（材料物理与化学专业论文）脉冲激光沉积法制备硅基linbo3薄膜及其性能研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 l i n b 0 3 因具有优异的电光、压电、非线性光学等特性，已被广泛应用于声 表面波及集成光学器件中。制备集成光学器件常需将l i n b 0 3 制成各种形式的光 波导结构，但传统方法制备的光波导薄膜存在较多的缺点，因而异质l i n b 0 3 薄 膜引起了人们的关注。与体单晶相比，异质l i n b 0 3 薄膜具有明显的优势，如可 以获得较大的波导膜与衬底折射率差。至今人们已经采用多种薄膜生长技术来制 备异质l i n b 0 3 薄膜，相比其它薄膜生长技术，脉冲激光沉积法具有能保持靶与 薄膜组分一致的优点，在多元氧化物薄膜制备方面有着独特的优势。硅材料作为 半导体微电子工业的基石，在硅衬底上生长l i n b 0 3 薄膜与目前半导体工艺兼容， 有利于光电集成且价格低廉，具有广阔的应用前景。因而，开展硅基l i n b 0 3 薄 膜的研究具有非常重要的意义。 本文在总结了l i n b 0 3 薄膜制各研究现状的基础上，利用p l d 技术对硅基 l i n b 0 3 薄膜的生长及性能进行了研究，为了与硅基上制各的l i n b 0 3 薄膜进行比 较，作者还对蓝宝石衬底上制备的l i n b 0 3 薄膜的质量及性能进行了研究。通过 研究得出以下主要结果： 1 首次在未施加诱导电场和缓冲层的情况下采用p l d 技术在s i 0 2 s i 衬底上生 长出了具有良好晶体质量的完全c 轴取向l i n b 0 3 薄膜。系统研究了工艺参 数对l i n b 0 3 薄膜质量的影响，获得了生长l i n b 0 3 薄膜的最佳工艺参数：衬 底温度约为6 0 0 ，氧压约为3 0 p a ，激光能量密度为3 2 3 7 j c m 2 ，激光频率 约为3 h z ，靶材与衬底距离约为4 c m ，非晶s i 0 2 过渡层厚度约为2 3 0 n m 。 2 等化学计量比l i n b 0 3 薄膜的生长是薄膜制备中的难点。作者借助x p s 、s i m s 测试，发现通过优化工艺参数采用等化学计量比的l i n b 0 3 陶瓷靶材在 s i 0 2 s i 衬底上生长出了等化学计量比的l i n b 0 3 薄膜，且薄膜组分随深度变 化均匀。初步探讨了s i 0 2 s i 衬底上l i n b 0 3 薄膜的生长机制，提出了其生长 模型。 3 成功地在s i 0 2 s i 衬底上制得低传输损耗的l i n b 0 3 薄膜，最低传输损耗为 1 ，1 4 d b c m ，优于文献报道硅基l i n b 0 3 薄膜的传输损耗。表面形貌作为影响 传输损耗的一个重要因素，本文分析了衬底温度和激光频率对薄膜粗糙度的 浙江大学博士学位论文 影响。 4 首次采用p l d 技术在s i ( 1 1 1 ) 衬底上制备出了声表面波用高质量l i n b 0 3 薄膜。对制备薄膜的工艺参数、薄膜的表面形貌及折射率进行了研究，发现 在衬底温度高于6 0 06 c 后，薄膜的表面变得非常平整，在最佳条件下薄膜的 表面粗糙度为4 8 7 n m ，薄膜的折射率n o = 2 2 7 9 。初步研究了退火对薄膜晶 体质量的影响。 5 ，采用p l d 技术首次在z n o s i 衬底上沉积得到了高c 轴取向l i n b 0 3 薄膜。研 究发现工艺参数与s i o t j s i 、s i ( 11 1 ) 衬底上l i n b 0 3 薄膜生长的最佳工艺参 数相近，并分析了其可能原因。最佳工艺条件下薄膜的粗糙度为6 6 7 n m ，与 在s i 0 2 s i 和s i ( 1 1 1 ) 衬底上生长l i n b 0 3 薄膜的表面粗糙度相比，平整度 明显变差。薄膜接近等化学计量比用椭圆偏振仪测得最佳工艺参数时薄膜 的折射率n o = 2 2 5 5 。 6 ，研究了蓝宝石衬底上l i n b 0 3 薄膜的制备，分析了衬底温度对薄膜晶体质量 的影响。对6 0 0 时制备的薄膜进行了x r d 函扫描测试，结果表明l i n b 0 3 薄膜具有明显的三轴对称性，且与蓝宝石衬底存在( 0 0 1 ) l i n b 0 30 ( 0 0 1 ) a l a 0 3 外延关系。对6 0 09 c 时制备薄膜的表面形貌及光学性能进行了分析，其 粗糙度为2 7 1 n m ，优于硅基l i n b 0 3 薄膜的粗糙度，用透射光谱测得薄膜的 折射率n o = 2 2 8 3 。最后，对s i 0 2 s i 、s i ( 1 1 1 ) 、z n o s i 及蓝宝石衬底上制 各的薄膜的晶体质量和表面形貌进行了比较。 