离子注入MgO：LiNbO平面和条形波导的制备与研究

摘要

集成光学的概念是1969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1um到1.5um之间，比较容易形成单模波导。 铌酸锂(LiNbO3)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(MgO：LiNbO3)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MgO：LiNbO3离子注入光波导和进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％mol掺镁铌酸锂(MgO:LiNbO3)作为试验材料。 传统的铌酸锂波导制作工艺Ti扩散法和质子交换法用来制作掺镁铌酸锂光波导有一定的局限性。如使用Ti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Ti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。 对低剂量O2+注入Z切的MgO:LiNbO3晶片的性质做了一些研究。首先制作了平面MgO:LiNbO3光波导，注入离子能量从1.5MeV到4.5MeV，注入剂量从4×1014到12×1014ions/cm2。分别在633nm和1539nm波长TM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230℃，30分钟退火，波导的传输损耗下降到0.9dB-2.0dB。 介绍了制作MgO:LiNbO3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1.5MeV和3.5MeV注入剂量为6×10l4ions/cm2；多能量注入的注入能量为3.0MeV+3.6MeV+4.5MeV，总注入剂量为8.8×1014ions/cm2；。其中多能量注入和单能量3.5MeV注入形成的条形波导在光纤通讯波段1550nm波长TM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0.38-0.45dB/cm之间，符合实际应用对光波导损耗的要求(小于1dB/cm)。 本文系统的研究了氧离子注入MgO:LiNbO3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MgO:LiNbO3波导器件提供了丰富的试验依据。

目录

论文说明：符号说明

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摘要

第一章绪论

第二章光波导理论简介

2.1光波导的结构类型

2.2平面光波导线光学理论

2.3条形光波导线光学理论

第三章实验方法

3.1棱镜偶合法

3.1.1棱镜耦合器的基本工作原理

3.1.2 Metricon Model 2010棱镜耦合仪

3.2波导损耗的测量

3.3端面耦合法

第四章O2+注入掺镁铌酸锂晶体制备平面波导

4.1 1.5MeV氧离子注入MgO：LiNbO3平面波导的制备

4.1.1实验过程

4.1.2结果与讨论

4.2高能量低剂量氧离子注入MgO：LiNbO3平面波导的制备

4.2.1实验过程

4.2.2结果与讨论

4.3本章小结

第五章O2+注入掺镁铌酸锂晶体制备条形波导

5.1制备条形光波导的意义

5.2 O2+注入MgO：LiNbO3晶体的条形波导的制备

5.2.1实验过程

5.2.2实验结果与讨论

5.3本章小结

第六章总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