（凝聚态物理专业论文）离子注入平面与条形光波导的优化条件研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 光通信技术已经成为迅猛发展的综合性技术领域。光波导结构作为集成光路 的最基本的组成单元在现代光通信领域具有十分重要的用途。研究人员一直在探 索有效的方法来制备具有优良性能的光波导。现在常用的制备波导的方法主要有 扩散、交换、薄膜沉积以及离子注入等。离子注入技术对衬底材料结构的选择性 较低。迄今为止，人们已经利用离子注入技术在包括光学晶体、玻璃等大量的光 学材料上形成了光波导。因此离子注入技术已经成为制备光波导的有效手段。 离子注入按照其注入离子原子质量的大小可以大致分为轻离子注入以及重离 子注入两种。轻离子注入的离子包括氦离子以及质子，而重离子则主要有碳、氧、 硅、镍、铜等一些原子质量较重的离子。一般说来，轻离子注入对晶格的扰动较 小，但是其注入剂量较大，成本较高。重离子注入剂量则相对较低。在一些特定 的材料里，形成有效波导结构所需要的离子剂量仅为1 0 1 3 i o n s c m 2 量级。 对于离子注入光学晶体形成的光波导( 特别是那些具有明显双折射性质的晶 体) ，由于注入离子原子质量的不同，轻离子注入与重离子注入形成波导有着显著 的不同。轻离子注入光学晶体后，在射程的末端会因为注入离子的沉积而形成一 个折射率降低的区域从而形成位垒型的光波导。这种波导主要依靠光学位垒以及 空气构成光波导结构。重离子注入则与轻离子注入不同，重离子注入晶体材料在 其离子射程内对晶格造成扰动，导致晶体双折射性质的降低，使得注入区较低的 折射率增高，因此其波导主要依赖于材料表面形成的折射率增加层，且形成的波 导具有方向性。 离子注入光学玻璃材料也能够形成光波导。离子注入玻璃后，注入离子形成 的损伤将导致材料的压紧效应，从而造成材料局部折射率的增高。这样就形成了 光波导。 本文主要研究了离子注入方法在同化学计量比铌酸锂、同成分铌酸锂、三硼 酸铋、掺钕硅酸盐玻璃、掺钕钒酸钇以及熔融石英等衬底材料上形成的光波导。 利用棱镜耦合仪测量了所制备光波导的暗模特性；利用端面耦合法测试了光波导 山东大学博士学位论文 的近场光强分布以及光波导的传输损耗，通过对光波导有效折射率的计算拟合得 到光波导的折射率分布；用卢瑟福背散射、沟道技术研究了近化学计量比铌酸锂 光波导中的n b 原子移位；在近化学计量比铌酸锂、掺钕硅酸盐玻璃以及掺钕钒酸 钇上利用离子注入结合光刻技术形成了条形光波导。主要研究结果如下： 铌酸锂晶体是一种重要的多功能光学晶体。它具有优良的非线性光学性质以 及电光性质，现已成为重要的光波导材料。通常我们所指铌酸锂晶体如非特殊说 明皆为同成分铌酸锂f 以下简称c l n ) ，由于“离子的缺乏导致原位缺陷影响其光 学性质。近化学计量比铌酸锂( 以下简称s l n ) 提高了l i n b 比，提高了铌酸锂 晶体的性能参数。我们利用2 8 m c v 的s i 离子注入s l n 晶体形成折射率增加型平 面光波导，利用沟道技术研究了其损伤分布，所形成光波导区域n b 离子移位较少； 我们利用3 0 m e v ，2 5 m e v ，2 0 m e v ，1 5 m e v ，1 0 m e v ，剂量为5 1 0 “i o n s e m 2 的。离子注入z 切c l n 样品，利用退火的方法降低了波导的损耗并利用端面耦合 的方法测量了波导的近场光强分布，利用t r i m 模拟得到的数值对波导的成因进 行了分析；我们用6 0 m e v 的c 离子，剂量1 1 0 ”i o n s e r a 2 ，以及3 6 m e v 的o 离子，剂量1 1 0 ”i o n s c m 2 ，注入x 切c l n 晶体，形成了平面光波导，并测量了 所得到波导的偏振特性，利用端面耦合的方法测量了所得到平面光波导的近场光 强分布。利用端面耦合的方法测量了所得到平面光波导的近场光强分布；我们利 用6m e v 的。离子，剂量5 1 00 4 i o n s e r a 2 ，结合光刻工艺制备掩膜注入近化学剂 量比的铌酸锂晶体形成平面以及条形光波导，此外我们还利用5 0 0 k e v 的质子注入 近化学剂量比的铌酸锂晶体并形成了异常光折射率增加型的平面光波导。利用 m e v 的。离子以及s i 离子注入铌酸锂晶体实现了铌酸锂晶体+ z 面的取向腐蚀。 三硼酸铋晶体，化学通式b i b 3 0 6 ( 以下简称为b i b o ) 。是一种优良的非线性 光学晶体，具有大的有效非线性光学系数，高的激光损伤闽值。且b i b o 容易生长 均匀性优良的晶体，不潮解，在非线性光学领域有较大的应用前景。我们利用 3 6 m e v 的。离子以及3 0 m e v 的c 离子注入x 切b i b o 晶体，注入剂量从5 1 0 1 2 i o i l s c m 2 到5 x1 0 i o n s e m 2 ，在啦以及协方向都形成了折射率增加型的平面光 波导，我们利用棱镜耦合的方法测量了其暗模特性；利用r c m 方法拟合了其折射 率分布，并利用b p m 的方法计算得到了波导区域的模场分布。我们的结果对于在 b i b o 晶体上实现波导倍频具有重要意义。 n 山东大学博士学位论文 基于s i 0 2 的硅酸盐玻璃在近红外具有极高的透明度，它对于n d 3 + 、e ，+ 等稀 土离子具有较高的溶解度，而且硅酸盐玻璃具有良好的机械加工性质以及化学稳 定性，非常适合于光波导材料。我们用6 m e v 的0 离子离子注入掺钕的硅酸盐玻 璃，形成了折射率增加型的平面以及条形光波导。利用棱镜耦合测量了所制备平 面光波导的暗模特性并利用r c m 拟合得到了平面光波导的折射率分布，利用扫描 光纤法测量了平面光波导退火前后的传输损耗，此外还在实验当中观察到了6 m e v 0 离子注入硅酸盐玻璃后导致的体积压紧效应；掺钕钒酸钇是一种优良的激光晶 体，利用能量3 0 m e v 的o 离子，剂量为l x l 0 ”i o n s e r a 2 ，注入n d ：y v 0 4 晶体形 成条形光波导，利用端面耦合的方法测量了条形光波导的近场光强分布以及传输 损耗，并利用光路传输法计算了条形光波导的模场分布。实验结果为离子注入方 法在掺钕硅酸盐玻璃以及掺钕钒酸钇上制备波导激光器以及波导放大器提供了雏 形。 熔融石英广泛应用于光电子器件的制作，而且以熔融石英为衬底的集成光学 无源器件可以非常容易的与光线耦合。我们利用2 4 m e v 的c 离子，剂量l 1 0 ” i o 耐c m 2 注入熔融石英形成平面光波导，利用棱镜耦合法结合不同条件的退火测量 了波导的热稳定性，利用扫描光纤法测量了退火前后波导的传输损耗，利用r c m 的方法拟合得到了波导的折射率分布；首次利用5 0 0 k e v 的质子注入熔融石英形成 表面折射率增加型的平面光波导，利用棱镜耦合法测量了波导的暗模特性，利用 端面耦合的方法测量了波导的近场光强分布以及传输损耗，利用不同条件的退火 测试了所形成波导的热稳定性。 