（光学工程专业论文）离子注入铌酸锂晶体光波导切伦科夫倍频转换效率研究.pdf

山东大学硕士学位论文 符号说明 基波 二次谐波 介质的折射率 非线性极化矢量 传输功率 波导深度 互作用宽度 切伦科夫辐射角 非线性极化系数 光波的波矢 导模的阶数 光波的相移 波导传播常数 光波导的有效折射率 光波的电场 光波的磁场 光波中的横电波 光波中的横磁波 光波角频率 真空介电常数 真空磁导率 折射率相对差 光波的波长 转化效率 7 n k 玳 皿 n 出 骱 叭 “ k 毗 办 肛 耻 毗 毗 眦 纵 “ 尔 小 私 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g i 用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己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。 论文储魏袒日期：掣以良 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：导师签名：韫日期：导师签名：鼍龇日期： 峰泖 山东大学硕士学位论文 摘要 光波导是集成光学的基本单元，同时也是全光网络传输的基础。光波导结构 在现代光通信领域里具有十分重要的用途。光波导以其独特的性质，在各种光器 件的制造中起着重要的作用。由于光波导的重要应用价值，人们一直在探索有效 的方法来制备具有优良性质的光波导。近年来关于波导激光和波导放大器的研究 成为热点之一，而它的必由之路就是在激光晶体上形成波导结构。 离子注入技术已成为制备光波导的有效手段之一。迄今为止，人们已经利用 离子注入技术在光学晶体、玻璃、半导体以及有机聚合物等大量光学材料中形成 了光波导结构。目前国际上多采用能量为几兆电子伏的离子注入到光学材料内， 在表面微米量级的范围内形成波导结构。在本论文中，我们即采用了离子注入方 法来制备光波导，研究所制备的波导的性能，以优化制备条件。 短波长的相干光源在许多领域中都有广泛的应用。( 例如：光盘的写入和读出、 海底光通信，激光医疗等方面) 。而输出短波长的半导体激光器目前尚未成熟，因 此，采用普通半导体激光器( 输出波长为0 8 2 a m 一0 8 4 9 i n ) 与一个波导倍频组合 而得到短波长激光光源是一种可行的设想，波导倍频器较体倍频器而言，有其特 有的优点。因为在波导区，基光光场被很好的压缩，在l m w 的入射光功率下，导波 区的基波光功率密度可达1 0 6 w c m 2 。而倍频的转换效率与基波的功率密度成正 比。所以采用波导倍频方式有助于提高倍频的转换效率。其次，波导倍频的相位 匹配也有很突出的优点。 铌酸锂( l i n b o ：，) 晶体是一种集电光、声光、弹光、光折变和激光活性等效应于 一体的性质优良的光学晶体，己经成为重要的光波导材料，是光电子领域最基本 和最重要的功能材料。由于铌酸锂晶体的巨大应用，对这种晶体的研究一直也没 有间断过。目前，研究导波光学的经典理论主要有两种，一种是线光学理论，这 种理论以光的直线传播及光在介质界面发生全反射，从而使光在波导内沿z 字型 前进为基础，分析光在波导内传播的各种特性；另一种光波导理论是以麦克斯韦 山东大学硕士学位论文 ( m a x w e l l ) 方程组为基础的电磁场理论，通过解满足特殊条件下的m a x w e l l 方程组， 来研究波导的各种特性。 本论文采用第二种方式对波导倍频特性进行了研究，主要工作总结如下： ( 1 ) 介绍了x 切离子注入铌酸锂晶体光波导t e 模导波模式，从麦克思韦方 程组出发，建立了理论计算模型，详细计算了切伦科夫辐射倍频过程，得出了切 伦科夫倍频转换效率，并讨论了影响切伦科夫倍频转换效率的多种因素，比如注 入深度，折射率，泵浦波长等，对优化离子注入晶体的制备提供了理论依据。 ( 2 ) 研究了z 切离子注入铌酸锂晶体光波导t m 模导波模式，通过所建立的理 论模型，详细计算了倍频转换效率，并讨论了切伦科夫倍频转换效率和波导注入 深度，折射率，泵浦波长等参数的关系。 关键词：离子注入，铌酸锂，切伦科夫倍频，t e 模，t m 模。 4 山东大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t o p t i c a lw a v e g u i d ei st h eb a s es t r u c t u r eo fi n t e g r a t e do p t i c sa n dt h eh o l o - o p t i c a l n e t w o r k o p t i c a lw a v e g u i d es t r u c t u r e sa r eo fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h e m o d e r no p t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s t h es p e c i f i cp r o p e r t i e so ft h ew a v e g u i d eh a v e