離子注入與離子束刻蝕制備平面和條形光波導(dǎo)的研究.pdf

1、本論文主要包括三個(gè)方面的工作：(1)MeV重離子注入RTP、Yb：GdCOB、Yb：YCOB、Nd：YCOB及CSBN系列等光學(xué)晶體上實(shí)現(xiàn)平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了離子注入光波導(dǎo)的波導(dǎo)模式及退火行為，優(yōu)化了注入?yún)?shù)。對離子注入光學(xué)晶體材料折射率增加的形成機(jī)理進(jìn)行了探討；(2)通過光刻，利用光刻膠做掩膜，再通過離子注入的方法在KTA、摻Ce的KNSBN晶體上直接形成條形光波導(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)利用

2、氬離子束刻蝕在LiNbO<,3>和熔融石英上制備了衍射光柵并在其平面波導(dǎo)(離子注入形成)的基礎(chǔ)上刻蝕形成了脊形光波導(dǎo)，利用臺(tái)階儀和掃描電鏡觀察了它們的表面形貌和結(jié)構(gòu)，利用光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究了衍射光柵的光學(xué)特性及脊形光波導(dǎo)的光傳輸特性。論文主要結(jié)果如下：三硼酸鈣氧釔晶體，化學(xué)通式Y(jié)Ca<,4>O(BO<,3>)<,3>(以下簡稱YCOB)，是一種新型非線性光學(xué)晶體，具有大的非線性光學(xué)系數(shù)，寬的透光波段，高的激光損傷閾值，而且具有一致熔融的特

3、性，引起了人們的廣泛研究興趣。當(dāng)YCOB晶體中的Y<'3+>離子部分的被Nd<'3+>或Yb<'3+>所取代后即變成Nd：YCOB或Yb：YCOB激光自倍頻晶體。Er:Yb:YCOB晶體由InGaAs LD或AlGaAs LD(λ=976nm)泵浦可以獲得1550nm附近的激光輸出，對光通信技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。我們首次用低劑量的MeV氧離子注入Yb：YCOB、Nd:YCOB和Er:Yb:YCOB晶體，分別實(shí)現(xiàn)了n<,x>方向折射率增

4、加的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用棱鏡耦合的方法分別在波長633nm和1539nm下測量了形成波導(dǎo)的暗模特性，折射率在波導(dǎo)區(qū)域增加。用RCM方法擬合了波導(dǎo)區(qū)域的折射率分布，用SRIM03程序模擬了氧離子的注入過程，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)傳播特性。研究結(jié)果對于重離子注入稀土元素?fù)诫sYCOB晶體的光波導(dǎo)的制備和應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 三硼酸鈣氧釓(GdCa<,4>O(BO<,3>)<,3

5、>)晶體，簡稱GdCOB晶體，和YCOB晶體一樣，也是新型三硼酸氧鈣稀土(ReCa<,4>O(BO<,3>)<,3>)(Re=Y，Gd，Nd，Er,La，Sm等)族晶體中的一員，同樣具有大的非線性光學(xué)系數(shù)，寬的透光波段，高的激光損傷閾值，是一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體。稀土元素YB<'3+>離子熒光壽命長，不易出現(xiàn)濃度淬滅，其結(jié)構(gòu)簡單，只有基態(tài)<'2>F<'5/2>和激發(fā)態(tài)<'2>F<,7/2>，量子損失低，光轉(zhuǎn)換效率高，不存在激發(fā)態(tài)重

6、吸收和上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，可大大減少激光工作物質(zhì)中的熱效應(yīng)。而且Yb<'3+>僅在980nm附近有一較寬的吸收帶，這一吸收帶與InGaAsLD的發(fā)射波長相匹配，因此Yb：GdCOB晶體可用InGaAsLD泵浦來發(fā)射自倍頻激光輸出。我們用低劑量的MeV氧、碳、硅離子注入Yb:GdCOB晶體，分別實(shí)現(xiàn)了平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用3.0MeV氧離子、劑量為5×10<'13>ions/cm<'2>～2×10<'15>ions/cm<'2>，研究了注入劑量與樣品表

7、面折射率、暗模特性的關(guān)系，用棱鏡耦合法研究了注入后樣品退火前后的暗模特性，用RCM方法對折射率分布進(jìn)行了擬合，利用SRIM’03程序模擬了注入離子的電子能量損失、核能量損失及注入離子的射程分布，端面耦合測量了所形成波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布。磷酸鈦氧銣(RbTiOPO<,4>)是一種高效的非線性光學(xué)晶體，簡稱RTP晶體。與KTP晶體同構(gòu)，屬于雙軸晶體，為無對稱中心的點(diǎn)群mm2，空間群．Pna21，立方晶系。RTP晶體具有良好的二次倍頻效應(yīng)，較大