关键词：l i n b 0 3 薄膜，硅基，c 轴取向，脉冲激光沉积，光波导，等化学计量比 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tf e r r o e l e c t r i cm a t e r i a lf o rf a b r i c a t i o no fs a wa n di n t e g r a t e d o p t i c a ld e v i c e s ，l i n b 0 3e x h i b i t se x c e l l e n te l e c t r o o p t i c a l ，p i e z o e l e c t r i ca n dn o n l i n e a r o p t i c a lp r o p e r t i e s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，l i n b 0 3w a v e g u i d e ds t r u c t u r e sa r ed e m a n d e d i nt h eo p t i c a ld e v i c e s h o w e v e r , t h e r ea r es e v e r a l p r o b l e m s i nt h et r a d i t i o n a l w a v e - g u i d e f i l m s s ot h a tt h e r ea r e i n c r e a s i n g i n t e r e s t so nt h ef a b r i c a t i o n h e t e r o s t r u c t u r el i n b 0 3f i l m s c o m p a r e dw i t h b u l km a t e r i a l s ，h e t e r o s t r u c t u r e l i n b 0 3f i l m sp o s s e s sas e r i e so fa d v a n t a g e s ，l i k ea v a i l a b l es t e pi n d e xp r o f i l e si nt h e m u l t i l a y e rs t r u c t u r e s u pt on o w , t h e r eh a v e b e e nv a r i o u st e c h n i q u e sw h i c hw e r eu s e d t op r e p a r et h eh e t e r o - s t r u c t u r el i n b 0 3f i l m s a m o n gt h e m ，p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) m e t h o ds h o w ss o m ea d v a n t a g e so v e rt h eo t h e r s ，f o re x a m p l e ，i ti se a s i e rt o p r e p a r ee p i t a x i a ls t o i c h i o m e l r i cf i l m sd u et ot h eh i g hc o m p o s i t i o n a lc o n s i s t e n c yw i t h t h et a r g e t a st h eb a s ei nt h em i c r o e l e c t r o u l ct e c h n o l o g y , s ii sa ni n t e r e s t i n gh o s tf o r p r e p a r i n gl i n b 0 3f i l m s ，b e c a u s ei tp r o v i d e sa ni d e a la n dc h e a ps u b s t r a t ef o rl a r g e a r e ap r o c e s s i n go fd e v i c e sw h i c hc a nb ei n t e g r a t e di nt h ec u r r e n ts e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , a n dt h i sw i l lm a k ei tp o s s i b l et od e v e l o pi n t e g r a t e de l e c t r o - o p t i c s t e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，t h i sw o r ko l ls i - b a s e dl i l 4 b 0 3f i l m si so fg r e a ti n t e r e s t sa n d p o t e n t i a l s i nt h i sp a p e r , b e s i d e st h ei n t r o d u c t i o no fp a s ta n dc u r r e n tr e s e a r c ho nl i n b 0 3 f i l m s ，w ei n v e s t i g a t e dg r o w t ha n dp r o p e r t i e so fs i - b a