m a d ew a v e g u i d ep l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef a b r i c a t i o no fv a r i o u so p t i c a ld e v i c e s b e c a u s eo fi t si m p o r t a n c ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , m a n yp e o p l ea r ei n v e s t i g a t i n gt h e w a y st of a b r i c a t i n g ”h i g h - q u a l i t y ”o p t i c a lw a v e g u i d e r e c e n t l yt h es t u d yo fw a v e g u i d e h s e r sa n da m p l i f i e r sh a sb , o m eo n eo ft h em o s ti n t e r e s t i n gf o c u s e si nt h ei n t e g r a t e d o p t i c s ，w h i l et h en e c e s s a r ym e t h o df o rt h ew a v e g u i d el a s e rg e n e r a t i o ni s t of o r m w a v e g u i d es t r u c t u r e si nt h el a s e rm a t e r i a l s i o ni m p l a n t a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n i q u e sf o rt h e f a b r i c a t i o no fv a r i o u sw a v e g u i d e s u pt on o w ，m a n yw a v e g u i d es t r u c t u r e sh a v eb e e n f o r m e db yi o ni m p l a n t a t i o ni nv a r i o u sm 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 e s ， s e m i c o n d u c t o r sa n dp o l y m e r s ，c t c n o w a d a y st h ei o n sw i t he n e r g i e so fs e v e r a lm e va r e o f t e ni m p l a n t e di n t ot h eo p t i c a lm a t e r i a l st of o r mw a v e g u i d es t r u c t u r e so fs e v e r a l m i c r o n sb e n e a t ht h es u r f a c eo ft h es a m p l e i nt h i st h e s i s ，i o ni m p l a n t a t i o nh a sb e e nu s e d t of o r mt h ew a v e g u i d ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew a v e g u i d eh a s b e e ns t u d i e di no r d e r t oo b t a i nt h eo p t i m a lf a b r i c a t i o nc o n d i t i o n s s h o r t - w a v e l e n g t hl i g h ts o u l e sh a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nm a n ya r e a s ( f o re x a m p l e ：c dw r i t eo na n dr e a do u t ，t h es e a b e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，l a s e r m e d i c a l ，e t c ) a st h et e c h n o l o g yo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t hs h o r t w a v eo u t p u ti sn o t y e tm a t u r e ，i ti sav i a b l ea s s u m p t i o nt ou s eo r d i n a r ys e m i c o n d u c t o rl a s e r ( o u t p u t w a v e l e