氧化物光学晶体波导中的光折变效应和光子晶体研究

摘要

集成光学最早由贝尔实验室的Miller提出，主要研究媒质材料中的光学现象以及将光学元件集成化，主要解决通讯技术中的光传输和光学信号处理等问题。随着信息的日益增长，普通的电信号已经不能满足人们对信息传递的需求，而以光信号为传播载体的波导结构及光纤等得到广泛应用。集成光学可以将光学器件与光波导结构集成在同一块衬底上实现一种或多种光学功能。与集成电路相比，以光为信号载体的集成光路具有天生的优点，因为光子不会像电子一样相互干扰。与非集成光学器件相比，集成光学器件可以做的体积更小、重量更轻、成本也更低。集成光学将所有元器件集成在同一衬底上，所以避免了调节各器件之间的耦合，同时也具有更强的稳定性，这是集成光学重要的优点。波导结构是集成光学重要的组成部分，大多数光学元器件以波导结构为基础。波导从结构上来说是折射率高的部分被折射率低的部分包裹起来的微米或亚微米量级光学结构。由于波导结构尺寸很小，即使在很低的入射光强下，波导中的光功率密度也会很高，所以体材料中的某些效应，比如材料的非线性和光折变等效应，在波导结构中可能会增强。制备波导结构的媒质材料主要有玻璃、单晶材料、多晶材料、高分子聚合物等，因为他们本身具有优秀的光学特性，比如光学非线性、光折变性能、荧光性能、倍频性能等，在光学器件中应用广泛。在光学材料中如何制备波导结构，并研究其光学性质一直是集成光学研究的热门课题。所有晶体材料中，铌酸锂(LiNbO3)是集成光学中应用较广泛的一种。铌酸锂具有出色的电光和非线性性能，居里温度高和不易潮解等稳定的物理化学性能，广泛应用在各种光学器件中。铌酸锂波导广泛应用于光纤通讯、光学器件和集成光电子学中，近年来，对其研究一直是一个很热门的课题。磷酸钛氧钾(KTiOPO4，简称KTP)晶体也是一种优良的非线性光学晶体，尤其适用于制备倍频器件，可通过多种方法制备波导结构。制备波导结构的方法有载能离子束、超快激光直写、选择性光诱导、离子交换、金属离子扩散和离子束切片等，我们主要利用载能离子束的离子注入法制备光波导。离子注入过程中，注入离子会引起核能量损失与电子能量损失，这会引起注入区折射率的改变，从而形成波导结构。波导区的折射率会增高，形成波导的势阱，离子射程末端的折射率会降低，形成波导的势垒。光子晶体作为一种新兴人工合成光学材料，因为可以产生光子禁带，应用前景广阔，引起了国内外研究人员的广泛关注。
　　本文主要研究了铌酸锂与磷酸钛氧钾中平面及条形波导的制备方法，并研究了所制波导的各项性能;以及探索在磷酸钛氧钾波导结构中制备光子晶体结构。研究了氢离子注入掺铁近化学计量比铌酸锂平面波导中的光折变效应。使用二波混频法，在633 nm光下测得了增益系数为15 cm-1，在输入功率仅为几微瓦数量级的条件下，测得响应时间为几秒数量级。研究了轻离子（三重能量He离子）与重离子（氧离子）分别注入磷酸钛氧钾制备平面波导及条形波导的方法。重建了折射率分布，发现无论是TE模式，还是TM模式都形成了“势阱+势垒”型波导结构。研究了制备折射率差较大的KTP-on-SiO2平面波导的方法，并且在KTP条形波导上用聚焦离子束刻蚀法制备了光子晶体结构。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状与趋势

1．3 本文的主要研究内容及章节安排

参考文献

第二章 光波导基本理论与实验方法

2．1 光波导概述

2．2 光波导理论

2．3 光波导制备方法

2．4 光波导模拟方法

2．5 光波导测试方法

参考文献

第三章 掺铁铌酸锂光波导中的光折变效应

3．1 光折变效应原理

3．2 二波混频法测量光折变效应

3．3 掺铁铌酸锂平面波导的制备及光折变研究

3．4 本章总结

参考文献

第四章 离子注入磷酸钛氧钾光波导

4．1 三重能量氮离子注入KTP制备平面及条形波导

4．2 氧离子注入KTP制备平面及条形波导

参考文献

第五章 光子晶体模拟及制备

5．1 光子晶体简介

5．2 光子晶体的电磁波理论

5．3 光子晶体的制备方法

5．4 平板光子晶体模拟

5．5 光子晶体结构制备

5．6 本章总结

参考文献

第六章 总结

6．1 主要结果

6．2 主要创新点

致谢

攻读硕士期间发表的论文

附已发表的英文论文