（光学工程专业论文）离子注入mgo：linbo3平面和条形波导的制备与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 6 符号说明 以：介质的折射率 0 ：光线与界面发现的夹角 k ：光波的波矢 m ：导模的阶数 矽：光波的相移 ：波导传播常数 n ：光波导的有效折射率 e ：光波的电场 h ：光波的磁场 t e ：电场垂直于波传播方向的模式 t m ：磁场垂直于波传播方向的模式 彩：介电常数 毛：真空介电常数 g o ：真空磁导率 ：折射率相对差 五：光波的波长 口：损耗系数 ，：导模的传输光功率 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 堡猛 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：辜犯导师签名： 日期： 加- f 6 上 匆峄 卜罩 山东大学硕士学位论文 摘要 集成光学的概念是1 9 6 9 年由美国贝尔实验室提出，它的提出大大促进了的 光通信的发展，同时也是今后全光网络传输以及全光计算的基础。集成光学是以 光波导现象为基础的光子和电子系统，系统的连接通过光波导和光纤，系统的基 本元件是光波导器件。利用光在折射率不同的两种物质的界面上会发生全反射的 原理，光波导将光波限制在微米量级的薄膜内传输。集成光学的研究内容异常丰 富，但其根本的基础是在薄膜中的传输，对光讯号的所有处理，都必须以光在薄 膜中能够传导为前提，因此光波导在集成光学中起着重要作用。 离子注入法作为制作光波导的一种重要方法，相对于其他制作波导的方法 有以下优点：可以改变材料的折射率，而基本不改变材料的光电特性，对晶体波 导层结构影响小，可以在较低温度进行，对注入剂量和深度可以精确控制等。 其中离子注入分轻离子注入以及新兴的低剂量重离子注入两种。重离子注 入的优点有：离子剂量相对较低，比轻离子注入低2 到3 个数量级。这就使注入 时间大大缩短，从而降低制作成本。重离子注入形成的损伤层在晶体表面下l u m 到1 5 u m 之间，比较容易形成单模波导。 铌酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体具有大的电光、声光及非线性光学系数，材料的化 学性能稳定，晶体生长成本低且易生长出大尺寸的单晶等优点而广泛用于制备各 种光波导器件，成为集成光学最常用的晶体材料，在单模光纤通信系统、信号处 理、传感器等领域有重要的应用，同单晶硅一样是一种不可多得的人工晶体。 铌酸锂晶体之所以有如此丰富多彩的性质和应用前景，还与其众多的掺杂元 素密不可分。纯铌酸锂晶体给我提供了一个良好的平台，各种各样的掺杂才使得 晶体变得如此重要。其中高掺镁( 莫尔分数超过4 6 时) 的铌酸锂( m g o ：l i n b 0 3 ) 晶体的抗光折变能力可以提高两个数量级以上。掺镁铌酸锂的高抗光损伤能力适 应了波导器件在调制器、倍频器、波导激光振荡等高功率密度的应用要求，因此 制作m g o ：l i n b 0 3 离子注入光波导和迸一步研究其光学及结构特征对于拓宽波 导器件的应用领域具有重要意义。我们主要选择5 m o l 掺镁铌酸锂( m g o ： l i ) 0 3 ) 作为试验材料。 传统的铌酸锂波导制作工艺t i 扩散法和质子交换法用来制作掺镁铌酸锂光 山东大学硕士学位论文 波导有一定的局限性。如使用t i 扩散法制作掺镁铌酸锂光波导，扩散系数减小， 扩散区的抗光折变性能有所下降；使用质子交换法，扩散速度减慢。并且t i 扩 散法和质子交换法制作的波导损耗较大，对实际应用有一定的影响。由于离子注 入的自身优点，离子注入法有望成为制作低损耗掺镁铌酸锂光波导的有效方法。 我们对低剂量0 2 + 注入z 切的m g o ：l i n b 0 3 晶片的性质做了一些研究。首先 制作了平面m g o ：l i n b 0 3 光波导，注入离子能量从1 5 m e v 到4 5 m e v ，注入剂 量从4 1 0 到1 2 x1 0 1 4 i o n s e r a 2 。分别在6 3 3 n m 和1 5 3 9 n m 波长t m 偏振下形成 了异常光折射率增加型的单模波导。观察并测量了波导损耗和折射率分布随退火 条件的变化，并得到了寻常光折射率和异常光折射率随退火温度升高而变化的规 律。经过2 3 0 ，3 0 分钟退火，波导的传输损耗下降到0 9 d b 2 0 d b 。 介绍了制作m g o ：l i n b 0 3 条形波导的研究，分别使用单能量和多能量注入氧 离子注入有条形图案金属掩膜的样品，形成条形波导。单能量注入条件为注入能 量1 5 m e v 和3 5 m e v , 注入剂量为6 1 0 1 4 i o n s c m 2 ；多能量注入的注入能量为 3 0 m e v + 3 6 m e v + 4 5 m e v ，总注入剂量为8 8 1 0 1 4 i o n s e r a 2 ；。