n g t ho f0 8 2 a n - 0 8 4 a n ) w i t hac o m b i n a t i o no ff r e q u e n c yd o u b l i n gw a v e g u i d e t og e tas h o r t w a v e l e n g t hl a s e rs o u r c e c o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r yb o d y - m e d i u m , w a v e g u i d ec a nr e s t r i c tt h eb e a mi nas m a l lr a n g e ，e v e nam o d e r a t ep o w e rl a s e rb e a m c a ni n d u c eah i g hp o w e rd e n s i t y , w h i c hc a nl e a dt oh i g l lf r e q u e n c y - d o u b l i n gc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ff r e q u e n c yd o u b l i n gi sp r o p o r t i o n a lt ot h ep o w e r d e n s i t yo ff u n d a m e n t a lw a v e t h e r e f o r e ，i t i sh e l p f u lt oi m p r o v et h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yb yu s i n gw a v e g u i d ef r e q u e n c yd o u b l i n g s e c o n d , t h ep h a s e - m a t c ho f 5 山东大学硕士学位论文 w a v e g u i d ef r e q u e n c yd o u b l i n ga l s oh a sv e r yp r o m i n e n ta d v a n t a g e s l i n b 0 3c r y s t a l sa r eo fg r e a ti m p o r t a n c ef o rf a b r i c a t i o no fi n t e g r a t e dd e v i c e sd u et o t h e i rg o o di n t r i n s i cp r o p e r t i e ss u c ha sh i g he l e c t r o o p t i c ，a c o u s t i c - o p t i cc o e f f i c i e n t ， e x c e l l e n tn o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e s ，a n dh i g hc u r i et e m p e r a t u r e a si th a ss om a n y t r e m e n d o u sa p p l i c a t i o n s ，t h er e s e a r c ho fl i t h i u mn l o b a t eh a sn e v e rb e e ni n t e r r u p t e d a t p r e s e n t ，t h e r ea r et w om a j o rc l a s s i c a lt h e o r i e ss t u d y i n gg u i d e dw a v eo p t i c s o n ei st h e l i n eo p t i c a lt h e o r y ，w h i c hi sb a s e do nt h el i n e a ro p t i c a lt r a n s m i s s i o na n dt h et o t a l r e f l e c t i o ni nt h ei n t e r f a c eo ft h em e d i a , s ot h a tt h el i g h ti nt h ew a v e g u i d et r a v e l sa l o n g t h ez - s h a p e df o r w a r di nt h eg u i d et oa n a l y z et h ev a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r a n s m i s s i o nw i t h i no p t i c a lw a v e g u i d e a n o t h e rt h e o r yi sa ne l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y b a s e