离子注入与离子束刻蚀制备平面和条形光波导的研究

摘要

本论文主要包括三个方面的工作：(1)MeV重离子注入RTP、Yb：GdCOB、Yb：YCOB、Nd：YCOB及CSBN系列等光学晶体上实现平面波导结构。基于实验结果，分析了离子注入光波导的波导模式及退火行为，优化了注入参数。对离子注入光学晶体材料折射率增加的形成机理进行了探讨；(2)通过光刻，利用光刻胶做掩膜，再通过离子注入的方法在KTA、掺Ce的KNSBN晶体上直接形成条形光波导，利用端面耦合分析了条形光波导的近场光学图像；(3)利用氩离子束刻蚀在LiNbO<,3>和熔融石英上制备了衍射光栅并在其平面波导(离子注入形成)的基础上刻蚀形成了脊形光波导，利用台阶仪和扫描电镜观察了它们的表面形貌和结构，利用光学实验设备研究了衍射光栅的光学特性及脊形光波导的光传输特性。论文主要结果如下：三硼酸钙氧钇晶体，化学通式YCa<,4>O(BO<,3>)<,3>(以下简称YCOB)，是一种新型非线性光学晶体，具有大的非线性光学系数，宽的透光波段，高的激光损伤阈值，而且具有一致熔融的特性，引起了人们的广泛研究兴趣。当YCOB晶体中的Y<'3+>离子部分的被Nd<'3+>或Yb<'3+>所取代后即变成Nd：YCOB或Yb：YCOB激光自倍频晶体。Er:Yb:YCOB晶体由InGaAs LD或AlGaAs LD(λ=976nm)泵浦可以获得1550nm附近的激光输出，对光通信技术具有重要的应用价值。我们首次用低剂量的MeV氧离子注入Yb：YCOB、Nd:YCOB和Er:Yb:YCOB晶体，分别实现了n<,x>方向折射率增加的平面波导结构。用棱镜耦合的方法分别在波长633nm和1539nm下测量了形成波导的暗模特性，折射率在波导区域增加。用RCM方法拟合了波导区域的折射率分布，用SRIM03程序模拟了氧离子的注入过程，并结合波导特性对波导形成机制进行了讨论，我们还利用端面耦合的方法研究了波导的近场光强传播特性。研究结果对于重离子注入稀土元素掺杂YCOB晶体的光波导的制备和应用提供了实验基础。 三硼酸钙氧钆(GdCa<,4>O(BO<,3>)<,3>)晶体，简称GdCOB晶体，和YCOB晶体一样，也是新型三硼酸氧钙稀土(ReCa<,4>O(BO<,3>)<,3>)(Re=Y，Gd，Nd，Er,La，Sm等)族晶体中的一员，同样具有大的非线性光学系数，宽的透光波段，高的激光损伤阈值，是一种性能优良的非线性光学晶体。稀土元素YB<'3+>离子荧光寿命长，不易出现浓度淬灭，其结构简单，只有基态<'2>F<'5/2>和激发态<'2>F<,7/2>，量子损失低，光转换效率高，不存在激发态重吸收和上转换现象，可大大减少激光工作物质中的热效应。而且Yb<'3+>仅在980nm附近有一较宽的吸收带，这一吸收带与InGaAsLD的发射波长相匹配，因此Yb：GdCOB晶体可用InGaAsLD泵浦来发射自倍频激光输出。我们用低剂量的MeV氧、碳、硅离子注入Yb:GdCOB晶体，分别实现了平面波导结构。用3.0MeV氧离子、剂量为5×10<'13>ions/cm<'2>～2×10<'15>ions/cm<'2>，研究了注入剂量与样品表面折射率、暗模特性的关系，用棱镜耦合法研究了注入后样品退火前后的暗模特性，用RCM方法对折射率分布进行了拟合，利用SRIM’03程序模拟了注入离子的电子能量损失、核能量损失及注入离子的射程分布，端面耦合测量了所形成波导的近场光强分布。磷酸钛氧铷(RbTiOPO<,4>)是一种高效的非线性光学晶体，简称RTP晶体。与KTP晶体同构，属于双轴晶体，为无对称中心的点群mm2，空间群．Pna21，立方晶系。RTP晶体具有良好的二次倍频效应，较大的电光转换系数，很高的激光损伤阈值。与KTP相比RTP晶体具有更大的折射率、较大的非线性和电光系数、更高的损伤阈值和电光效应。这使得RTP晶体在非线性和电光器件应用方面具有重要的意义。我们利用能量为6.0MeV和3.0MeV，剂量为2×10<'15>ions/cm<'2>和3×10<'15>ions/cm<'2>的C、O离子注入到RTP晶体中，形成了光学位类型的平面光波导。利用棱镜耦合的方法在波长633nm和1539nm下测量了注入后的暗模特性，采用RCM方法拟合了注入后波导区的折射率分布，我们还利用退火的方法研究了形成波导的热稳定性，发现经过220℃、60分钟的热退火后模式折射率有所增高，表明波导区折射率有所恢复。 铌酸钙锶钡，化学通式Ca<,x>Sr<,y>Ba<,1-x-y>Nb<,2>O<,6>(以下简称CSBN)晶体是属于钨青铜结构的新型晶体，四方晶系，点群为4mm，空间群为P4bm，与CBN(铌酸钙钡)、SBN(铌酸锶钡)均为同成分熔化化合物。四方晶系钨青铜结构(TTB)的铌酸盐一直是光学晶体研究的热点，因为这类晶体具有优良的电光、光折变、热电和压电效应。CSBN晶体与CBN晶体、SBN晶体类似，都属于部分填充的钨青铜结构(TTB)，具有驰豫型铁电相变和较大的电光效应。目前，没有关于CSBN晶体光波导的报导。我们分别采用6.0MeV和3.0MeV的C离子注入到CSBN系列晶体(CSBN25、CSBN50、CSBN75)，用棱镜耦合的方法分别在波长633nm和1539nm下测量了形成波导的暗模特性，发现异常光折射率在波导区域增加，用RCM方法拟合了波导区域的折射率分布，用端面耦合研究了波导的近场光强分布。为CSBN晶体光波导的应用提供了实验基础。 双轴晶体砷酸钛氧钾(KTiAsO<,4>简称KFA)是一种优良的电光、非线性晶体材料。KTA晶体同KTP晶体比较有着更大的电光系数(30﹪)和非线性系数(60﹪)，而且它还有着比KTP更高的激光损伤阈值和较高的熔点。我们直接利用光刻胶作为掩膜，用3.0MeV氧离子剂量为5×10<'13>ions/cm<'2>注入到KTA晶体，首次在KTA晶体中形成n<,x>和n<,y>。方向折射率增加型的条形光波导；铌酸锶钡钾钠((K<,0.5>Na<,0.5>)<,0.2>(Sr<,0.75>Ba<,0.25>)<,0.9>Nb<,2>O<,6> or KNSBN)晶体是一种有发展前途的光折变晶体材料，可广泛地用于光信息处理、光计算和光网络系统，在室温下无相变和不退极化，我们在Ce：KNSBN晶体中用光刻胶做掩膜，通过He离子三次注入形成了条形波导阵列。结果表明，利用厚胶可以作为注入掩膜阻挡较高能量离子的注入并在材料上制备出条形光波导，利用端面耦合的方法测量了形成条形波导的近场光强分布以及损耗。我们的结果对于用离子注入法在光学晶体上制备条型光波导具有重要的意义。铌酸锂晶体是一种集电光、声光、光弹、非线性、光折变和激光活性等效应于一体的性质优良的光学晶体，是至今为止人们所发现的光学性能最多和综合指标最好的晶体之一。在表面滤波器、光通信调制器、电光开关、声光器件、传感器和高密度信息存储等方面有着广泛的应用，铌酸锂晶体已经成为重要的光波导材料，是应用于光电子领域最基本和最重要的功能材料。熔融石英具有良好的热学、光学和机械性能，已经广泛的应用于光电子器件的制作。它的折射率与光纤的折射率很接近，因此以熔融石英为衬底的各种集成光学无源器件可以较为方便的与光纤耦合。我们利用氩离子束刻蚀先在这两种光学材料上形成了衍射光栅；进一步结合离子注入的方法，即在离子注入形成平面波导的基础上通过刻蚀制备出了脊(条)型光波导，刻蚀过程所用的掩膜也是光刻胶，掩膜的形成采用传统的光刻技术。刻蚀后的样品，利用台阶仪和扫描电镜观察了它们的表面形貌和结构，利用光学实验设备研究了衍射光栅的光学特性及脊形光波导的光传输特性。结合离子注入与离子束刻蚀的方法来制备条形光波导具有重要的研究意义：实现了平面波导向条形波导的过渡，为离子注入光波导的实用化提供实验基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