其中多能量注入和 单能量3 5 m e v 注入形成的条形波导在光纤通讯波段1 5 5 0 r i m 波长t m 偏振下形 成了低损耗的单模波导，其中多能量注入形成的条形波导测得的损耗范围主要在 0 3 8 0 4 5 d b c m 之间，符合实际应用对光波导损耗的要求( 小于l d b e m ) 。 本文系统的研究了氧离子注入m g o ：l i n b 0 3 晶体制备平面波导和条形波导。 研究了不同注入条件下的晶体光学性质的变化，以及不同退火条件处理对波导折 射率、导波模式和波导损耗的影响，为制备低损耗m g o ：l i n b 0 3 波导器件提供了 丰富的试验依据。 关键词：离子注入，平面光波导，条形光波导，传输损耗，折射率分布，m g o ：l i n b 0 3 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h en o t i o no fi n t e g r a t e do p t i c sh a sb e e np r o p o s e db yb e l ll a bi n19 6 0 s ，i t g r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , i ti sa l s ot h eb a s i co ff u l l o p t i c a lc o m m u n i c m i o na n dc a l c u l a t i o n i n t e g r a t e do p t i c si sac o m b i n e ds y s t e mo f p h o t o na n de l e c t r o nw h i c hb a s e do nt h ew a v e g u i d ep h e n o m e n a , c o n n e c t e db yo p t i c a l f i b e ra n dw a v e g u i d e t h ee l e m e n t a lc o m p o n e n t sa r ew a v e g u i d ed e v i c e s u s i n gt h e t h e o r yt h a tl i g h tw i l lt o t a l l yr e f l e c ti nt h ei n t e r f a c eo fm a t e r i a lw i t hd i f f e r e n tr e f r a c t i v e i n d e x ，l i g h tw a v ep r o p a g a t i o ni sc o n f i n e di nm i c r o nd i m e n s i o nf i l m t h ec o n t e n t so f i n t e g r a t e do p t i c sa r ee x t r e m e l ya b u n d a n t , b u tt h ev e r yf o u n d a t i o ni sl i g h tt r a n s m i s s i o n i nf i l m s a l lt h ep r o c e s s i n go fl i g h ts i g n a l sm u s td e p e n do nl i g h tw a v ep r o p a g a t ei n f i l m s t h u s ，w a v e g u i d ep l a yac r u c i a lr o l ei ni n t e g r a t e do p t i c s t h e r e f o r e ，p e o p l e a p p l yv a r i o u st e c h n o l o g i e st of a b r i c a t ew a v e g u i d e i o ni m p l a n t a t i o nh a sf o l l o w i n gm e r i t sc o m p a r i n gt oo t h e rm e t h o d ss u c ha s d i f f u s i o na n de x c h a n g e ：i tc a nc h a n g et h er e f r a c t i v ei n d e xo fm a t e r i a l sw i t h o u t c h a n g i n gt h em a t e r i a l s o p t o e l e c t r o n i cp r o p e r t i e sa n dh a sl i t t l ed a m a g eo nc r y s t a l s t r u c t u r eo fw a v e g u i d e l a y e r ；, i tc a np r o c e s si nr e l a t i v e l yl o wt e m p e r a t u r e ；a n dw ec a l l p r e c i s e l yc o