s e dl i n b 0 3f i l m sb yp l d c o m p a r i n gw i t hs i b a s e dl i n b 0 3f i l m s , w ea l s oi n v e s t i g a t e dg r o w t ho fl i n b 0 3t h i n f i l m so ns a p p h i r es u b s t r a t e ，a n do b t m n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： 1 w i t h o u tt h ea p p l i c a t i o no f i n d u c e de l e c t r i c a lf i e l da n da n yb u f f e rl a y e r , w ef i r s t l y p r e p a r e dt h eh i g h q u a l i t yc a x i so r i e n t e dl i n b 0 3f i l m so ns i 0 2 s is u b s t r a t eb y p l d t h r o u g hs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s o nt h ef i l m sg r o w t h ，t h eo p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d ：s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ( t s ) i s 6 0 0 ，o x y g e np r e s s u r e ( p o ) i s 3 0p a ，l a s e re n e r g y d e n s i t yi s3 2 - 3 7j c m 2 ，l a s e rf r e q u e n c yi s - - 3h z ，s u b s t r a t e - t o t a r g e td i s t a n c e ( l ) 3 浙江大学博士学位论文 i s 4c m ，a n dt h et h i c k n e s so fa m o r p h o u ss i 0 2l a y e ri s 2 3 0 n m 2 s t o i c h i o m e t r i cl i n b 0 3f i l mi sak e yf a c t o rd u r i n gt h ei n v e s t i g a t i o n f r o mt h e r e s u l t so fx p sa n ds i m s t h ea s g r o w nf i l m so r i g i n a t e df r o mt h es t o i c h i o m e t r i c c e r a m i ct a r g e ti nt h eo p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n se x h i b i ti d e a ls t o i c h i o m e t r i c c o m p o s i t i o na n du n i f o r mi n t h ec r o s s - s e c t i o n a lp r o f i l e m o r e o v e lt h ef i l m g r o w i n g m e c h a n i s mw a sa l s od i s c u s s e d ，a n dt h eg r o w t hp a t t e r nw a ss u p p o s e d 3 t h ea s - g r o w nf i l md e p o s i t e do ns i o s is u b s t r a t ee x h i b i t sav e r yl o wo p t i c a ll o s s ( 1 1 4d b c m ) ，w h i c hi sl o w e rt h a nt h o s er e p o r t e de a r l i e r m o r e o v e r , b e c a u s et h e s u r f a c em o r p h o l o g yi sb e l i e v e dt ob ea ni m p o r t a n tf a c t o ro nt h eo p t i c a ll o s s ，w e a l s oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h et sa n dl a s 、e rf i 嘲u e n c yo nt h ef i l ms u r f a c e m o r p h o l o g y 4 h i g h - q u a l i t yl i n b 0 3f i l m