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光线在介质界面的反射和折射

2.3平面光波导理论

2.4条形光波导理论

2.5光波导的归一化参量

参考文献

第三章实验方法

3.1离子注入技术

3.2背散射/沟道分析技术

3.3波导光的激励方法

3.4光波导传输损耗的测量

3.5平面波导折射率的拟合-反射计算法(RCM)

3.6光刻掩膜技术

3.7氩离子刻蚀技术

参考文献

第四章氧离子注入稀土元素掺杂YCOB晶体平面光波导

4.1 MeV氧离子注入Yb：YCOB晶体的平面光波导

4.2 MeV氧离子注入Nd：YCOB和Er：Yb：YCOB晶体的平面光波导

4.3本章小结

参考文献

第五章重离子注入Yb：GdCOB晶体平面波导的特性研究

5.1 MeV氧离子注入Yb：GdCOB晶体的平面光波导

5.2 MeV碳离子注入Yb：GdCOB晶体的平面光波导

5.3 MeV硅离子注入Yb：GdCOB晶体的平面光波导

5.4本章小结

参考文献

第六章高能碳、氧离子注入RTP晶体的平面光波导

6.1实验过程

6.2结果与讨论

6.3本章小结

参考文献

第七章高能低剂量碳离子注入CSBN晶体光波导的研究

7.1实验过程

7.2结果与讨论

7.3本章小结

参考文献

第八章离子注入光学材料制备条形光波导

8.1制备条形光波导的意义

8.2氧离子注入KTA晶体制备条形光波导

8.3氦离子注入Ce：KNSBN晶体的条形波导阵列

8.4本章小结

参考文献

第九章离子束刻蚀制备衍射光栅和脊形光波导

9.1离子束刻蚀制备衍射光栅

9.2离子束刻蚀制备脊形光波导

9.3本章小结

参考文献

第十章总结

10.1主要结果

10.2主要创新点

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

附：英文论文