8、的電光轉(zhuǎn)換系數(shù)，很高的激光損傷閾值。與KTP相比RTP晶體具有更大的折射率、較大的非線性和電光系數(shù)、更高的損傷閾值和電光效應(yīng)。這使得RTP晶體在非線性和電光器件應(yīng)用方面具有重要的意義。我們利用能量為6.0MeV和3.0MeV，劑量為2×10<'15>ions/cm<'2>和3×10<'15>ions/cm<'2>的C、O離子注入到RTP晶體中，形成了光學(xué)位類型的平面光波導(dǎo)。利用棱鏡耦合的方法在波長633nm和1539nm下測量了注入后的

9、暗模特性，采用RCM方法擬合了注入后波導(dǎo)區(qū)的折射率分布，我們還利用退火的方法研究了形成波導(dǎo)的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過220℃、60分鐘的熱退火后模式折射率有所增高，表明波導(dǎo)區(qū)折射率有所恢復(fù)。 鈮酸鈣鍶鋇，化學(xué)通式Ca<,x>Sr<,y>Ba<,1-x-y>Nb<,2>O<,6>(以下簡稱CSBN)晶體是屬于鎢青銅結(jié)構(gòu)的新型晶體，四方晶系，點(diǎn)群為4mm，空間群為P4bm，與CBN(鈮酸鈣鋇)、SBN(鈮酸鍶鋇)均為同成分熔化化合物。四方

10、晶系鎢青銅結(jié)構(gòu)(TTB)的鈮酸鹽一直是光學(xué)晶體研究的熱點(diǎn)，因?yàn)檫@類晶體具有優(yōu)良的電光、光折變、熱電和壓電效應(yīng)。CSBN晶體與CBN晶體、SBN晶體類似，都屬于部分填充的鎢青銅結(jié)構(gòu)(TTB)，具有馳豫型鐵電相變和較大的電光效應(yīng)。目前，沒有關(guān)于CSBN晶體光波導(dǎo)的報(bào)導(dǎo)。我們分別采用6.0MeV和3.0MeV的C離子注入到CSBN系列晶體(CSBN25、CSBN50、CSBN75)，用棱鏡耦合的方法分別在波長633nm和1539nm下測量了形

11、成波導(dǎo)的暗模特性，發(fā)現(xiàn)異常光折射率在波導(dǎo)區(qū)域增加，用RCM方法擬合了波導(dǎo)區(qū)域的折射率分布，用端面耦合研究了波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布。為CSBN晶體光波導(dǎo)的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 雙軸晶體砷酸鈦氧鉀(KTiAsO<,4>簡稱KFA)是一種優(yōu)良的電光、非線性晶體材料。KTA晶體同KTP晶體比較有著更大的電光系數(shù)(30﹪)和非線性系數(shù)(60﹪)，而且它還有著比KTP更高的激光損傷閾值和較高的熔點(diǎn)。我們直接利用光刻膠作為掩膜，用3.0MeV氧離

12、子劑量為5×10<'13>ions/cm<'2>注入到KTA晶體，首次在KTA晶體中形成n<,x>和n<,y>。方向折射率增加型的條形光波導(dǎo)；鈮酸鍶鋇鉀鈉((K<,0.5>Na<,0.5>)<,0.2>(Sr<,0.75>Ba<,0.25>)<,0.9>Nb<,2>O<,6> or KNSBN)晶體是一種有發(fā)展前途的光折變晶體材料，可廣泛地用于光信息處理、光計(jì)算和光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在室溫下無相變和不退極化，我們在Ce：KNSBN晶體中用光刻膠

13、做掩膜，通過He離子三次注入形成了條形波導(dǎo)陣列。結(jié)果表明，利用厚膠可以作為注入掩膜阻擋較高能量離子的注入并在材料上制備出條形光波導(dǎo)，利用端面耦合的方法測量了形成條形波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布以及損耗。我們的結(jié)果對于用離子注入法在光學(xué)晶體上制備條型光波導(dǎo)具有重要的意義。鈮酸鋰晶體是一種集電光、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

14、、電光開關(guān)、聲光器件、傳感器和高密度信息存儲(chǔ)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)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。熔融石英具有良好的熱學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于光電子器件的制作。它的折射率與光纖的折射率很接近，因此以熔融石英為襯底的各種集成光學(xué)無源器件可以較為方便的與光纖耦合。我們利用氬離子束刻蝕先在這兩種光學(xué)材料上形成了衍射光柵；進(jìn)一步結(jié)合離子注入的方法，即在離子注入形成平面波導(dǎo)的基礎(chǔ)上通過刻