n t r o lt h e d o s ea n d d e p t ho fi m p l a n t a t i o n i o ni m p l a n t a t i o ni n c l u d e st w om e t h o d s ，o n ei sl i g h ti o ni m p l a n t a t i o na n dt h e o t h e ro n ei san e wm e t h o dc a l l e dl o wd o s eh e a v yi o ni m p l a n t a t i o n h e a v yi o n i m p l a n t a t i o nh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：t h ed o s eo fi o n si sv e r yl o wa n dt w oo rt h r e e m a g n i t u d eo r d e r sl o w e rt h a nl i g h ti o ni m p l a n t a t i o nw h i c hc a nr e d u c ei m p l a n t a t i o n t i m ec o n s i d e r a b l ya n dl o w e rt h ef a b r i c a t i o nc o s tc o n s e q u e n t l y ；, t h ed a m a g el a y e ro f h e a v yi o ni m p l a n t a t i o ni sb e n e a t ht h ec r y s t a ls u r f a c ea b o u tl u mt o1 5 u r nw h i c hc a n e a s i l yf o r ms i n g l em o d ew a v e g u i d e l i t h i u mn i o b a t e ( l n ) i sw i d e l ya n dm o s tf r e q u e n t l yu s e df o rp r e p a r a t i o no f v a r i e t yo fw a v e g u i d ed e v i c e sd u et o i t s l a r g eo p t o e l e c t r o n i c ，o p ta c o u s t i c a n d n o n l i n e a rc o e f f i c i e n t sa n ds t a b l ec h e m i c a lc a p a c i t i e sa sw e l la sl o wc o s tt og r o wb i g s i n g l ec r y s t a l s i th a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so fs i n g l em o d ef i b e r 3 山东大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n ds e , n s o r se t c t h i sa r t i f i c i a lc r y s t a li sa s v a l u a b l ea ss i l i c o nc r y s t a l l i t h i u mn i o b a t eh a ss u c hv e r s a t i l ep r o p e r t i e sa n dp r o m i s i n ga p p l i c a t i o n sa l s o c l o s e l yr e l a t et oi t sn u m e r o i l qd o p i n ge l e m e n t s p u r el i t h i u mn i o b a t ep r o v i d eu sa g o o dp l a t f o r m , v a r i o u sd o p a n tm a k et h i sc r y s t a ls oi m p o r t a n t o fw h i c hh i g hd o p e d m a g n e s i u m ( o v e r4 6 m 0 1 ) ，p h o t o r e f r a c t i v er e s i s t a n c ea b i l i t yi m p r o v ei nt w o m a g n i t u d eo r d e r s m g o ：l i n b 0 3 sh i g hr e s i s t a n c et oo p t i c a ld a m a g em e e t st ot h e a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n