sf o rs a w d e v i c e sw e r ef i r s t l yd e p o s i t e do ns i ( 1 1 1 ) s u b s 叫eb yp l d t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o n so f t h eg r o w t hp a r a m e t e r s ，t h ef i l m s u r f a c em o r p h o l o g ya n dt h er e f r a c t i v ei n d e x ，w ef o u n dt h a tt h ef i l m se x h i b i t e da s m o o t hs u r f a c ew i t ht h er m so f4 8 7n ma n dt h er e f r a c t i v ei n d e x ( n o ) w e r e2 2 7 9 ， w h e nt h et sw a sh i g h e rt h a n6 0 0 m o r e o v e r , t h ee f f e c t so fp o s t - a n n e a l i n g w e r ea l s oi n v e s t i g a t e d 5 ，h i g h - q u a l i t yc - a x i so r i e n t e dl i n b 0 3f i l m sw e r ef i r s t l yd e p o s i t e do nz n o s i s u b s t r a t e s c o m p a r e dw i t ht h ef i l m sd e p o s i t e do ns i 0 2 s ia n ds i ( 111 ) s u b s t r a t e s ， t h ef i l m so nz n o s is u b s t r a t e sa l s oe x h i b i t e dg o o dc r y s t a l l i n eq u a l i t yi nt h es a m e o p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n h o w e v e r , t h ef i l m so nz n o s is u b s t r a t e s e x h i b i t s w o r s es u r f a c em o r p h o l o g yt h a nt h o s eo ns i 0 2 s ia n ds i ( 1 l1 ) s u b s t r a t e sa n dt h e v a l u eo fr m sa r e6 6 7m n t h er e f r a c t i v ei n d e x ( n o ) w a s2 2 5 5 6 ，t h ef a b r i c a t i o n so fl i n b 0 3f i h n so ns a p p h i r ew e r ei n v e s t i g a t e da n dt h ee f f e c t so f t 5o nt h ef i l mg r o w t hw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t so fx r d 函一s c a ns h o wt h a tt h e f i l m sd e p o s i t e da ts a p p h i r ee x h i b i t3 - f o l ds y m m e t r ya n de p i t a x i a lg r o w t hw i t ht h e r e l a t i o n s h i p so f ( 0 0 1 ) l i n b o s 叭0 0 1 ) a 1 2 0 3 t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef i l ms u r f a c e m o r p h o l o g ya n do p t i c a lp r o p e r t i e s w ef o u n dt h ef i l md e p o s i t e da t6 0 0 h a s t h es t o i c h i o m e t r i cc o m p o s i t i o na n dt h ev a l u eo f r m si s2 7 1r i mw h i c hi ss m o o t h e r t h a nt h a td e p o s i t e do ns is u b s t r a t e t h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ef i l mw a sm e a s u r e d 4 浙江大学博士学位论文 b yu v - v