折射率分布的測量更可靠。目前對離子注入晶體材料后的波導區(qū)的折射率分布分析主要依據(jù)RCM法，它是根據(jù)波導中的傳導模式來反演、擬合折射率分布，而橢偏法是根據(jù)橢偏參數(shù)來計算折射率分布。 (2)適用范圍更廣。對于波導中的模式數(shù)較少(少于3個)的情況，尤其是最有應用價值和應用前景的單模光波導，RCM法無能為力。橢偏法不受波導模式數(shù)的限制，而且可

10、以分析折射率位壘以下區(qū)域的折射率分布。 (3)對折射率分布測量更加精確?？梢酝ㄟ^人為控制刻蝕速率，使每層剝離的厚度非常小，即把波導區(qū)分為任意多層測量，從而可以逐漸逼近折射率的真實分布。 本論文主要包括兩方面工作：①分析光在晶體中的傳播特性，給出分層晶體結構的橢偏參數(shù)與折射率分布的關系，這是本文的理論基礎；②對離子注入波導進行刻蝕和橢偏測量，測出不同波導結構的橢偏參量，分析折射率分布，并根據(jù)刻蝕規(guī)律研究晶體的損傷分布特點。

11、 光在各向同性吸收介質(zhì)中傳播時有復折射率法和矢量傳播常數(shù)法兩種分析方法，我們對兩種方法進行了比較，并根據(jù)光在各向同性吸收介質(zhì)中傳播時的矢量傳播常數(shù)法，引入了波法線矢量傳播常數(shù)，分析了光在單軸和雙軸吸收晶體中傳播時的特性，得到了描述晶體性質(zhì)以及光傳輸性質(zhì)的物理量的表達形式，例如波法線折射率、光線折射率、吸收系數(shù)等。由這些量可以推導出透明晶體相應物理量的表達形式。我們重點給出了水平極化光和垂直極化光在晶體分界面的反射和透射系數(shù)。對分

12、層均勻的各向同性薄膜結構，其橢偏參數(shù)可用散射矩陣法求出。我們把離子注入晶體形成的波導區(qū)，視為折射率分層均勻的膜層結構，然后根據(jù)散射矩陣法計算了不同分層結構的橢偏參量。 O2+是在LN晶體中通過離子注入形成光波導的常用離子。我們用單能量、雙能量以及多能量的O2+離子注入LN晶體形成了光波導結構，研究了250℃"C、30分鐘退火前后波導暗模有效折射率的變化，然后采用刻蝕和橢偏技術，分析了單能量和多能量的O2+離子注入LN后波導區(qū)的折

13、射率分布。 摻鎂LN晶體具有抗光損傷能力強、抗光折變性能好、雙折射性大等優(yōu)點，從而廣泛應用于非線性光學、激光介質(zhì)、光波導等方面。我們把3MeV的O2+離子注入到摻鎂LN晶體中形成了光波導，研究了250℃、30分鐘退火前后波導暗模有效折射率的變化，然后采用刻蝕和橢偏技術，分析了離子注入后波導區(qū)的折射率分布。 C2+也是在LN晶體中形成光波導的常用離子，用2MeV不同劑量的C2+離子注入LN晶體形成了光波導結構，研究了250

14、℃、30分鐘退火前后波導暗模有效折射率的變化，然后采用刻蝕和橢偏技術，分析了小劑量C2+離子注入后波導區(qū)的折射率分布。離子注入晶體后會造成一定程度的晶格損傷，損傷對波導性能有重要影響。我們用刻蝕的方法，研究了多種能量和劑量的O2+、C2+、Si+、Ni+等離子注入LN晶體后的刻蝕規(guī)律，并據(jù)此分析了離子注入?yún)^(qū)的損傷分布。 H+離子注入后LN晶體造成的損傷比較小。我們研究了退火對H+注入LN波導特性的影響，以及正、負z面注入離子的晶