to fh i g hp o w e rd e n s i t yd e v i c e ss u c h 签m o d u l a t o r , f r e q u e n t d o u b l e r sa n dw a v e g u l d el a s e rr e s o n a t o r t of a b r i c a t ea n df u r t h e r i n v e s t i g a t et h e o p t i c a la n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r so fm g o ：l i n b 0 3i o ni m p l a n t a t i o nw a v e g n i d eh a sa n i m p o r t a n tv a l u ei nb r o a d e nt h ea p p l i c a t i o na r e a so fw a v e g u l d ed e v i c e s t h e r e f o r e , w e m a i n l y 哪m a g n e s i u md o p e dl i t h i u mn i o b a t e0 v l g o ：l i n b 0 3 ) a se x p e r i m e n t m a t e r i a l s c o n v e n t i o n a lw a v e g u i d ep r e p a r a t i o nm e t h o d sf o rl ns u c h 嬲t id i f f u s i o na n d p r o t o ne x c h a n g em e e ts e v e r a ld i f f i c u l t i e sw h e na p p l yt om g o ：l i n b 0 3 u s i n gt i d i f f u s i o nm e t h o d , b o t ht h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n dp h o t o r e f r a c t i v er e s i s t a n ta b i l i t y w i l ld e c r e a s e u s i n gp r o t o ne x c h a n g em e t h o d , t h ed i f f u s i o ns p e e dw i l ls l o wd o w n m o r e o v e r , w a v e g n i d em a d eb yt h e s et w om e t h o d sh a sac o m p a r a b l yl a r g ep r o p a g a t i o n l o s s d u et ot h ea d v a n t a g eo fi o ni m p l a n t a t i o nm e t h o d , i tm i g h tb e c o m ea ne f f e c t i v e a p p r o a c ht om a k el o wl o s sm g o ：l i n b 0 3w a v e g u i d e w ed i dr e s e a r c ho nz - c u tm g o ：l i n b 0 3s a m p l e si m p l a n t e db yl o wd o s e0 2 + i o n s f i r s t l y , w em a d em g o ：l i n b 0 3p l a n a rw a v e g u i d ew i t hi m p l a n t a t i o ne n e r g y f r o m1 5 m e vt o4 s m e va n di m p l a n t a t i o nd o s ef r o m4 x 1 0 1 4t o l 2 x l o i o n s c m 2 s i n g l em o d ew a v e g u i d ew a sf o r m e db yi n c r e a s e de x t r a o r d i n a r yr e f r a c t i v ei n d e xa t t mp o l a r i z a t i o no fw a v e l e n g t ho f6 3 3 n ma n d15 3 9 n r nr e s p e c t i v e l y t h ec h a n g eo f w a v e g u i d el o s sa n dr e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l ef o l l o w e db yd i f f e r e n ta n