i ss p e c t r u ma s2 2 8 3 f i n a l l y , w ec o m p a r e dw i t ht h ee f f e c t so fd i f f e r e n t s u b s t r a t e ss u c ha ss i 0 2 s i ，s i ( 111 ) ，z n o s i ，a n ds a p p h i r eo nt h ec r y s t a lq u a l i t y a n dt h es u r f a c em o r p h o l o g yo f t h ef i l m k e y w o r d s ：l i n b 0 3t h i nf i l m ，s i l i c o ns u b s 心a t e ，c - a x i so r i e n t a t i o n ，p u l s e dl a s e r d e p o s i t i o n ，o p t i c a lw a v e g u i d e ，s t o i c h i o m e m c 5 浙江大学博士学位论文 第一章前言 随着信息技术向数字化、网络化的迅速发展，超大容量信息传输，超快实时 信息处理和超高密度信息存储已成为信息技术的目标。光信号作为首要的信息 源，它的传输、存储、处理及其与电子学之间的结合，成为现今社会的一个重要 研究发展课题。集成光学是6 0 年代末期在集成电子学、激光技术的基础上发展 起来的新兴学科，其在光通信、光信息处理方面存在着巨大的潜力和经济效益。 l i n b 0 3 作为一种集压电、电光、声光及非线性光学等优异特性于一身的晶体材 料，在声学、光通信、集成光学等众多领域有着广泛的应用，是至今人们所发现 的光学性能最多、综合指标最好的人工晶体。特别是二十世纪8 0 年代以来，随 着光纤技术和集成光学的发展，l i n b 0 3 在光通信和集成光学领域的应用得到了 足够的重视，这些应用常需将l i n b 0 3 制成各种形式的光波导结构。理论计算可 知，许多电光晶体都可以做为光波导材料，但综合各项性能指标来看，l i n b 0 3 晶体更为优越。在该领域研究中，国际上的开发投资约9 0 用于发展l i n b 0 3 晶 体及其器件。 e t 前人们通常采用外扩散法、a - i 4 + 内扩散法、质子交换法在l i n b 0 3 衬底上 制备光波导薄膜，并在此基础上研制出了包括光调制、光开关、光转换在内的一 系列光电器件。以传统方法制得的光波导薄膜存在一些缺点，如t i 4 + 内扩散法制 得的光波导在近红外区有较大的光学损伤，而质子交换法制得的光波导只能传播 e 光，并且传统的方法不易获得衬底与波导膜之间大的折射率差。因而，异质基 底上生长l i n b 0 3 薄膜逐渐引起了人们的关注。异质l i n b 0 3 薄膜可以克服传统 光波导薄膜的缺点，尤其是可以获得大的折射率差和制得多层结构。 为了获得高质量的l i n b 0 3 薄膜，人们采用了多种生长技术如溅射 ( s p u t t e r i n g ) 、金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 、溶胶凝胶法( s 0 1 g e l ) 、 脉冲激光沉积( p l d ) 等在蓝宝石、m g o 、l i t a 0 3 等衬底上获得了不同取向的外 延膜，但由于这些衬底价格昂贵，其实用性较差。硅作为半导体微电子工业的基 石，在硅衬底上生长l i n b 0 3 薄膜与目前的半导体工艺兼容，有利于光电集成且 价格低廉，因此具有广阔的应用前景。c 轴取向l i n b 0 3 薄膜和c 轴取向单晶的 浙江大学博上学位论文 一阶、二阶张量相同，三阶张量的主项相同，即二者沿c 轴方向的热释电系数、 介电常数、折射率、压电系数等相同，且l i n b 0 3 在c 轴方向具有最大的线性电 光系数、光弹系数和非线性光学系数。基于这些效应的应用，c 轴取向l i n b 0 3 薄膜足以满足应用的要求，因此高c 轴取向的l i n b 0 3 薄膜成为替代体单晶所研 究的热点。此外，l i n b 0 3 因其优异的压电效应和较大的机电耦合系数，已被广 泛应用于声表面波( s a w ) 器件中，而在s i 衬底上生长l i n b 0 3 薄膜则可以提供 一种将光电与声学器件进行集成的途径。 本文采用p l d 技术对硅基l i n b 0 3 薄膜的制备及性能进行了研究。p l d 法具 有沉积的薄膜与靶材成分致、组分均匀、工艺参数易于控制等一系列优点，有 利于制备多元氧化物和多层结构。文中详细讨论了工艺参数对s i 0 2 s i 衬底上制 备l i n b 0 3 薄膜质量的影响，掌握了生长完全c 轴择优取向l i n b 0 3 薄膜的最佳工 艺参数，制备出了具有良好晶体质量的完全c 轴择优取向l i n b 0 3 薄膜；测试了 l i n b 0 3 薄膜的组分及表面形貌，并对薄膜的微结构和光波导性能进行了研究。 同时，我们还对s i ( 1 1 1 ) 、z n o s i 衬底上沉积高c 轴取向l i n b 0 3 薄膜进行了探 索，并制备得到了高c 轴取向的l i n b 0 3 薄膜。