关键词：离子注入，光波导，折射率分布 1 i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eas w i r l yd e v e l o p i n ga n d s y n t h e t i z e dt e c h n i c a ld o m a i n a st h em o s tf u n d a m e n t a li n t e r g r a lp a r to ft h ei n t e g r a t e d o p t i c sc i r c u i t s ，t h eo p t i c a lw a v e g u i d es t r u c t u r ei so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h ef i e l do f m o d e mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h er e s e a r c h e r sa r ea l w a y sl o o k i n gf o rt h ee f f e c t i v e m e t h o d st of a b r i c a t ew a v e g u i d e sp o s s e s se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s a tp r e s e n t , t h em o s t p o p u l a rm e t h o d si n c l u d ed i f f u s i o n , e x c h a n g e ，f i l md e p o s i t i o na n di o ni m p l a n t a t i o ne t c 1 1 比i o ni m p l a n t a t i o nm e t h o di sn o ts e n s i t i v et ot h es t r u c t u r eo ft h es u b s t r a t em a t e r i a l s u pt on o w , p e o p l eh a v ef o r m e do p t i c a lw a v e g u i d es t r u c t u r e si nm a s s e so fo p t i c a l m a t e r i a l ss u c ha so p t i c a lc r y s t a l s ，g l a s s ，s e m i c o n d u c t o r se t c t h ei o ni m p l a n t a t i o nh a s b e c o m ea ne f f e c t i v em e t h o dt of a b r i c a t eo p t i c a lw a v e g u i d e t h ei o ni m p l a n t a t e dw a v e g u i d et e c h n o l o g yi ss o r t e dt ot w od i f f e r e n ts t r a t e g i e s n a m e dl i g h t i o ni m p l a n t a t i o na n dh e a v y - i o ni m p l a n t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h em a s so ft h e i m p l a n t e di o n s t h ei o n su s e di nt h el i g h t - i o ni m p l a n t a t i o na r ep r o t o no rt h eh e l i u m i o n s ，h o w e v e r , t h ei o n su s e di nt h eh e a v yo n ea r ec ，0a n dc ue t c ml i g h t i o n i m p l a n t a t i o nr e q u i r e sh i g h e rd o s et h a n t h eh e a v y - i o ni m p l a n t a t i o nt of o r mt h e w a v e g u i d es t r u c t u r e i ns o m em a t e r i a l s ，d o s eo fo n l y1 0 t 3 i o u s e m 2m a g n i t u d ei s s u f f i c i e n tf o r t h eh e a v y - i o ni m p l a n t e dw a v e g u i d ef o r m a t i o n d u et ot h ed i f f e r e n tm a s so ft h ei n j e c t e di o n su s e di nt w om e t h o d s ，t h el i g h t i o n i m p l a n t a t e dw a v e g u i d e sa n dh e a v yo n e sf o r m e di no p t i c a lc r y s t a l sa r ed i s t i n c t w h e n t h el i g h t - i o n si m p l a n t e di n t ot h ec r y s t a ls u b s t r a t e , a no p t i c a lb a r r i e rw i t hal o w e r r e f i a c t i v ei n d e xc o m p a r e dt ot h es u b s t r m ew i l lb ef o r m e db yt h ed e p o s i t i o no ft h e i m p l a n t e di o n s ，l e a v i n gan e a r l yu n d i s t u r b e dr e g i o nb e t w e e nt h eo p t i c a lb a r r i e ra n dt h e s u r f a c e s ot h i st y p eo fw a v e g u i d ei sc o m p r i s e db yt h ea i r , t h eo p t i c a lb a r r i e ra n dt h e u n d i s t u r b e dr e g i o n w h e nt h eh e a v yi o n si m p l a n t e di n t ot h ec