do nm a x w e l lq u a t i o n s , w h i c hs t u d i e st h ev a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c so fw a v e g u i d eb y s o l u t i n gt h em a x w e l le q u a t i o n sm e e t i n gs p e c i a lc o n d i t i o n so ft h ew a v e g u i d e i nt h i sp a p e r , t h es e c o n da p p r o a c ht os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a v e g u i d e f r e q u e n c yd o u b l i n gi sc h o s e n ，t h ep r i n c i p a lt a s k sa r cs u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w ei n t r o d u c e dt h eg u i d e dt em o d ei nt h ex - c u ti o n i m p l a n t a t e dl i t h i u mn i o b a t e c r y s t a lw a v e g u i d e ，e s t a b l i s h e dat h e o r e t i c a lm o d e lf r o mt h em a x w e l lq u a t i o n s ，g a v ea d e t a i l e dp r o c e s so fc a l c u l a t i n gt h ec h e r e n k o vr a d i a t i o nf r e q u e n c yd o u b l i n g , g o tt h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ec h e r e n k o vf r e q u e n c yd o u b l i n g , a n dd i s c u s s e dt h ei m p a c to f av a r i e t yo ff a c t o r s ，s u c ha st h ei n j e c t i o nd e p t h ，r e f r a c t i v ei n d e x ，t h ep u m pw a v e l e n g t h ， e t c ，t ot h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fc h e r e n k o vf r e q u e n c yd o u b l i n gw h i c hp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lb a s i so fo p t i m i z a t i o no ft h ec r y s t a li o ni m p l a n t a t i o n ( 2 ) w es t u d i e dt h eg u i d e dt mm o d ei nt h ei o n - i m p l a n t a e dz - c u tl i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l w a v e g u i d e ，g a v ead e t a i l e dp r o c e s so fc a l c u l a t i n gt h ec h e r c n k o vr a d i a t i o nf r e q u e n c y d o u b l i n gt h r o u g ht h ee s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e l ，a n dd i s c u s s e dt h er e l a t i o n sb e t w e e n t h ep a r a m e t e r s ，w a v e g u i d ei n j c c t i o nd e p t h , r e f r a c t i v ei n d e x ，t h ep u m pw a v e l e n g t h ，a n d t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fc h e r e n k o vf r e q u e n c yd o u b l i n g k e yw o r d s ：i o ni m p l a n t a t i o n , l i t h i u mn i o b a t e ，c h e r e n k o vf r e q u e n c yd o u b l i n g ，t e m o d e ，t mm o d e 6 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 上世纪六十年代末，在激光技术发展过程中，由于传统的光学系统体积大、 稳定性差、光束的对准困难，不能适应光通信、光学信息处理等的需要，人们开 始希望像集成电路一样实现光路集成，通过近几十年的努力，一些研究成果己经 在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用，并形成了一门 光学和薄膜电子学交叉的新学科集成光学。