为了和硅基l i n b 0 3 薄膜进行对比， 我们对蓝宝石( a a l 2 0 3 ( 0 0 1 ) ) 衬底上制备l i n b 0 3 薄膜进行了研究，并对不同衬底 制备l i n b 0 3 薄膜的晶体质量及表面形貌进行了比较。 在行文安排上，本文共分六个部分。第一部分包括前三章，该部分综述了 l i n b 0 3 的性质、应用、薄膜的常用制备技术及研究现状，提出了本文的研究意 义及内容，介绍了p l d 的沉积原理及实验过程；第二部分包括第四、五、六章， 该部分主要介绍了s i o f f s i 衬底上l i n b 0 3 薄膜的生长及其性能研究。文中系统研 究了制备具有良好晶体质量的完全c 轴择优取向l i n b 0 3 薄膜的最佳工艺参数， 分析了衬底温度和激光频率对薄膜晶粒尺寸及表面形貌的影响，并对薄膜的组分 及生长机制进行了研究，最后介绍了所制备的l i n b 0 3 薄膜的微结构及光波导性 能；第三部分是第七章，主要对s i ( 1 11 ) 衬底上声表面波用高质量l i n b 0 3 薄膜 的制备及性能进行了研究；第四部分是第八章，介绍了z n o 作为缓冲层的硅基 l i n b o ，薄膜的制备；第五部分是第九章，研究了蓝宝石衬底上l i n b 0 3 薄膜的制 备及性能，并对不同衬底上制得的薄膜进行了比较：第六部分是第十章，对全文 的主要论点做一总结。 浙江大学博士学位论文 第二章文献综述 2 1l i l 0 3 的昌体结构 l i n b 0 3 是z a c h a r i a s e n t l 】于1 9 2 8 年合成的一种人造化合物，1 9 4 9 年m a t t h i a s 2 1 以熔液法生长出了透明的晶体，确定其为铁电材料，1 9 6 5 年b a l l m a n l 3 1 利用提拉 法成功生长出了l i n b 0 3 单晶。1 9 6 6 年贝尔实验室对其生长、结构和性质进行了 研究，发现了l i n b 0 3 的压电、电光、声光以及非线性光学等一系列优异的性质 并进行了大量报道f 4 期。l i n b 0 3 是一种具有很大自发极化强度、很高居里温度的 铁电体氧化物材料。由于l i n b 0 3 晶体本身具有优异的电光、压电和非线性光学 等性能，因而使其在光通讯、集成光学等领域大显身手，被称为“通用型” ( v e r s a t i l e ) 和“聪明”( c l e v e r ) 晶体【9 】。 l i n b 0 3 晶体是一种无色或带淡绿色的透明晶体。在常温下l i n b 0 3 是一种铁 电晶体，它是由氧八面体组成的，相邻的氧八面体存在公共顶点。l i n b 0 3 晶体 的氧八面体沿c 轴连接成氧八面体柱，每两个氧八面体之间存在一个三角形公用 面，l i n b 0 3 铁电相的晶体结构如图2 1 所示，在c 轴方向上，o 原子呈六角密排， n b 原子、l i 原子位于o 原予构成的扭曲的正八面体空隙中。l i n b 0 3 的晶胞如 图2 - 2 所示。 当温度高于居里温度时，l i n b 0 3 由铁电相转变为仲电相，l i 原子位于0 原 子平面，n b 原子位于八面体空隙的中心并且与l i 原子相距c 4 ，这种结构使得 仲电相没有极性。当温度低于居里温度时，“+ 和n b 5 + 相对于氧离子层有一个位 移，正负电荷重心沿c 轴方向偏移。因此，沿c 轴方向出现自发极化。图2 - 3 示 意地表示顺电相到铁电相时，n b ”、l i + 的离子位移情况。从居里温度下降到室 温时，n b ”沿c 轴位移0 0 2 5 n m ，而l i + 沿同一方向位移o 0 4 5 n m 。它们均沿c 轴同一方向产生位移。由于晶体白发极化方向仅沿+ c 轴或c 轴方向，其它方向 上不产生电矩，所以l i n b 0 3 晶体只存在1 8 0 。电畴。铁电相时，n b ”和l i + 分别 位于氧八面体体心附近位置。其中，n b ”占有三分之一的氧八面体体心，l i + 占 有三分之一的氧八面体体心，另有三分之一的氧八面体体心空着。在+ c 方向， 原子以如下顺序占据空隙：n b 、空穴、l i 、n b 、空穴、l i 。 浙江大学博士学位论文 彩 量；。 彩 图2 1l i n b 0 3 铁电相晶体结构示意图图2 2l i n b 0 3 的晶胞结构 中性 一一1i o _ i 氧平面： ! 一 n o l i + o 一一i !o； l 【 ! i ：i io ， 卅i c 上； i 百i ：、一7： 顺电相铁电相铁电相 图2 3l i n b 0 3 顺电相、铁电相结构示意图 2 2l i n b 0 3 的性质及性能 l i n b 0 3 晶体作为一种重要的铁电材料，具有稳定的物理和化学性能，如表 2 1 所示【”l 。l i n b 0 3 具有优良的电光、非线性光学及压电等效应，而这些优异的 tm，+一1t攀tf上 tiil一i1ii，；lifi上 d l 浙江大学博士学位论文 囝 囊_ 图2 - 1l i n b 0 3 铁电相晶体结构示意图 电矩负端 2 - 2l i n b 0 3 的晶胞结构 j 丁： o l i i i i !j ir ! i 0 ， j l ，；l 一i j o ： + c li lj ；o 顺电相铁电相铁电相 图2 3l i n b 0 3 顺电相、铁电相结构示意图 2 2l i n b 0 3 的性质及性能 l i n b 0 3 晶体作为一种重要的铁电材剁，具有稳定的物理和化学性能，如表 2 - 1 所示“1 。