離子注入法與射頻濺射法制備光波導的研究.pdf

1、集成光學器件在實現(xiàn)高速短距離光通訊、寬帶光網絡、傳感器與自動化裝置，光學信號處理及光計算中有著重要作用。光波導則是組成集成光路的基本單元。迄今為止，人們已經探索多種方法來制備性能優(yōu)良的光波導。離子注入技術作為一種成熟的材料表面改性技術已經成功地在多種光學材料上實現(xiàn)了光波導結構。 在離子注入形成的波導結構中，MeV的H和He離子經常被注入光學材料中以實現(xiàn)光波導結構。輕離子注入形成典型的光學位壘型光波導。最近，重離子注入光學晶體材料

2、形成的波導結構受到廣泛研究。重離子注入部分光學晶體材料(如鈮酸鋰(LiNbO<,3>)、摻釹的釩酸釔(Nd：YVO<,4>)、偏硼酸鋇(BBO)、砷酸鈦氧鉀(KTA)等)可以引起表面層折射率增加，從而形成波導區(qū)折射率增加型波導結構。利用重離子注入形成光波導表現(xiàn)出獨特的優(yōu)點：與輕離子注入相比，注入劑量可以降低1～3個數(shù)量級，可以大大降低制造成本。因此，研究重離子注入光學材料形成的光波導具有潛在應用的重要意義。 氧化鋅(ZnO)是

3、一種重要的寬禁帶Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，具有優(yōu)良的物理及化學性能。ZnO薄膜結構在許多領域具有現(xiàn)實及潛在的應用，如表面聲波器件、平面波導、透明電極、紫外光探測器、壓電器件、氣敏傳感器、紫外/藍紫/藍光-LED(發(fā)光二極管)及激光二極管等。我們用射頻磁控濺射法分別在x切及z切LiNbO<,3>襯底上生長了ZnO/MgZnO雙層結構。研究了其結構、光學及導波特性。 在本論文主要包括兩個方面的工作：(1)離子注入LiNbO<,3>、

4、LiTaO<,3>、SrWO<,4>、BaWO<,4>、Yb：NaGd(WO<,4>)<,2>、KNSBN、Nd:GdVO<,4>及Nd:LuVO<,4>等光學晶體上實現(xiàn)平面光波導結構?；趯嶒灲Y果，分析了離子注入光波導的波導模式及退火行為，優(yōu)化了注入?yún)?shù)。用盧瑟福背散射/溝道技術研究了注入引起的損傷分布。對離子注入光學晶體材料折射率增加的形成機理進行了探討；(2)利用射頻磁控濺射技術在x切及z切IJNbO<,3>上制備了ZnO/MgZ

5、nO結構，利用X．射線衍射法、掃描電鏡法研究了其生長及結構特性，研究了其結構、光學及導波特性。論文主要結果如下：鈮酸鋰(LiNbO<,3>)是一種性能優(yōu)良的非線性光學晶體，具有打的電光系數(shù)、聲光系數(shù)及非線性光學系數(shù)等。在LiNbO<,3>上形成光波導結構受到了廣泛研究。我們用6.0MeV F離子注入LiNbO<,3>晶體形成了平面光波導，研究了注入劑量與折射率變化、損傷分布的關系，還研究了退火對導模及傳輸損耗的影響。研究結果對于重離子注

6、入IfiNbO<,3>晶體的光波導的制備和應用提供了實驗基礎。 鉭酸鋰(LiTaO<,3>)晶體是制造光波導和聲波器件的優(yōu)良襯底，具有和LiNbO<,3>晶體相近的晶體結構和性質。其抗光折變能力比鈮酸鋰高兩個數(shù)量級。我們分別用6.0 MeV的O離子和6.0 MeV的F離子注入LiTaO<,3>晶體，分別在633 nm和1539 nnl形成了光波導結構，劑量分別為1.0×10<'14>ions/cm<'2>—1.0×10<'15>

7、ions/cm<'2>及1.0×10<'14>ions/cm<'2>—1.5×10<'15>ions/cm<'2>。研究了注入劑量與樣品表面折射率、暗模特性的關系，利用RCM擬合方法研究了注入后波導區(qū)的折射率分布。 鎢酸鍶(SrWO<,4>)晶體、鎢酸鋇(BaWO<,4>)晶體及摻鐿的鎢酸釓鈉(Yb∶NaGd(WO<,4>)<,2>)晶體結構相似，屬于白鎢礦結構，四方晶系，具有寬的透光范圍、好的熱學及機械性能，是優(yōu)良的拉曼激光晶

8、體。BaWO<,4>晶體被認為是實現(xiàn)固體拉曼激光器的可靠有效的拉曼激光晶體。目前，沒有關于這三種晶體光波導的報導。我們用MeV重離子在不同劑量下注入三種光學晶體，分別形成了波導結構。為SrWO<,4>、BaWO<,4>及Yb∶NaGd(WO<,4>)<,2>晶體的光波導應用提供了實驗基礎。 鈮酸鍶鋇鉀鈉((K<,y>Na<,1-y>)<,a>(Sr<,x>Ba<,1-x>)<,b>N<,b2>O<,6>，KNSBN)晶體是優(yōu)良的

9、光折變晶體，具有大的電光系數(shù)，其機械性能優(yōu)于SBN、BaTiO<,3>和KN。被認為是很有潛在應用光折變晶體材料。離子注入是在具有低的居里溫度的材料上實現(xiàn)波導結構的有效手段。我們用多能量的He(2.4 MeV，2.2 MeV，2.0 MeV)離子注入KNSBN晶體在633nm及1539nm下分別形成光波導結構。用端面耦合法研究了傳播模式的近場光強分布。擬合并分析了其折射率分布。 摻釹的釩酸釓(Nd∶GdVO<,4>)和摻釹的釩

10、酸镥(Nd∶LuVO<,4>)晶體具有優(yōu)良的機械、熱學、物理、化學和激光性能。最近研究表明Nd∶GdVO<,4>晶體具有大的泵浦波長吸收系數(shù)，較長的熒光發(fā)射、較寬的輻射界面以及與YAG相當?shù)臒釋?。我們采用多能?3.6 MeV，3.0 MeV，2.4 MeV)的O離子注入Nd∶GdVO<,4>和Nd∶LuVO<,4>晶體，總的注入劑量為5.9x10<'14>ions/cm<'2>。注入后的樣品形成了尋常光折射率增加型的平面光波導。用棱

11、鏡耦合法測量了其暗模特性，擬合并分析了其折射率分布。利用模型進行了模式分析。 氧化鋅(ZnO)在室溫下是一種寬禁帶(3.3eV)II—VI族化合物半導體材料。ZnO具有優(yōu)良的電學、光學及壓電性能從而收到廣泛研究，在許多領域具有重要應用：太陽能電池窗口、透明導電膜、體聲波器件及光發(fā)射二極管(LED)等。在第九章，首次分別在x切及z切LiNbO<,3>晶體上用射頻磁控濺射法生長了ZnO/MgZnO層結構，形成了光波導，利用記錄式分光