“集成光学”( i n t e g r a t e do p t i c s ) 的概 念最早是1 9 6 9 年由美国贝尔实验室的s e m i l l e r 首先提出来的【1 1 。从那时起， 集成光学在理论与应用方面都得到了长足的发展。现在的“集成光学”是一个集光 学、激光、微电子学、光电予学、通讯、薄膜技术等为一体的独立学科。其主要 研究内容是光波在透明薄膜材料中的传导、调制、放大、准直、偏转、滤波、空 间辐射、光振荡、薄膜内强场聚集引起的各种现象以及与此有关的薄膜非线性效 应等。在集成光学这个系统中，传送信号的载波是光波，系统的连接通过光波导 和光纤，系统的元件是光波导器件。集成光学的应用领域是多方面的，除了光纤 通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器 件，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。由于 集成电子学的示范效应，使得各国科学家纷纷选择最有潜力的发展方向，不断的 发展和完善各种集成光学器件。人们预计，集成光学会像集成电子学一样，将引 起信息技术发展的深刻变革【2 - 4 l 。 光波导是集成光学的基本单元，同时也是全光网络传输的基础。光波导是利 用光在折射率不同的两种物质的界面上会发牛全反射的原理，将光波限制在微米 量级的薄膜内传输。光波导中的光电场在一维( 平面波导) 或二维( 矩形波导或光纤) 方向上被限制在微米量级的范围内，这样即使只有较小的输入光功率( 例如1 w ) ， 在波导( 截面为几个a n 2 ) 中仍可以保持很大的功家密度( 几十m w c m 2 ) 。小型、 紧凑的光波导结构及其平面化的制备工艺，使其有可能与光源或其它功能器件一 山东大学硕士学位论文 起进行光路集成化，这是体效应器件无法做到的。由于光波导器件独特的性能和 高集成化以及规模生产的低成本，在光通信中需要的各种光学材料和器件，例如 光放大器、光开关、光耦合器、光波分复用器及解复用器等各种光器件的制造中 起到越来越重要的作用。正是由于光波导的重要应用价值，人们已发展了许多方 法来研制光波导，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，制备光波导的方法丰要有【5 - 9 】： 1 金属扩散：利用高温扩散使金属掺杂物质进入衬底材料中去，改变材料的 折射率形成波导结构。如用扩散技术制备的e r ：t i ：l i n b 0 3 波导、t i ：l i t a 0 3 波导等。 2 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。如用离子交换制备的硅酸盐、磷酸盐玻璃波导、l i t a 0 3 波导和l i n b 0 3 波导等以及离子交换k t p 波导等。 3 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。薄膜制备技术种类繁多，制备薄膜波导的手段也是多种多样的。用于无机氧 化物薄膜光波导的制备方法丰要有以下几种：溅射( s p u t t e r i n g ) ，包括射频溅射和磁 控溅射等；液相外延( l p e ) ；分子束外延( m b e ) ；化学气相沉积( c v d ) 、金属有机 化学气相沉积( m o c v d ) 和等离子体增强的化学气相沉积( p e v c d ) ；脉冲激光沉积 ( p l d ) ；溶胶凝胶法( s 0 1 g e l ) 等。 4 离子注入：指将离了通过加速器加速后注入到晶体中，利用注入产生的损 伤、掺杂等效应改变晶体的折射率，从而在晶体注入面的近表面形成一个微米量 级的波导层。现在用离子注入已成功的在大约6 0 种光学材料上形成了光波导结构， 如离予注入制备的l i n b 0 3 、k t p 和k n b 0 3 波导等。 以上这些方法各有特点，不仅形成光波导的机理有较大差别，而且使用材料 的范围也不尽相同。离予注入技术是一种重要的材料改性技术，国内外从理论和 实践上已进行了大量研究。最初的时候丰要用于改变半导体的掺杂，现在人们已 将其应用到包括半导体材料、金属材料和绝缘体材料的改性 1 0 , 1 1 。经过对注入离 子的射程分布和损伤机理研究，可以对离子注入的射程分布、损伤等进行计算机 模拟 1 2 - 1 4 】。从七十年代以来离子注入技术被用于光学材料的改性，离子注入可以 改变这些材料的光学性质。