l i n b 0 3 具有优良的电光、非线性光学及压电等效应，而这些优异的 2 - 1 所示【1 “。l i n b 0 3 具有优良的l b 光、扑线性光学及压电等效应，而这些优异的 t。|一，f上 图 兰二。=一o ! 舻o f 浙江大学博士学位论文 性能是其应用的基础，下面将简要介绍电光效应、非线性光学效应和压电效应。 表2 - 1l i n b 0 3 晶体的物理常数 物理性质物理参量物理常数值 晶系三角 空间群 p - , 3 e 晶体学对称型3 m 晶体结构铁电性类钛铁矿型晶体 晶格常数( r i m )a = 0 5 1 4 8 ，e = 1 3 8 6 3 ，a = 5 5 8 6 7 0 密度( 2 5 c ) ( g c m 3 ) 4 6 4 熔点( )1 2 6 0 热学居里温度( ) ，。 1 2 1 0 德拜温度( k ) 5 0 3 热膨胀系数( 2 0 0 - - 6 0 0 c ) ( )a a j d s ：2 x1 0 6ca x i s ：1 7 1 0 6 光弹系数p 3 l 卸1 7 9 ，p 3 3 = 0 0 7 1 声学 吸声系数( d b l e m ) o 1 5 电阻率( c 轴方向) ( q c m ) l o g p = ( 7 1 5 0 t ) - - 2 8 2 3 电学相对介电常数 8l l 80 = 8 5 ，。3 3 8o = 2 8 热释电系数( c 服m 2 ) 8 3 1 0 - 6 折射率 n 0 2 2 2 8 7 ，n e _ 2 2 0 2 双折射率一o 0 8 8 5 非线性光学系数h 3 1 = 1 2 光学 电光系数( m ，v ) y3 3 = 3 0 x1 0 1 2 透光波段( 岫) 0 4 5 光波导损耗 = o 2 2 1 电光效应 电光效应是材料的光折射率受到电场调制的一种物理现象。当在介质上施加 外电场时，介质的折射率发生变化，从而引起光传播特性的变化，这种现象就称 浙江大学博士学位论文 为电光效应。折射率n 和e 0 的关系一般可以展开为级数形式： n = n o + 口岛+ 6 藤+ ( 2 1 ) 式中口和b 是常数，n 0 是e o = 0 时的折射率，a e o 是一次项，由此项引起的折射 率变化称为一次电光效应，也叫线性电光效应或称为波可尔( p o c k e l ) 效应；由 二次项6 瑶引起的折射率变化称为二次电光效应，或克尔( k e r r ) 效应。如果晶 体具有对称中心，那么当外加偏置电场反向时，要求晶体的物理性质( 包括折射 率) 保持不变，而( 2 1 ) 式变为： , 一0 一a e o + b 露_ ( 2 2 ) 只有当局的奇次项系数为零时，二式才能相等，因此具有对称中心的晶体没有 一次电光效应，只有克尔效应。l i n b 0 3 属于负单光轴晶体，它具有强的电光效 应和高的折射率。在0 4 5 岫波长范围内，。可连续透光，是制作基于光波导结构 的光调制器、光开关等光通讯器件的优良材料。 2 2 2 非线性光学效应 当光在介质中传播时，介质中束缚较松的价电子在光频电场的作用下，电子 和原子间产生相对的电荷位移，引起介质极化，成为电偶极子。电偶极子在光频 电场中，产生受迫振动，辐射出光场频率的二倍、三倍频率的电磁波，这就 是二次谐波、三次谐波的发生。 光通过介质时引起介质极化的极化强度除了正比于光的电场强e 之外，还与 它的二次方( 铲) 、三次方( ) 有关。对普通光源来说，由于光的电场强 度与原子内的场强相比十分微弱，只用e 的一次方( e ) 项，即线性项( p = a e ) ， 就足够描述有关的光学现象，如光的反射、折射及吸收等，此为线性光学。而激 光器发出的强相干光由于光频电场的数值非常大( 1 0 4 v c m ) ，因此、f 等非线性项此时便不可忽略，即极化强度p 和光电场强度e 的关系为： p = - a e + 口酽+ r 矿+ ( 2 3 ) 这就是非线性光学效应的数学表达式。这种与强光有关的效应称为非线性光学效 应。l i n b 0 3 晶体具有大的非线性光学系数，在可见光和近红外光范围内能实现 相位匹配，并且通过控制温度，在光通过的状态下，能在主轴方向上进行相位匹 浙江大学博上学位论文 配。因此，l i n b 0 3 是制作光二次谐波发生器、参量放大器和参量震动器等非线 性光学器件的良好材料。 2 2 3 压电效应 对某些电介质晶体旋加机械应力，晶体内部正负电荷中心发生相对位移而产 生极化，导致晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成比例。 这种由于机械力的作用而激起晶体表面荷电的效应，称为压电效应( 或正压电效 应) 。晶体的压电效应可以用图2 - 4 的示意图来加以解释。图2 - 4 ( a ) 表示压电 晶体中的质点在某方向上的投影。