r y s t a l ，t h ee l e c t r o n i c e n e r g yl o s s ( u s u s l l ys m a l li nl i g h t - i o ni m p l a n t a t i o n ) i ss t r o n ge n o u g ht oc h a n g et h e o p t i c a lp r o p e r t i e so ft h es u r f a c e t h i sc h a n g es u r e l yw e a k st h eb i r e f r i n g e n c eo ft h e i m p l a n t e dr e 西o n , r e s u l t i n gi nt h ei n c r e a s eo ft h el o w e rr e f r a c t i v ei n d e x t h el i g h t c o n f i n e m e n ta b i l i t yo ft h i st y p eo fw a v e g u i d e sr e l i e so nt h ee n h a n c e dr e f r a c t i v ei n d e x l a y e rs ot h a tt h e ya r es e n s i t i v et ot h ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o no f t h el i g h t t h ei o ni m p l a n t a t i o nc a na l s of o r mw a v e g u i d e si ns o m eo p t i c a lg l a s s e s t h eg l a s s s u b s t r a t e sw i l ls u f f e rc o m p a c t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fb o t hn u c l e a rd a m a g ea n d i v 山东大学博士学位论文 e l e c t r o n i ce f f e c t s s ot h ei m p l a n t a t i o np r o d u c e se n l a a c o di n d e xo p t i c a lw e l l st of o r mt h e w a v e g u i d ei nt h e s em a t e r i a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o nw er e p o r tt h ew a v e g u i d ef o r m a t i o na n dc h a r a a e r i z a f i o no n s t o i c h i o m e t r i cl i n b 0 3 ，c o n g r u e n tl i n b 0 3 ，b i b o ，n d 3 + d o p e ds i l i c a t eg l a s s ，n d ：y v 0 4 a n df u s e ds i l i c a t h ep r i s mc o u p l i n gm e t h o di su s e dt om e a s u r et h ed a r km o d es p e c t r a o f t h ei m p l a n t e dw a v e g u i d e s 1 1 1 ee n d - f i r ec o u p l i n gm e t h o di su s e dt og e tt h en e a r - f i e l d p r o f i l ea n dt h ep r o p a g a t i o nl o s so ft h ew a v e g u i d e s t h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l ei s o b t a i n e db yt h es i m u l a t i o no ft h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d i c e so ft h ew a v e g u i d e s n e r b s c h a n n e l i n gm e a s u r e m e n t s a r ep e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h es l nw a v e g u i d e f o r m e db ym e vs ii o ni m p l a n t a t i o n t h ec h a n n e lw a v e g u i d ei sf a b r i c a t e db yi o n i m p l a n t a t i o n sp l u st h ep h o t o l i t h o g r a p h yp r o c e s si ns t o i c h i o m e t r i cl i n b 0 3 ，c o n g r u e n t l i n b 0 3 ，n d 3 + d o p e ds i l i c a t eg l a s sa n dn d ：y v 0 l i n b 0 3 i sa ni m p o r t a n ta n dp r o m i s i n g w a v e g u i d em a t e r i a l b e c a u s eo fi t s o u t s t a n d i n gn o n l i n e a ro p t i c a la n de l e c t r o n i c o p t i cp r o p e r t i e s w eu s u a l l yc a l l e dt h e c o n g r u e n tl i n b 0 3l nc r y s t a l t h er a t i oo fl i n bi nc o n g r u e n tl i n b 0 3i ss m a l l e rt h a n 1 ：1a n ds ot h e r ea r eal o to fd e f e c t si nc o n g r u e n tl i n b 0 3c r y s t a l a sar e s u l t ，t h eo p t i c a l p e r f o r m a n c e so fc o n g r u e n tl i n b 0 3a r er e d u c e