離子注入與熱擴(kuò)散法制備光波導(dǎo)的研究.pdf

1、集成光學(xué)和光通信技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代迅猛發(fā)展的綜合性技術(shù)領(lǐng)域。光波導(dǎo)作為集成光路的最基本組成單元在現(xiàn)代光通信領(lǐng)域具有十分重要的用途。它能將光波束縛在微米量級尺寸的介質(zhì)中長距離無輻射的傳輸。采用集成光學(xué)工藝根據(jù)功能要求制成各種光波導(dǎo)，然后再將其與光纖或光纖陣列耦合，是目前多類光器件的研究熱點(diǎn)。早在20世紀(jì)70年代，無論是在混合集成光路還是單片集成光路的起步階段，為了制作波導(dǎo)，對各種材料及其制作方法進(jìn)行了大量的嘗試和評價(jià)，高分子材料光波導(dǎo)，玻璃

2、光波導(dǎo)和鈮酸鋰光波導(dǎo)等表現(xiàn)出較為優(yōu)越的性能。目前，集成光路還算不上是一種成熟的產(chǎn)品，其理論上的探討優(yōu)先于制作技術(shù)。集成光路實(shí)質(zhì)具有功率密度高，體積小等優(yōu)點(diǎn)。由于器件尺度與光波波長處于相當(dāng)?shù)臄?shù)量級，這就要求在加工過程中必須采用微米量級的技術(shù)，為了制作這種微型器件，就需要有精湛的薄膜制作技術(shù)以及精細(xì)的圖形加工技術(shù)。 研究人員一直致力于具有優(yōu)良性能光波導(dǎo)的形成方法的探索。目前常用的制備波導(dǎo)的方法主要有離子注入，離子置換，薄膜沉積以及飛

3、秒刻蝕等。其中離子注入按照其大致分為輕離子注入和重離子注入兩種類型。對于離子注入光學(xué)晶體形成的波導(dǎo)，輕離子注入和重離子注入有顯著的不同。輕離子一般是指氫或氦離子，目前國際上較多采用的能量為較低能量的氫離子注入到光學(xué)材料內(nèi)，形成波導(dǎo)層厚度多為幾微米。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要是依靠在注入離子的射程末端形成折射率降低的光位壘，使得光可以限制在樣品表面和位壘之間傳輸。輕離子注入的特點(diǎn)是注入劑量較高(～1016ions/cm2左右)，并且，有些晶體在相當(dāng)

4、高的劑量下仍難形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。而重離子注入劑量相對較低，可以節(jié)約成本。重離子注入晶體材料形成光波導(dǎo)的機(jī)制視具體材料種類而定，一般認(rèn)為，重離子注入過程中會在整個射程內(nèi)對晶格造成擾動，從而改變注入?yún)^(qū)折射率。因此，形成的波導(dǎo)主要依賴于材料表面形成的折射率增加層，且多具有方向性。 平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單但只能在一個方向上限制光場，用它制作的波導(dǎo)器件受到了一定的限制，因此就發(fā)展了條形光波導(dǎo)，能同時在兩個方向上對光進(jìn)行約束。條形光波導(dǎo)是光波耦合器

5、、波導(dǎo)調(diào)制器、波導(dǎo)開關(guān)以及波導(dǎo)激光器等無源和有源器件的基礎(chǔ)。近年來?xiàng)l形光波導(dǎo)的制備成為光波導(dǎo)研究的熱點(diǎn)，探討離子注入條形光波導(dǎo)的制備不但是光波導(dǎo)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，還可以拓展核技術(shù)在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。 熱擴(kuò)散法是先將需要進(jìn)行熱擴(kuò)散的材料淀積在襯底表面，在高溫裝置中使淀積材料擴(kuò)散進(jìn)襯底，在襯底表面附近形成一層折射率略高的擴(kuò)散層的一種方法。采用熱擴(kuò)散法，尋常光折射率(no)和異常光折射率(ne)會發(fā)生類似程度的變化，變化幅度和波導(dǎo)層厚度

