离子注入光电晶体平面光波导的制备和特性研究

摘要

光波导即为折射率高的区域被折射率低的区域包裹而成的结构，它可以把光限制在较小的区域内传播以提高光密度，从而更好的利用非线性晶体的非线性性质或者降低激光材料的泵浦阈值。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，以其独特的性能、高集成化以及规模生产的低成本，在各种光器件的制造中和现代光通信领域中起着极其重要的作用。近年来关于波导激光的研究也成为一个热点，而它的必经之路就是在激光晶体上形成波导结构。因此，研究人员一直在探索有效的方法来制备性能优良的光波导。现在常用的制备波导的方法主要有扩散、交换、薄膜沉积和离子注入等，其中离子注入技术作为一种成熟的材料表面改性技术，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，取得了许多重要的进展，因此离子注入技术已经成为制备光波导的有效手段。 对于离子注入光学晶体形成的光波导（特别是具有明显双折射性质的晶体），由于注入离子原子质量的差异，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而形成位垒型的光波导。这种波导主要依靠光学位垒和空气构成光波导结构。然而轻离子注入的一个主要问题是形成波导的注入剂量较高，一般在～1016ions/c㎡，从而大大的增加了成本。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。另外，这种方法具有注入时间短、剂量低（～1014ions/c㎡）、成本低等优点。 keV离子注入是一种已经在半导体掺杂中广泛应用了的技术，它与MeV离子注入相比有着注入束流大、价格便宜等优点，而且其形成的波导结构与MeV离子注入相比，有着较小的尺寸。用keV的离子注入来形成光波导可以降低成本，更有利于离子注入光波导的大规模工业化生产。 本文主要研究利用离子注入方法分别在钕掺杂的钙铌镓石榴石晶体（Nd：Ca3Nb1．5Ga3．5O12，Nd：CNGG）、近化学计量比铌酸锂（StoichiometricLiNbO3，SLN）、钛酸铋（Bi12TiO20，BTO）等晶体材料上形成光波导，对光波导的导波模式和退火行为进行了研究，利用端面耦合法测试了光波导的近场光强分布，优化离子注入光波导的形成条件；采用稳态荧光光谱仪对部分样品进行了光致发光谱（PL）的测量；利用紫外-可见-近红外分光光度计测试了部分样品的透过谱与吸收谱；用SRIM2006程序模拟注入过程，研究离子注入所导致的晶体的损伤情况，对离子注入波导的形成机理进行了探讨。主要结果如下： 钕掺杂的钙铌镓石榴石（Nd：Ca3Nb1．5Ga3．5O12，Nd：CNGG）晶体与同属一个晶系的Nd：YAG相比，吸收谱线有大的加宽，而荧光谱线出现非均匀加宽，使得Nd：CNGG激光器表现出非均匀加宽特性。该晶体在800nm激光二极管发射波长区有宽吸收带，因此很适合激光二极管泵浦，可做成全固态激光二极管泵浦的激光器。用能量为500keV、剂量为2×1016ions/c㎡的He+离子注入到Nd：CNGG晶体形成了平面光波导。用RCM拟合了波导区的折射率分布，与SRIM拟合的核能量损伤分布形状吻合的比较好，说明核能量损失是形成波导区折射率位垒的主要原因。用FS920稳态荧光光谱仪对未注入的Nd：CNGG与注入He+离子后的Nd：CNGG样品进行了光致发光谱（PL）的测量。另外，用同样的方法分别对注O+、H+的Nd：CNGG样品进行了研究。 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，现已成为重要的集成光电子学材料。通常所指铌酸锂晶体如非特殊说明都是同成分铌酸锂（CLN），其Li/Nb比约为48．4/51．6，由于Li离子的缺乏导致空位缺陷影响其光学性质。近化学计量比铌酸锂（SLN）提高了Li/Nb比，使其接近于1：1，与CLN相比提高了铌酸锂晶体的性能参数。用4．5MeV的O离子，剂量6×1014ions/c㎡，注入z切SLN晶体，形成了平面光波导结构，测量了波导的偏振特性，利用端面耦合的方法测量了平面光波导的近场光强分布，利用SRIM模拟得到的数值对波导的成因进行了分析与探讨。 BMO（M可以为Si、Ge、Ti）晶体属于软铋矿结构，是性能优良的光折变晶体。钛酸铋Bi12TiO20（BTO）晶体和它的同型晶体硅酸铋Bi12SiO20（BSO）、锗酸铋Bi12GeO20（BGO）是一类很有前途的光折变材料。他们有许多相似之处，都具有立方I23点群对称性，都是顺电相晶体，都是光学各向同性的，都具有压电性和声光效应，其电光效应系数大，光学性能优越，在实时动态全息记录中，它们的灵敏度高，响应速度快，都是很好的全息记录材料。但和他们相比，BTO在许多性能上更优越，比如：旋光度小，电光系数大，红光区的灵敏度高，因此BTO晶体是一种很有潜力的光折变全息记录材料。用能量为4．5MeV、剂量为6×1014ions/c㎡的氧离子注入BTO晶体形成了平面光波导，用棱镜耦合法测试了波导在退火前后的暗模特性，利用端面耦合系统测量了波导的近场光强分布。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章 绪论

第二章光波导基本理论与实验方法

2.1平面波导的线光学理论

2.2离子注入技术

2.3光波导耦合方法

2.4平面波导折射率拟合一反射计算法(RCM)

参考文献

第三章离子注入Nd：CNGG激光晶体平面光波导的特性研究

3.1 氦离子注入Nd：CNGG平面光波导的特性研究

3.2氧离子注入Nd：CNGG平面光波导的研究

3.3 氢离子注入Nd：CNGG平面光波导的特性研究

参考文献

第四章氧离子注入近化学计量比铌酸锂(SLN)平面光波导的特性研究

4.1实验过程

4.2结果与讨论

4.3小结

参考文献

第五章氧离子注入BTO平面光波导的特性研究

5.1实验过程

5.2结果与讨论

5.3小结

参考文献

第六章总结

6.1主要结果

6.2主要创新点

附录、附图表

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文