基于离子注入的Rb/Ba-K离子交换KTP晶体光波导特性研究

摘要

近年来,随着光通信、光信息处理、光计算等技术的发展,加之材料科学和制造技术的发展,使得在单一结构或单片衬底上集成光学、光电和电子元器件成为可能,形成具有单一功能或多功能的光电子集成回路(OEIC)或集成光路(IOC)。预计到2020年,光电子集成回路和集成光路的发展速度将相当于20世纪70年代的微电子技术,多功能集成光学器件光电子集成器件将系列化,集成光学信号处理速度将达到1GHz。作为集成光学基本单元的光波导,在各种器件制造中发挥重要的作用。光波导是把光限制在较小的区域传播以提高光密度,从而更好的利用晶体的非线性性质。通常制备光波导的方法主要有离子注入、离子交换、金属扩散和薄膜沉积等。
　　 离子注入包括轻离子注入和重离子注入,He、H轻离子注入的机理是注入离子在射程末端对品格造成损伤,形成一个折射率降低的光学位垒,位于光学位垒和空气之间的晶体形成波导结构,是典型的位垒型波导。目前轻离子注入的主要问题是要形成波导需要较高的注入剂量,大约为～1016 ions/cm2,因而注入成本较高。重离子注入的原理是高能低剂量的注入离子在射程内对品格造成级联损伤,一定程度上降低了晶体双折射性质,从而使得注入区内较低的折射率增高(如x、y方向),其波导结构位于折射率增加的晶体材料表面。对比轻离子注入,重离子注入时间短,成本低,而且形成的波导结构没有位垒型波导的隧道效应,可以降低波导损耗,提高波导性能。研究两种离子注入光学材料制备光波导的技术不仪有重要的理论意义,而且具有潜在的应用价值。
　　 离子交换方法是在一定的交换温度和时间下使用特定的离子与衬底材料中的某种离子进行交换,从而改变晶体材料的性质,以至改变晶体的折射率形成波导。离子交换方法制作的光波导有以下优点:制作过程的工艺参数可以灵活变化;制作工艺简单,适合大规模批量生产;波导损耗低,偏振相关性小。
　　 磷酸钛氧钾(KTiOPO4,KTP)是一种优良的非线性光学品体,具有高非线性光学系数、高损伤阈值,高线性电光系数和高热稳定性。在900℃以下不易分解。这些优点使得KTP晶体广泛用于倍频(SHG)、参量震荡(OPO)、量子光学等领域。此外还可用于集成光学器件,有利于实现光学器件的微型化等性质。最近,KTP的Ⅱ类倍频转换效率达到20％/W·cm2,在PPKTP中,半个周期产生的相位失配在另外半个周期中被反方向的相位失配所补偿。而且,Ⅰ类准相位匹配扇形的KTP波导应用于波长0.76-0.96μm的调谐钛宝石激光倍频和直接倍频半导体激光输出0.43-0.40μm激光,已获得转化效率超过100％/W·cm2。
　　 本文主要研究利用Rb+/Ba2+-K+交换在KTP晶体上实现平面和条形光波导,并结合离子注入技术来调制Rb+和Ba2+扩散深度不匹配问题。主要内容包括:
　　 (1)选定用于交换的熔融液中合适RbNO3和Ba(NO3)2比例和离子交换温度,根据文献可知,当交换温度较高和熔融液中Ba2+比例较大时,KTP晶体极易发生碎裂,因此实验中研究了不同温度下离子交换深度情况以选定合适的交换温度。实验中选用了两种RbNO3和Ba(NO3)2摩尔浓度,分别比为92％:8％和97％:3％,温度选定了380℃和340℃,结果表明当温度为380℃时,Rb+、Ba2+摩尔比为92％:8％时,KTP晶体极易在x方向发生解理。
　　 (2)根据实验结果利用iWKB和RBS方法拟合出Rb+、Ba2+在KTP晶体的交换深度,拟合数据表明Rb+、Ba2+在晶体内存在交换深度不匹配情况,Ba2+的交换深度约为Rb交换深度的1/e,这或许就是导致PPKTP晶体存在众多缺点的原因,比如畴反转深度比较浅,与折射率增加区域不匹配,以及形成的波导通常为多模波导等,因为根据John Bielein提出的理论,单纯的Rb+离子交换不会引起畴反转,Ba2+或其他二价离子的存在才会导致畴反转的形成。因此实验用He离子注入在KTP晶体内形成一个损伤层,来阻挡Rb+/Ba2+-K+离子继续向晶体内部扩散,根据iWKB和RBS拟合的结果来看,Rb+、Ba2+离子交换深度被限定在1μm以内,且形成的波导为单模波导。
　　 (3)在KTP晶体上制备周期性条形波导,因为要实现准相位匹配需要对波导材料的铁电畴进行周期性调制。目前为止,获得畴反转的方法主要有电场极化和离子交换。但是由于KTP晶体存在高电导率,电场极化产生畴反转不易实现。离子交换作为一种替代方法,被一些科学家用作产生畴反转,但是离子交换会引起畴反转深度和波导深度不匹配。因此在实验中利用周期性Cr掩膜沉积在KTP晶体上,Cr存在的地方会阻挡Rb+/Ba2+-K+的交换,没有被Cr覆盖的地方会发生交换,因此会产生周期性畴反转波导,最后用端面耦合方法测试了条形波导的近场分布。