6、可以通過改變附著在襯底上的金屬膜厚度來控制。在擴(kuò)散波導(dǎo)層中，擴(kuò)散材料沿縱深方向的濃度分布是一種非階梯狀的從大到小的平滑分布。在擴(kuò)散溫度和時間都固定的情況下，擴(kuò)散深度不會隨金屬膜厚度有太大變化，但表面折射率變化會與膜厚在一定程度下成正比，擴(kuò)散波導(dǎo)層折射率沿厚度方向一般為高斯分布。如果再對鈦擴(kuò)散光波導(dǎo)進(jìn)行離子注入以部分地改變波導(dǎo)區(qū)的折射率，則有可能改變波導(dǎo)的偏振特性，為提高波導(dǎo)的性能提供了一種參考方法。熱擴(kuò)散形成波導(dǎo)的另外一個優(yōu)點(diǎn)是，可以結(jié)

7、合光刻法將金屬膜制作成需要的圖形，從而制作二維波導(dǎo)。 本文主要研究了： (1)離子注入光學(xué)材料平面光波導(dǎo)形成方法，對離子注入光波導(dǎo)熱穩(wěn)定性以及退火特性進(jìn)行了測試； (2)條形光波導(dǎo)制備的嘗試與研究。通過光刻的方法制作光刻膠掩膜，再通過離子注入的方法在KTA晶體上形成條形光波導(dǎo)，利用端面耦合分析了條形光波導(dǎo)的近場光學(xué)圖像； (3)還嘗試對鈦擴(kuò)散平面及條形光波導(dǎo)進(jìn)行離子注入以改變其波導(dǎo)特性。 雙軸晶體

8、砷酸鈦氧鉀(KTiOAsO4或KTA)是一種優(yōu)良的倍頻材料，它具有良好的二次倍頻效應(yīng)，較大的電光轉(zhuǎn)換系數(shù)，很高的抗激光損傷閾值，激光入射允許角大和穩(wěn)定的相位匹配等特性，已獲得了廣泛的應(yīng)用。KTA晶體同KTP晶體比較有著更低的介電常數(shù)和更高的熔點(diǎn)。 用500keV劑量分別為4×1016ions/cm2和6×1016ions/cm2的氫離子注入KTA晶體，形成了折射率增加的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用棱鏡耦合的方法分別在波長632.8nm和15

9、39nm激光下測量了波導(dǎo)的暗模特性，并用RCM方法重構(gòu)了波導(dǎo)區(qū)折射率分布。用SRIM2006程序?qū)潆x子注入KTA晶體的過程進(jìn)行了模擬，并結(jié)合波導(dǎo)特性對波導(dǎo)形成機(jī)制進(jìn)行了討論。我們還利用端面耦合的方法研究了波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布。利用退火的方法研究了波導(dǎo)的熱穩(wěn)定性。 直接利用光刻膠作為掩膜，用500keV氫離子劑量為6×1016ions/cm2注入到KTA晶體，首次在KTA晶體中形成折射率增加型的條形光波導(dǎo)，利用端面耦合的方法采集了

10、近場光強(qiáng)圖像。 用低劑量MeV銅離子注入KTA晶體，形成了位壘型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對樣品進(jìn)行不同條件的退火，在632.8nm和1539nm波長激光下研究退火前后波導(dǎo)的暗模特性，并用RCM方法重構(gòu)了波導(dǎo)區(qū)折射率分布，用SRIM2006程序模擬注入過程，討論了波導(dǎo)形成的原因。 鈮酸鋰是一種具有優(yōu)良性質(zhì)的多功能光學(xué)晶體。它具有很強(qiáng)的電光效應(yīng)，而且易于制作低損耗的薄膜波導(dǎo)，現(xiàn)已成為廣泛應(yīng)用的光波導(dǎo)襯底材料。金屬熱擴(kuò)散法是一種有效的鈮酸鋰

11、光波導(dǎo)的形成方法。迄今為止的實(shí)驗(yàn)表明，在所有可作為擴(kuò)散源的金屬形成的鈮酸鋰光波導(dǎo)中，鈦擴(kuò)散波導(dǎo)傳輸特性最好，折射率分布最為穩(wěn)定，且擴(kuò)散層內(nèi)的晶格結(jié)構(gòu)和電光特性都能得到很好的保留。 用電子束蒸發(fā)鍍膜法在-Z切鈮酸鋰表面淀積20-100nm厚度的鈦膜，在高溫及濕氧氛圍中擴(kuò)散不同時間，以制作不同厚度的鈦擴(kuò)散平面光波導(dǎo)。并測量其波導(dǎo)特性。 用能量500keV的氦離子注入Ti：LiNbO3平面及條形光波導(dǎo)對其近表面進(jìn)行改性，對注入