n e a l i n gt r e a t m e n t s w e f eo b s e r v e da n dm e a s u r e d a f t e ra n n e a l i n ga t2 3 0 a n d3 0 m i n i u t e s ，t h e p r o p a g a t i o nl o s so ft h ew a v e g u i d ew a sd o w nt o0 9 d b - 2 0 d b r e s e a r c ho i lf a b r i c a t i o no fm g o ：l i n b 0 3c h a n n e lw a v e g u i d ew a si n t r o d u c e d b o t hs i n g l ee n e r g ya n dm u l t i p l ee n e r g yi o n sw e r ei m p l a n t e di n t os a m p l e sw i t hs t r i p e 4 山东大学硕士学位论文 p a t t e r n e dm e t a lm a s kt om a k ec h a n n e lw a v e g u i d e t h ei m p l a n t a t i o np a r a m e t e ro f s i n g l ee n e r g yi s1 5 m e va n d 3 5 m e vw i t hs a m ei m p l a n t a t i o ne n e r g y6 xl0 1 4 i o n s c m 2 ， w h i l e3 0 m e v + 3 6 m e v + 4 5 m e va n dt o t a l l yi m p l a n t a t i o nd o s eo f8 8 x10 1 4 i o n s c m 2 t h es a m p l e so fm u l t i p l ye n e r g yi m p l a n t a t i o na n d3 5 m e vi m p l a n t a t i o nf o r m e dl o w l o s ss i n g l em o d ew a v e g u i d ew i t ht mp o l a r i z a t i o na tw a v e l e n g t ho f15 5 0 n mw h i c hi s t h ef i b e rc o m m u n i c a t i o nw a v eb a n d 。f o rm u l t i p l ee n e r g yi m p l a n t a t i o n s ，t h em e a s u r e d p r o p a g a t i o n sl i em a i n l yb e t w e e no 3 8 0 4 5 d b c m , t h ev a l u em a t c h e st h er e q u i r e m e n t f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ( s m a l l e rt h a nid b c m ) t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e do nf a b r i c a t i o no fm g o ：l i n b 0 3c h a n n e l a n dp l a n a rw a v e g u i d eu s i n go x y g e ni o ni m p l a n t a t i o n t h ec h a n g eo fs a m p l e so p t i c a l p r o p e r t i e sf o r m e db yd i f f e r e n ti m p l a n t a t i o np a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d t h ee f f e c t so f d i f f e r e n ta n n e a l i n gp a r a m e t e r sf o rr e f r a c t i v ei n d e xa n dw a v e g u i d el o s sw e r ed i s c u s s e d a l lt h ed a t aa n da n a l y s i sp r o v i d er i c he x p e r i m e n t a lb a s i sf o rf a b r i c a t i n gl o wl o s sm g o ： l i n b 0 3w a v e g u i d ed e v i c e s k e y w o r d ：i o ni m p l a n t a t i o n ，p l a n a rw a v e g u i d e ，s t r i p ew a v e g u i d e ，p r o p a g a t i o nl o s s , r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e ，m g o ：l i n b 0 3 5 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 6 9 年，s t e w a r tm i l l e r 首次提出集成光学的概念【l 】。