此时，晶体不受外力作用，正电荷的重心与负 电荷的重心重合，整个晶体的总电矩为零。但是当沿某一方向对晶体施加机械力 时，晶体就会由于发生形变而导致了正负电荷重心不重合，也就是电矩发生了变 化，从而引起了晶体表面的荷电现象。图2 - 4 ( b ) 为晶体受压缩时荷电的情况； 图2 _ 4 ( c ) 则是拉伸时的荷电情况。反之，若将一压电晶体置于外电场中，由于 电场作用，会引起晶体内部正负电荷重心的位移，这一极化位移又导致晶体发生 形变，这个效应称为逆压电效应。 压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒子的相对位 移，从而使得晶体的总电矩发生变化造成的。晶体是否具有压电性，是由晶体的 结构对称性这个内因所制约的，具有对称中心的晶体不可能具有压电性，压电晶 体也必须是不导电的( 至少也应是半导体型的) ，同时其结构还必须要有分别带 正电荷和负电荷的离子或离子团存在。l i n b 0 3 单晶的压电性能1 1 2 j 如表2 2 所示。 它的压电系数大，机械品质因素q 。高，机电耦合系数大，声传播速度高，超声 吸收系数和声衰减小；机械加工性能良好，可进行精密加工。因此，l i n b 0 3 是 用于压电换能器、微波延迟线和声表面波的优良材料。 表2 - 2l i n b 0 3 晶体的压电性能 压电常数机电耦合系数 d a l = 0 1 k 3 1 = 2 3 d 2 2 = 2 1k 2 2 = 3 2 d 3 3 = 0 6k 3 3 = 4 7 d i s = 6 8 k 1 5 = 6 8 浙江大学博上学位论文 ( b ) ( c ) 图2 - 4 压电晶体产生压电效应的机理示意图 2 3l i n b o a 在光波导领域的应用 l i n b 0 3 作为一种优异的电光和非线性光学晶体材料，在集成光学及光通讯 领域应用广泛，代表着主要的应用方向。除了不能做光源探测器以外，适合制作 光的各种控制耦合和传输器件，如：光波导、光调制、光隔离、光放大等器件。 在激光领域主要作为低功率中红外激光器的倍频晶体，特别是掺镁l i n b 0 3 晶体 其激光损伤阈值、透光效率都较纯l i n b 0 3 晶体性能突出【1 3 。5 1 。其次，由于近年 来晶体微观工程领域的突破，周期性极化的l i n b 0 3 晶体同样在激光倍频、通信、 环境探测等具有出色的表现。在全息存储方面对l i n b 0 3 已进行了多年的研究， 其中一些掺杂l i n b 0 3 晶体具有良好的应用前景1 1 6 , 17 】。下面将简要介绍光波导以 及l i n b 0 3 在光波导器件领域的应用。 2 3 1 光波导简介 光波导是一种传输能量的介质结构，所传能量的波长位于电磁频谱的红外区 域和可见光区域。平面介质波导是光波导最简单的形式，它是将厚度为d ，折射 率为1 3 ，的介质平板置于两折射率分别为n 2 和n ，的半无限边界的介质之中，且满 足n 1 n 2 “3 ，如图2 5 。如果光在两个边界上都发生全反射，则光一旦进入波 导膜后就被封闭在里面，并沿z 字形路径向前传播。这种情况对应于传播的“导 模”。良好的光波导材料需要满足以下要求： ( 1 ) 波导层厚度和折射率都要均匀； ( 2 ) 传输损耗小，通常应在l d b c m 以下，换言之，光学透明度好，光学散射 e 、 一 坝 一 坷 一 二 9 争驾，“ 暖 j l 笊1 1、蚓，。 巨 一 一 一 一 一 浙江大学博士学位论文 少； ( 3 ) 光波导不仅能传输光，并且应具有产生光、接收光和调制光等功能，以便 在同一衬底上做成多种功能元件的集成回路； ( 4 ) 便于波导及器件的制作，在外界各种工作环境下性能稳定。 d 覆盖层 n 3 衬底 n 2 图2 - 5 平面波导示意图 介质光波导有平面波导( 只在一维限制光传输) 和条形波导( 在二维限制光 的传输) 之分。条形波导亦称为“三维波导”。平面波导的折射率有均匀分布( 成 为平板波导，如前所述) 和不均匀分布，还有多层介质构成的复合平面波导。条 形波导可以做成各种形状的横截面，典型的有凸条波导、埋层条形波导、脊形波 导以及条载波导，如图2 - 6 所示。 赢泐 搋搋 图2 - 6 四种条形波导截面 a ) 凸条波导，b ) 埋层波导，c ) 脊形波导，d ) 条载波导 浙江大学博士学位论文 2 3 2l i n b 0 3 光波导器件 目前广泛应用的光波导材料有l i n b 0 3 、i 一v 族化合物半导体、石英和玻 璃等。其中l i n b 0 3 和半导体均具有较大的电光效应，特别有利于构成光波导器 件。l i n b 0 3 光波导器件的特点可归纳如下：a 电光效应大：b t i 4 + 扩散或质子 交换法制作的波导方法简单易行，性能再现性良好；c 光吸收小，波导损耗及 其与波长依赖关系小：d 可获得大块均匀的基底材料，工艺制造技术成熟等。 因此l i n b 0 3 光波导器件不受光信号带宽限制，可实现高效率和高速化，相关器 件性能已达到实用水平，并己广泛用于光通信及集成光学领域中。下面简要介绍 两种常用的l i n b 0 3 光波导器件。 1 光波导电光调制器 随着光纤通信干线系统向超高速、大容量和长的中继距离方向发展，开