自1 9 7 8 年发现用氦离予注入铌酸锂晶体可以形成光波 9 山东大学硕士学位论文 导以来 1 5 , 1 6 1 ，离子注入作为一种有效的形成光波导的技术，引起了人们广泛的关 注。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、半导体以及 有机聚合物在内的大量光学材料中形成了光波导结构，取得了许多新的进展1 1 7 - 2 1 1 。 通常的离子注入光学材料形成光波导是采用h 或者h e 等轻离子注入，离子的 能量在m e v 左右，注入剂量在1 0 1 6 i o i 毗m 2 数量级【2 2 2 钔。通过离子注入，在l i n b 0 3 、 k t i o p 0 4 ( k t p ) 、k t i o a s 0 4 ( k t a ) 、l i b j o s 、b i b 3 0 6 、k n b 0 3 、s r x b a l 嘱n b 2 0 6 ( s b n ) 、 b i 4 g e 3 0 1 2 ( b g o ) 、y 3 a 1 5 0 1 2 和石英等多种晶体材料中形成光学位垒型光波导；在熔 融石英和许多玻璃等多晶和非晶材料中也实现了波导结构。 对于轻离子注入光学晶体光波导的形成机理人们作了较为深入的探讨，一般 认为：在离子注入过程中，注入离子在其射程末端对晶格结构进行一定程度的破 坏，在晶体内距离表面微米量级的位置处形成一个损伤层；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。被相对较低折射率的位牟层及材料表面的空气层所包围的区域就形成 波导结构。位牟层的产生丰要与注入离予的核能量损失有关，而注入离予在波导 区的电子能量损失丰要是造成点缺陷的产生。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【2 叭。 最近的一些研究结果表明，重离子( 相对于h 、h e 等离子) 注入到某些光学 材料中可能引起折射率的增加，这就给我们用离了注入形成光波导提供了新的思 路。2 0 0 1 年h h u 等人用3 0m e v 的s i 离予注入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【姗，经过退火处理，其传输损耗为0 6 4 d b c m ；2 0 0 1 年f c h e n 等人 用2 8 m e vp 离子注入b i b 3 0 6 晶体，注入剂量为l 1 0 1 4i o n s c m 2 形成了折射率增加的 波导【3 1 】；2 0 0 2 年f c h e n 等人又用3 0 m e vs i 离了注入n d ：y v 0 4 晶体，注入剂量为 1 x 1 0 1 5i o n s c m 2 ，形成了折射率增加的光波导【3 舶。2 0 0 4 年x l w a n g 等人利用 2 8 m e v 的s i 离了注入b b o 晶体，注入剂量为l x l 0 1 5i o n s c m 2 ，同样形成了折射率增 加型的平面光波导【3 3 】。 综合上述研究成果发现，较低注入剂量的重离予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i d b c m ，具有实际的应用价值。 由于注入剂量比轻离了注入低l - 3 个数量级，可以大大降低制造成本，有利于工 业化的生产【3 4 枷】。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 l o 山东大学硕士学位论文 应，可以消除隧道损耗。 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。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。 图1 1 离子注入形成光波导折射率分布示意图。 ( a ) 典犁轻离子注入，( b ) 折射率增加型离子注入 综合以上的介绍我们看到利用离了注入形成光波导结构具有以下的优点： 1 ) 注入离了的剂量可以精确控制。由于注入离予都是带电离子，可以通过测量注 入束流对注入剂量进行精确的控制。 2 ) 注入形成光学位争的深度，也就是波导的厚度精确可调。由于形成光学位牟的 深度与注入离予的能量和离予种类有关，因此可以通过调整这两个参数来对波 导深度进行调整。 3 ) 离予注入对于形成光波导的材料和方向性要求较少。由于离了注入是一个直接 的能量交换过程，所以对于材料的晶格结构以及晶体的方向性不敏感，至今已 詈22ia誊可ui，弓毒害叱 8定-蕾口三若已毒z 山东大学硕士学位论文 经利用离子注入技术在6 0 多种材料上实现了光波导结构。 4 ) 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，而一些较高的温度往往会引起 晶体的相变，如s b n 其相变点在7 0 。c 左右。希望在这些材料上形成光波导结 构，离子注入是比较理想的方法。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。 5 ) 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。 