集成光学以激光作为 信息的载体，将激光光束的发生、耦合、传输、开关、调制、探测等一系列的功 能集于一体，是新一代的光学系统。集成光学的基础是导波光学，光波导器件是 集成光学的基本单元，同时也是全光传输的基础。光波导利用光波在折射率不同 的两种物质界面上会发生全反射的原理，将光限制在微米数量级的薄膜内传输。 集成光路是将多个波导器件集成在同一芯片上，具有重量轻、体积小、耐震动、 抗电磁干扰、损耗低等诸多优点【2 】。 集成光学的基础是各种分立的导波光器件，分有源器件与无源器件两种。 无源器件在空间上对光路进行限制和改变，如光的传输、偏转、分束等；有源器 件不仅仅是光的传输元件，而且包括光的产生、调制、探测等功能。目前集成光 学的波导器件的基本材料主要是无机晶体，如l i n b 0 3 、l i t a 0 3 等；另外，半导体 量子井、超晶格新型结构的出现给半导体集成光电子技术带来了活力，如g a a s 及其他i 一v 和i i 族化合物【3 】【4 】；以硅作为基底的集成光路的研究也十分活 跃，因为它可以和电直接结合【5 】；有机光波导器件也处于不断的进展中【6 】。 由于光波导的重要应用价值，人们已发展了多种技术来研制光波导，优化 实验条件，改进实验方法，从而提高波导质量，到目前为止，成功的应用于制备 光波导的方法主要有：( 1 ) 薄膜波导：指利用薄膜生长技术制备的具有特定折射 率的薄膜形成波导结构。( 2 ) 扩散：利用高温扩散使掺杂物质进入到材料中去， 改变材料的折射率形成波导结构。目前t i ：l i n b 0 3 ( 铌酸锂) 波导已经进入商业化的 应用阶段。( 3 ) 离子交换：通过离子置换使杂质离子替换晶格中的原有离子，达 到改变折射率的目的，制备光波导。( 4 ) 离子注入。 传统的离子注入光学材料光波导是采用h 或h e 等轻离子注入，离了能量为 m e v 、剂量1 0 1 6 i o n s c m 2 左右【7 1 2 】。其形成的物理机制一般认为 1 3 】：在离子注 入过程中，注入离子在其射程末端破坏了晶格结构从而形成一个损伤层，损伤层 内晶格的部分非晶化并造成这部分晶格的密度降低，最终导致在损伤层内的折射 率降低，形成光学位垒。被低折射率的位垒层及材料表面的空气层所包围的区域 就形成了光波导结构。位垒层的产生主要与注入离子的核能量损失有关，而注入 7 山东大学硕士学1 立论文 离子在波导区的电子能量损失将主要造成点缺陷的产生。这些点缺陷的存在会增 加波导的吸收与发散损耗，因而通常用先注入后退火的方法降低波导的损耗。 最近的一些研究成果表明，重离子( 质子数大于h 、h e 的离子) 注入到某些光 学材料中可能引起折射率的增加，这为我们用离子注入形成光波导提供了新的思 路。1 9 9 3 年b r s l l i 等用1 5 m e vq l 离子注入l i 卜3 晶体形成单模波导 1 4 】，注入 剂量为5 1 0 1 4 i o n s e r a 2 ；2 0 0 1 年h h u 等人用3 0 m e v 的s i 离子注a l i n b 0 3 晶体形成 了异常光折射率增加的单模光波导 1 5 】，经过退火处理，其传输损耗为0 6 4 d b c m 。 可以发现，较低注入剂量的重离子注入也能够形成光波导，而且可以形成单 模的波导结构，其传输损耗可以低于l d b c m ，具有实际的应用价值。由于注入 剂量比轻离子注入低1 - - 3 个数量级，可以大大降低制造成本，有利于工业化的生 产。而且这种形成的波导是被限制在空气和衬底之间，没有隧道效应，可以消除 隧道损耗。 与轻离子注入光学晶体位垒的形成机理不同，对于m e v 重离子低剂量注入铌 酸锂形成异常光折射率的增加，h h u 等人认为是由于低剂量重离子注入导致铌 酸锂晶体的部分自发极化降低，使注入区的异常光折射率增加f 1 6 1 。g g b e n t i n i 等人认为在离子注入射程内最初的电子相互作用占主导地位，注入区异常光折射 率增加主要是电子相互作用的结果 1 7 】。尽管更为详尽的机理还有待于继续讨 论，但是重离子注入对于光学材料折射率的改变不仅有重要的理论意义，而且具 有潜在的应用前景。 唧ti隗呻 图1 1 离子注入形成光波导折射率分布示意图 ( a ) 典型轻离子注入，( b ) 折射率增加犁离子注入 ：皂oq x口ui，、叠ui葛芷 ku-d y6弓co芍皇叱 山东大学硕士学位论文 对于上面提到的扩散、离子交换、轻离子注入、重离子注入等制备光波导 的方法，由于其制备方法的不同，波导的折射率分布也有各自的特点。