用橢偏技術(shù)研究離子注入鈮酸鋰光波導(dǎo)特性.pdf

1、鈮酸鋰晶體是一種良好的非線性光學(xué)晶體材料，它具有極好的光學(xué)、鐵電、電光、光折變等性能，在鈮酸鋰基礎(chǔ)上制備的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在光通信、光纖傳感、光學(xué)儀器、光信息處理和光計算方面有重要用途。作為一種有效制備光波導(dǎo)的新技術(shù)，離子注入已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。它可以改變材料的折射率，而基本上不改變材料的光電特性，對晶體波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)影響小，可以在較低溫度下進(jìn)行，對注入劑量和深度可以精確控制。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)體及有

2、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)。離子注入鈮酸鋰波導(dǎo)的研究自二十世紀(jì)七十年代始，起初研究者們用高劑量的輕離子注入鈮酸鋰，常用的主要為He、H等離子，注入劑量在1016量級，一般形成多模波導(dǎo)。其機(jī)理是，在離子注入晶體的射程末端形成損傷層，損傷層內(nèi)晶格部分非晶化并且密度降低，導(dǎo)致?lián)p傷曾內(nèi)折射率下降，形成光學(xué)位壘，光線被限制在光學(xué)位壘和表面空氣層所包圍的區(qū)域傳播，此區(qū)域即成為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。后來重離子被用來注入鈮酸鋰晶體形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，目

3、前報道中提到的重離子有O離子、C離子、Ni離子、Si離子等。橢圓偏振光譜法是測量材料表面性質(zhì)常用的方法，通過分析偏振光在待測薄膜樣品表面反射前后偏振態(tài)的改變來獲得薄膜材料的光學(xué)性質(zhì)和厚度。測量偏振光的初態(tài)和末態(tài)，利用系統(tǒng)的瓊斯矩陣或米勒矩陣便可以確定被研究材料對偏振光的變換規(guī)律。該方法由于其獨特的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)以及光學(xué)、電子科學(xué)等有關(guān)的各個領(lǐng)域。本文介紹了反射式橢圓偏振測量的基本原理，推導(dǎo)出了幾種不同薄膜模

4、型的橢偏參數(shù)。 本文研究了不同劑量、不同能量的B離子和Ni離子注入Z切光學(xué)拋光的鈮酸鋰晶片及未進(jìn)行離子注入的鈮酸鋰晶片，測量了鈮酸鋰晶體及離子注入晶體的單晶性質(zhì)和透射率。實驗顯示，兩種離子注入到鈮酸鋰晶體后，仍然保留了良好的單晶性質(zhì)，摻雜造成的晶格損傷很小，具備了應(yīng)用于光波導(dǎo)的基本條件。用反射式橢圓偏振光譜法測量了離子注入后鈮酸鋰的橢偏參數(shù)，研究了分層均勻的各向異性多層薄膜的橢偏參數(shù)與每層薄膜折射率及厚度的關(guān)系，得到超越方程。用

5、SRIM軟件模擬了離子注入過程，模擬得到了離子注入晶體后造成的損傷曲線，注入B離子的晶體注入范圍在2．0μm附近，損傷較小，最大的原子替代率為23．1％；注入Ni離子的晶體注入深度較淺，在1μm左右，損傷較大，最大原子替代率為55％。根據(jù)模擬結(jié)果對鈮酸鋰晶體波導(dǎo)建立模型，得出模型對應(yīng)的橢偏公式，用計算機(jī)編程得到了0．3μm～0．8μm波段波導(dǎo)區(qū)和損傷區(qū)的折射率色散擬合公式。結(jié)果顯示，離子注入后的尋常光與異常光色散曲線基本保持了原有的形狀