当然离子注入形成光波导也有其不足之处：例如需要大型离子加速器或注入 机进行加工，造价比较高；注入波导损耗较大等缺点。 利用离子注入不同的特点，可以在以下一些光学性能方面和光波导器件中付 诸应用： 1 光放大器【4 1 0 4 2 在光纤传输系统中，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离，都要进行 “再生”，即使传输后的微光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光 器，生成一定强度的光信号。目前广泛使用的光纤放大器有掺铒和掺氟两种，特 别是掺铒光纤放大器( e d f a ) 的应用，实现了直接光放大，可以实现光纤长距离 高速传输，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域 上的一次革命。但是e d f a 体积较大，不易集成。因此，掺铒波导放大器( e d w a ) 的研究成为现在光通信的热点。使用e d w a 不仅可以提高集成度，实现微型化， 降低损耗，还可以保持整个器件的温度平衡，提高器件的稳定性和可靠性。 掺铒波导放大器( e d w a ) 的一个重要特点是其与e d f a 相比具有小型化的特 点，e r 主要掺杂在波导层当中，其截面积一般为1 0 - 2 1 。1 0 。2 0 c l n 2 ，在波导放大器中光 强增益应不少于。3 d b ，e r 离予浓度应在o 卜la t 范围内【4 3 1 。对e r 进行掺杂可以通 过在被掺杂样品表面镀一层e r 膜，然后进行扩散；但是这种方法产生的e r 分布， 最高浓度在样品表面，而不是在波导层的最中间。而利用离予注入方法进行e r 掺 杂，可以通过调整注入能量，使分布的峰值位置与波导的中心相吻合。利用离子 山东大学硕士学位论文 注入，已经成功的在硅玻璃 4 4 1 、l i n b 0 3 【4 5 1 、a 1 2 0 3 1 4 6 、单晶硅【4 7 】等材料上成功的 对e r 进行了掺杂。 2 波导激光 光波导的另外一个重要应用是波导激光。波导激光器是随着半导体激光器的 发展而发展起来的。它在光电子领域中，特别是光通信和固体激光器的发展中有 重要的应用前景。与体激光相比，波导激光的主要特点在于可在低功率下获得高 的增益，波导可使激光器的泵浦阈值减少两个数量级 4 s l 。所以，研制和应用波导 激光具有十分重要意义。目前，应用离子注入技术已在7 种材料上实现了波导激 光【2 9 1 。 在激光晶体上形成光波导，可以对波导激光的产生做必要的准备，是波导激 光的研究基础，所以具有重要的实际意义。大多数激光晶体具有较好的热稳定性 和抗损伤能力，因此在一些激光晶体上利用传统的轻离子形成光波导结构，往往 需要较大的剂量。因此低剂量重离子注入形成折射率增加型光波导的方法为我们 在激光晶体上形成光波导结构开拓了新的思路。例如，2 0 0 2 年f c h e r t 等人用 3 0 m e vs i 离子注入激光晶体n d ：y v 0 4 晶体，注入剂量为l x1 0 1 5i o n s c m 2 ，形成了 折射率增加的光波导【3 2 1 。 3 光折变光波导 光折变现象是首先被a s h k i n 等人于1 9 6 6 年发现的，主要是由于光强的不同分 布引起晶体的折射率的改变，由于其在全息存储和光通讯方面的潜在应用能力， 引起了人们的关注。在光波导结构中，由于波导结构较小的尺度，其中的传播光 强密度往往很大，使得光折变现象更容易观察到。例如，光波导结构中光折变响 应时间往往比体材料中的响应时间减小几个数量级。特别是近年来，人们发现光 折变晶体中光线传播类似于孤予的自聚焦无损耗传播，光折变光波导中的光孤子 研究成为研究的热剧4 9 1 。 对于光折变晶体形成光波导结构来讲，离子注入是一种比较适合的形成方式。 因为对于多数光折变晶体，其相变温度都比较低，采用扩散、离予交换等方法形 成光波导均会对晶体的光学性质有影响。大量光折变晶体首次形成波导结构往往 都是利用离了注入形成的，例如1 9 8 8 年t b r e m e r 等人利用h e 离子注入在k n b 0 3 晶体上首次形成了光波导结构【矧。1 9 9 2 年y o u d e n 等人利用离子注入在b a t i 0 3 晶 山东大学硕士学位论文 体上形成了平面光波导【5 l 】。1 9 9 5 年d k i p 等人利用离子注入方法在s b n 晶体上形 成了低损耗的光波导f 5 2 1 。1 9 9 7 年e l u 等人利用h e 离子注入c u ：k n s b n 晶体形成 了平面光波导【5 3 】。 4 光调制器和光耦合器 光调制器是光纤通讯中的一个重要器件，其主要作用是将电信号加在激光载 波上使之成为光信号。铌酸锂调制器啁啾小，传输损耗小，同时可以实现宽带调 制，最大的优势在于它的电光系数比较高。因此当前实用光纤通信系统中都选用 铌酸锂调制器。宽带铌酸锂电光调制器是目前高速、长距离光纤通信系统中必不 可少的组件【5 4 罔。 光耦合器是光纤通讯中重要的光学器件，其功能是把一个或多个光输入分配给 一个或多个光输出。从制作方法来分光耦合器可以分为两类，熔融拉锥型耦合器 和波导型光耦合器。