离子交换 和扩散都是依靠波导区内折射率的增加来限制光的传播的，它们只是在折射率增 高层的形状上有所不同。图1 1 是离子注入形成光波导折射率分布示意图，如图 1 1 ( a ) 所示，轻离子注入一般则是在离子射程的末端形成了光位垒，而在波导区， 折射率变化不大。位垒的深度可由入射离子的种类和能量来决定，位垒的宽度和 高度可由入射离子的剂量和多能量的离子注入来决定。如图1 1 ( b ) 对于某些重离 子注入形成光波导来说，不仅在离子射程末端形成折射率降低的光学位垒，而且 在波导区内的折射率有一定程度的增加。因此重离子注入光波导既避免了大的注 入剂量而且具有扩散和离子交换技术形成折射率增高型光波导的特点，损耗相对 较小。 综合以上的介绍我们看到利用离子注入形成光波导结构具有以下的优点： 1 ) 注入离子的剂量可以精确控制。由于注入离子都是带电离子，可以通过测量 注入束流对注入剂量进行精确的控制。 2 ) 注入形成光学位垒的深度，也就是波导的厚度精确可调。由于形成光学位垒 的深度与注入离子的能量和离子种类有关，因此可以通过调整这两个参数来 对波导深度进行调整。 3 ) 离子注入对于形成波导温度的要求较低。在应用中许多光学晶体材料的光电 和非线性特性是同它们的晶格结构联系在一起的，而较高的温度往往会引起 晶体的相变。离子注入可以在常温或低温下完成，而且注入损伤主要产生在 射程末端，波导区域的晶格特性保持比较完好，可以比较理想地保持部分晶 体的非线性和光电特性。 4 ) 离子注入在形成光波导的同时还可以对材料同时进行掺杂。由于离子注入的 深度只与注入能量有关，可以不考虑其它方法的一些热力学限制，离子注入 可以把多种离子掺杂到光波导材料中去。 平面光波导是结构最简单和最常用的光波导，但它只能在一个方向上对光场 有限制作用，存在着横向衍射，用它制作的波导器件受到了一定的限制，因此就 发展了条形光波导，能在两个方向上对光波进行约束。条形光波导是光波耦合器、 9 山东大学硕士学位论文 波导调制器、波导开关以及波导激光器等无源和有源器件的基础 1 8 ，1 9 】。近年来 条形光波导的制备成为光波导研究的热点，简单的说形成条形光波导主要有两种 方法：1 先形成图形然后用制备平面波导的多种方法形成条形波导 2 0 - 2 4 ：2 在 平面波导的基础上利用掩膜结合刻蚀技术形成条形波导【2 5 2 8 。 l i n b 0 3 晶体【2 9 】具有大的电光、声光及非线性光学系数，材料的化学性能稳 定，晶体生长成本低且易生长出大尺寸的单晶等优点而广泛用于制备各种光波导 器件，成为集成光学最常用的无机介电晶体材料，在单模光纤通信系统【3 0 】、信 号处理、传感器以及光纤陀螺等领域有重要的应用。l i n b 0 3 波导制作工艺通常 采用t i 扩散法和质子交换法，能制作出高质量、高性能的光波导。而掺稀土元 素( 如e r ) 的l i n b 0 3 晶体可作为有源材料制作光波导激光器和放大器 3 1 】，弥 补了l i n b 0 3 无源材料的限制。因此，l i n b 0 3 成熟的波导制作技术及其有源、无 源器件潜在的集成能力，使之成为很有前途的研究、开发和应用领域。 但l i n b 0 3 材料的缺点是在可见光区域容易产生光折变效应【3 2 】，低的光损 伤阈值限制了其波导器件在高光功率密度场合时的应用，如波导调制器。波导倍 频器等。虽然质子交换法制备的l i n b 0 3 波导，在一定程度上提高了其抗光损伤 能力，但对于更高的光功率密度，仍是难以承受的。实验发现，在l i n b 0 3 晶体 生长时掺入一定摩尔比的m g o ，形成m g o ：l i n b 0 3 ，当掺杂浓度大于4 6 m o l 时，其抗光损能力增强了约1 0 0 倍【3 3 】，能适应波导器件对高功率密度承受能力 的要求。常见的制作l i n b 0 3 波导的方法，如t i 扩散发，质子交换法，当应用 在m g o ：l i n b 0 3 晶体时遇到以下问题 3 4 - 3 6 ：扩散系数明显下降，波导制作时 间大大延长；制作的光波导损耗过大，不能实际应用。对于t i 扩散法，波导的 抗光损能力也会下降。 离子注入法制备光波导由于其特有的优点，如普遍适用性以及能最大程度的 保持晶体原有性质，特别是重离子低剂量离子注入法在l i n b 0 3 晶体成功的制备 了异常光折射率增加型的低损耗波导 3 7 - 4 2 ，有望成为m g o ：l i n b 0 3 波导的有 效的制作方法，研究重离子注入m g o ：l i n b 0 3 晶体平面和条形波导制备和性质 有重要的应用价值。 我们的丰要目的是利用重离子注入法在m g o ：l i l 娜a 0 3 晶体形成平面和条形 波导，具体是用0 2 + 离子注入，注入剂量从4 x1 0 4 到1 2 x1 0 1 4 i o n s e r a 2 ，能量从 1 0 山东大学硕士学位论文 1 5 m e v 到4 5 m e v 。