d n e v e r t h e l e s s ，t h er a t i oo fl i n bi n s t o i c h i o m e t r i cl i n b 0 3i su p g r a d e d s t o i c h i o m e t r i cl i n b 0 3s h o w sav e r yi m p r o v e d p e r f o r m a n c eb e c a u s eo ft h em u c hf e w e rd e f e c t si nt h ec r y s t a lc o m p a r e dt oc o n g r u e n t l i n b 0 3 b yu s i n gt h e2 8m e v s ii o ni m p l a n t a t i o n s ，w eh a v ef a b r i c a t e dw a v e g u i d e si n s l nw i t ha ne x t r a o r d i n a r yr e f r a c t i v ei n d e xe n h a n c e dl a y e r t h ed a m a g ei n d u c e db y i m p l a n t a t i o nh a sb e e na n a l y z e db yr b s c h a n n e l i n gm e a s u r e m e n t s 1 h er b sr e s u l t s s h o wt h a ts ii o ni m p l a n t a t i o nc a u s e dal i t t l ed a m a g et ot h es t r u c t u r eo fs l na n dt h e d a m a g e w i l lb ea l m o s te l i m a t e db yt h ep o s t a n n e a l i n gt r e a t m e n t b yu s i n goi o n sw i t h d i f f e r e n te n e r g i e s ，t h ew a v e g u i d e sw e r ef a b r i c a t e di nc l ns a m p l e s t h ea n n e a l i n g t r e a t m e n t sa r ep e r f o r m e dt or e d u c et h ep r o p a g a t i o nl o s so ft h ew a v e g u i d e t h em o d e p o l a r i z a t i o np r o p e r t i e si nt w od i f f e r e n tw a v e g u i d e sf o r m e db y6m e vci o n s 椰3 6 m e vo i o n s ，r e s p e c t i v e l y , w e r ea n a l y z e d t h en e a rf i e l dp r o f i l e so ft h e s ew a v e g u i d e s w e r em e a s u r e db ye n d - 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p r o p o r t i o n e dc r y s t a l a d d i t i o n a l l y , i t sn o n d e l i q u e s c e n t d u e t oi t se x c e l l e n t c h e m i c a la n dn o n l i n e a ro p t i c a lp e r f o r m a n c e s ，b i b oh a sag r e a tp o t e n t i a li nn o n l i n e a r o p t i c a lf i e l d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w er e p o r tt h ew a v e g u i d ef o r m a t i o nb yu s i n g3 6m e v oi o i l sa td o s 鹤f r o m5 1 0 1 2i o n s c m 2 t o5 x1 0 1 3i o n s c m 2a n d3 0m e voi o n sa td o s e s f r o m5x1 0 1 2i o n s e r a 2t o5 1 0 1 3i o n s c m 2 r e s p e c t i v e l y n ei n d e xe n h a n c el a y e rc a n b ef o u n di nn xa n dn yd i r e c t i o n sw i t h i nt h e s ew a v e g u i d e s b yu s i n gr c mc o d e ，t h e r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e so f t h e s ew a v e g u i d e sw e r er e c o n s t r u c t e d s i l i c a t eg l a s sb a s e do ns i 0 2i so n eo fi m p o r t a n to p t i c a lm a t e r i a l s i th a sg o o d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，h i g hc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dv e r yh i g ht r a n s p a r e n c yi ni n f r a r e d w a v e l e n g t h s i n c ei t sh i g hs o l u b i l i t yf o rr e a re a r t hi o n ss u c ha sn d ”a n de ，i o n s 。i t h a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e da sh o s to fw a v e g u i d ea m p l i f i e ra n dw a v e g u i d el a s e r n d 3 + - 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