其中波导型光耦合器具有以下特点( 1 ) 体积小、重量轻、易于 集成。( 2 ) 机械及环境稳定性好。( 3 ) 耦合分光比易于控制，在母版定形后，可以大 批量生产。( 4 ) 易于制成小型化的宽带耦合器件。总之波导型耦合器顺应了光纤通 讯的发展趋势，在器件特性方面具有自己的特点。 目前在铌酸锂晶体上制造光调制器和光耦合器是人们研究的热点。大部分采 用的是在铌酸锂晶体上利用离予交换、扩散等工艺形成波导结构。利用离子注入 形成光波导是一种在铌酸锂晶体上形成波导结构的新思路，利用离了注入可以较 好的在波导层中保持铌酸锂晶体的晶格结构，以保持较高的电光系数。特别是利 用低剂量重离子注入铌酸锂形成折射率增加型光波导，使一次注入形成条形波导 成为可能，不再需要为条形波导增加侧壁，而且注入剂量大大降低。 1 2 平板波导的模式理论 对于各向同性、线性、非导电( 电流密度j 和电荷密度p 皆为零) 和非磁性 ( 相对磁导率近似等于1 ) 介质，麦克斯韦方程组可表示为 v 一叫。警 v 日= 占瓦o f 1 4 山东大学硕士学位论文 v ( a e ) = 0 v h = 0 经过数学运算，可以得到亥姆赫兹方程： v 2 e + 砖z e = 0 v 2 肿碍z - = 0 其中为真空中波数。 其标量形式为： v 2 矿( 工，y ，z ) + k 2 0 e ( x ，y ，z ) 矽( 工，y ，z ) = 0 其中代表电磁场6 个分量e ，b ，置，以，z - z , ，皿中的任何一个分量。 对于三层平板波导其横截面如图所不，d 为波导芯厚度，毛，乞，岛分别为波导芯、 衬底和上包层的相对介电常数，相应的折射牢分别为，l i ，它们与相对介 电常数的关系为蜀= 疗? ，占：= 刀；，岛= 刀；。为了分析方便，通常令毛 6 2 毛，或 ，l i 他刀，当乞- - - - 。f 3 时为对称三层平板波导，当乞岛时为非对称三层平板波导。 对于s = e ( x ) 的情况，即介电常数占只是舭标x 的函数，此时亥姆赫兹方程可表示 为堕差掣“后；占( z ) 一2 】i f ，( 工) = o ，为z 方向传播常数，简称为传播常数。在一 定的电磁场边界条件下可求出其一系列特解少。( 工) 和尾，这些解称为本征模。我 们选z 轴为光的传播方向，此时y 方向传播常数7 = 0 ，因此当坐标x 给定后，电 磁场在y 方向上不再随坐标y 而变化，相当于；= 0 ，我们把波导中所能传输的电 山东大学硕士学位论文 磁场型称为波导的模式，亦即亥姆赫兹方程的解。在平板波导中存在两种基本模 式，一种称为t e 模，另一种称为t m 模。两种模式用光的电场和磁场的偏振方向 来定义比较直观。选择电场只沿平行于波导界面y 方向偏振，此时电场垂直于光 的传输方向z ，是横向的，因而把这种模式称为横电模( t r a n s v e r s ee l e c t r i cm o d e ) ， 又称为t e 模。选择磁场只沿平行于波导界面y 方向偏振，此时磁场垂直于光的传 输方向z ，是横向的，因而把这种模式称为横磁模( t r a n s v e r s em a g n e t i cm o d e ) ， 又称为t m 模。而波导中其他形式的电磁场都可以按这两种基本模式进行傅立叶 展开来表达。 选择电场e 只沿y 方向偏振，即电场e 只有y 分量e 。“z ，t ) ，x 方向和z 方向的分量e o ，z ，t ) 、丘( 工，z ，f ) 皆为零，因此电场垂直于光的传播方向，是横向 的，于是这种t e 模的电场分量可写为 e ( x ，z ，t ) = 0 b ( x ，z ，f ) = b o ( x ) e x p j ( c o t 一应) 】 疋( x ，z ，t ) = 0 式中e y o ( 工) 为e ( 工，z ，f ) 的振幅，亦即沿x 方向的横向场分布函数。t e 横磁模h 的 分量可令为 h ，( 工，z ，t ) = 日柏( x ) e x p j ( w t 一应) 】 日，( 工，z ，t ) = h y o ( x ) e x p j ( 国t 一彦) 】 h ：( 工，z ，t ) = h ：o ( x ) e x p j ( o x 一应) 】 且有一丢e y o 日，o ( x ) = 0 h ：o ( x ) ：上d e _ , o ( x ) 卣o z o a x 由上面两组式子可知，t e 横电磁场的6 个分量中有3 个分量为零，另外三个分量 不为零，且只要知道e ，o ( 工) 的表达式，h ，。( 工) ，h ：。( z ) 的表达式亦可求出。对于t m 模同样有 日，( 石，z ，f ) = 0 1 6 山东大学硕士学位论文 髟( 工，z ，f ) = h ，o ( 工) e x p 【，( 研一犀) 】 日：( x ，z ，f ) = o e 。( z ) ：旦h y 。( j c ) 0 6 e o ( 工) = 0 e ：。( x ) ：一j d h _ y o ( x ) 伽0 e a x 可知t m 模各项分量间有与t e 模类似的关系。 1 3 切伦科夫辐射及倍频 切伦科夫辐射于1 9 3 4 年被p a 切伦科夫发现，它是高速带电粒子在非真空的 透明介质中穿行，当粒子速度大于介质中的光速