形成的波导使用6 3 2 8 n m 和1 5 3 9 n m 波长的激光激发，研究 m g o ：l i n b 0 3 波导折射率随不同离子剂量以及不同的退火条件变化的规律，以期 能降低波导损耗及实现单模传输，找出实现m g o ：l i n b 0 3 波导的最佳条件。 本文第一本部分为绪论，第二部分介绍有关的基本概念与原理，如波导的线 光学理论，第三部分介绍了相关的实验技术，如棱镜耦合法，端面耦合法以及波 导损耗的测量方法等。第四部分是对0 2 + 注入m g o ：l i n b 0 3 晶体平面波导的研究， 发现在适当的注入条件下，可以形成异常光折射率增加型的支持6 3 3 n m 和 1 5 3 9 n m 波长的单模波导，并证明适当的退火可以减小波导的损耗。第四部分是 对单能量单剂量和多能量多剂量0 2 + 注入m g o ：l i n b 0 3 形成条形波导的特性的研 究。第五部分对所做的工作进行了总结。 山东大学硕士学位论文 第二章光波导理论简介 2 1 光波导的结构类型【4 3 ，4 4 】 2 1 1 平面光波导 平面光波导是最简单的一种波导，它是由一层高折射率的介质夹在两层折射 率略低的介质之间构成的，如图2 1 所示，平面光波导其几何尺寸在y 方向是无 限的，其光场沿z 方向传输，仅仅在x 方向受到限制，这实际是波导的横向宽度 比其厚度大的多时的近似，这种结构属于一维限制的二维波导。平面光波导按照 折射率的变化可以划分为折射率呈阶梯状变化的折射率突变型光波导和折射率 缓慢变化的折射率渐变型光波导。 图2 1 平面介质光波导的横截面简图 图中n l ( x ) 是波导区折射率，n 0 和力2 分别是覆盖层和衬底的折射率一般来说 n o ，n z j q 2 劲o 。由于波导层的厚度只有微米量级，所 以这种结构的波导又称为薄膜波导。由于覆盖层很多情况下是空气，于是，1 0 l ， 因而常见的波导属于非对称型。 j t 1 图2 4 三层结构的平面光波导 导光) y 在图2 4 所示的最基本的二维光波导中，如果相对于波导层内的界面以角度 口射入一束光。光线在波导层上下界面的临界角分别为 a l o = a r c s i n ( n o n 1 )( 2 2 1 ) o n = a r c s i n ( n 2 n o ( 2 2 2 ) 通常情况下，由于n 2 n o ，从而可以得出0 1 2 0 1 0 。如图2 5 ，随着p 的变化 光波的传输方式有三种不同的情况出现。 ( 1 ) 当0 0 l o 时，由基质一侧入射的光按照斯奈尔定律相继经历两次界面折 射后由覆盖层逃逸。与此相对应的光波称为辐射波，光波的传输方式称为衬底包 层辐射模，如图2 5 ( a ) 所示。 ( 2 ) 当0 1 0 0 0 1 2 时，从基质一侧入射的光首先在基质薄膜界面发生折射， 然后在薄膜塌l 盖层发生全反射，最后在薄膜基质界面再次发生折射并回到基质 中去。与此相对应的光波称为衬底辐射波，光波的传输方式称为衬底辐射模，如 图2 5 ( b ) 所示。 ( 3 ) 当0 t 2 0 尢2 时，光波在波导层的上下界面处均发牛全反射，被限制 在波导层内，沿z 方向按锯齿形光路传输。与此对应的光波称为传导波，光波的 1 4 山东大学硕士学位论文 传输方式称为导模，如图2 5 ( c ) 所示。此时光波在薄膜内形成沿z 方向的驻波， 在上部包层和衬底内形成场振幅沿石方向指数衰减的消逝场。 ( a )( b ) ； ，1 2 ( c ) 图2 5 平板波导中可能存在的几种波 ( a ) 辐射波；嘞衬底辐射波：( c ) 传导波 图2 5 ( c ) 表示平面波导的侧视图。假定导波沿z 轴方向传播，并在x 方向 受到横向约束，而在与x z 平面垂直的y 方向，无论是波导结构还是光，都是均 匀的。在入射角满足畛侠1 2 ，优t 3 的条件下，光束沿“z ，形路径在薄膜介质中传播。 引进沿z 方向的传播常数， 夕= t = k is i n o f ( 2 2 3 ) 很显然 s m 啡t z = 鲁= 鲁， 所以胪恕，于是有k ： k 。，或写为 力2 k o 刀i ( 2 2 4 ) 定义“导波有效折射率”为 以。= , e k o = 刀ls i no , ，则有y y 程( 2 2 3 ) 得到 一2 n 刀- ( 2 2 5 ) 引进沿x 方向传播常数k ， 山东大学硕士学位论文 r = t = k i c o s 0 ( 2 2 6 ) 所以波导中的波场按以下方式变化： e x p 【f ( 舡+ 屈) 】( 2 2 7 ) 式中k 前面的4 - 号对应于斜向上和斜向下传播的平面波。光第一次横向穿过 波导的相移是k t ，在薄膜覆盖层分界面上全反射相移是2 9 1 3 ，另一次向下横穿 薄膜的相移也是埘，在薄膜基质界面上全反射的相移是2 9 1 2 ，为了达到相干加 强的目的，这些相移累加的总和必须是2 兀的整数倍，所以能在平面波导中形成 导模的条件是 2 t a 一2 9 1 3 2 9 1 2 = 2 掰万( 2 2 8 ) 、 其中m 取0 、l 、2 、3 、等有限个整数，相移伊1 2 和伊1 3 是由( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 所描述的角度口的函数。( 2 2