离子注入法与射频溅射法制备光波导的研究

摘要

集成光学器件在实现高速短距离光通讯、宽带光网络、传感器与自动化装置，光学信号处理及光计算中有着重要作用。光波导则是组成集成光路的基本单元。迄今为止，人们已经探索多种方法来制备性能优良的光波导。离子注入技术作为一种成熟的材料表面改性技术已经成功地在多种光学材料上实现了光波导结构。 在离子注入形成的波导结构中，MeV的H和He离子经常被注入光学材料中以实现光波导结构。轻离子注入形成典型的光学位垒型光波导。最近，重离子注入光学晶体材料形成的波导结构受到广泛研究。重离子注入部分光学晶体材料(如铌酸锂(LiNbO<,3>)、掺钕的钒酸钇(Nd：YVO<,4>)、偏硼酸钡(BBO)、砷酸钛氧钾(KTA)等)可以引起表面层折射率增加，从而形成波导区折射率增加型波导结构。利用重离子注入形成光波导表现出独特的优点：与轻离子注入相比，注入剂量可以降低1～3个数量级，可以大大降低制造成本。因此，研究重离子注入光学材料形成的光波导具有潜在应用的重要意义。 氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有优良的物理及化学性能。ZnO薄膜结构在许多领域具有现实及潜在的应用，如表面声波器件、平面波导、透明电极、紫外光探测器、压电器件、气敏传感器、紫外/蓝紫/蓝光-LED(发光二极管)及激光二极管等。我们用射频磁控溅射法分别在x切及z切LiNbO<,3>衬底上生长了ZnO/MgZnO双层结构。研究了其结构、光学及导波特性。 在本论文主要包括两个方面的工作：(1)离子注入LiNbO<,3>、LiTaO<,3>、SrWO<,4>、BaWO<,4>、Yb：NaGd(WO<,4>)<,2>、KNSBN、Nd:GdVO<,4>及Nd:LuVO<,4>等光学晶体上实现平面光波导结构。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。用卢瑟福背散射/沟道技术研究了注入引起的损伤分布。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)利用射频磁控溅射技术在x切及z切IJNbO<,3>上制备了ZnO/MgZnO结构，利用X．射线衍射法、扫描电镜法研究了其生长及结构特性，研究了其结构、光学及导波特性。论文主要结果如下：铌酸锂(LiNbO<,3>)是一种性能优良的非线性光学晶体，具有打的电光系数、声光系数及非线性光学系数等。在LiNbO<,3>上形成光波导结构受到了广泛研究。我们用6.0MeV F离子注入LiNbO<,3>晶体形成了平面光波导，研究了注入剂量与折射率变化、损伤分布的关系，还研究了退火对导模及传输损耗的影响。研究结果对于重离子注入IfiNbO<,3>晶体的光波导的制备和应用提供了实验基础。 钽酸锂(LiTaO<,3>)晶体是制造光波导和声波器件的优良衬底，具有和LiNbO<,3>晶体相近的晶体结构和性质。其抗光折变能力比铌酸锂高两个数量级。我们分别用6.0 MeV的O离子和6.0 MeV的F离子注入LiTaO<,3>晶体，分别在633 nm和1539 nnl形成了光波导结构，剂量分别为1.0×10<'14>ions/cm<'2>—1.0×10<'15>ions/cm<'2>及1.0×10<'14>ions/cm<'2>—1.5×10<'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，利用RCM拟合方法研究了注入后波导区的折射率分布。 钨酸锶(SrWO<,4>)晶体、钨酸钡(BaWO<,4>)晶体及掺镱的钨酸钆钠(Yb∶NaGd(WO<,4>)<,2>)晶体结构相似，属于白钨矿结构，四方晶系，具有宽的透光范围、好的热学及机械性能，是优良的拉曼激光晶体。BaWO<,4>晶体被认为是实现固体拉曼激光器的可靠有效的拉曼激光晶体。目前，没有关于这三种晶体光波导的报导。我们用MeV重离子在不同剂量下注入三种光学晶体，分别形成了波导结构。为SrWO<,4>、BaWO<,4>及Yb∶NaGd(WO<,4>)<,2>晶体的光波导应用提供了实验基础。 铌酸锶钡钾钠((K<,y>Na<,1-y>)<,a>(Sr<,x>Ba<,1-x>)<,b>N<,b2>O<,6>，KNSBN)晶体是优良的光折变晶体，具有大的电光系数，其机械性能优于SBN、BaTiO<,3>和KN。被认为是很有潜在应用光折变晶体材料。离子注入是在具有低的居里温度的材料上实现波导结构的有效手段。我们用多能量的He(2.4 MeV，2.2 MeV，2.0 MeV)离子注入KNSBN晶体在633nm及1539nm下分别形成光波导结构。用端面耦合法研究了传播模式的近场光强分布。拟合并分析了其折射率分布。 掺钕的钒酸钆(Nd∶GdVO<,4>)和掺钕的钒酸镥(Nd∶LuVO<,4>)晶体具有优良的机械、热学、物理、化学和激光性能。最近研究表明Nd∶GdVO<,4>晶体具有大的泵浦波长吸收系数，较长的荧光发射、较宽的辐射界面以及与YAG相当的热导率。我们采用多能量(3.6 MeV，3.0 MeV，2.4 MeV)的O离子注入Nd∶GdVO<,4>和Nd∶LuVO<,4>晶体，总的注入剂量为5.9x10<'14>ions/cm<'2>。注入后的样品形成了寻常光折射率增加型的平面光波导。用棱镜耦合法测量了其暗模特性，拟合并分析了其折射率分布。利用模型进行了模式分析。 氧化锌(ZnO)在室温下是一种宽禁带(3.3eV)II—VI族化合物半导体材料。ZnO具有优良的电学、光学及压电性能从而收到广泛研究，在许多领域具有重要应用：太阳能电池窗口、透明导电膜、体声波器件及光发射二极管(LED)等。在第九章，首次分别在x切及z切LiNbO<,3>晶体上用射频磁控溅射法生长了ZnO/MgZnO层结构，形成了光波导，利用记录式分光光度计、X一射线衍射仪、H-8010型扫描电镜及Metricon 2010棱镜耦合仪研究表明样品具有高的光学透过率、良好的c轴择优生长取向，均匀平滑的表面以及较好的导波性能。利用光纤扫描技术测量了退火前后样品的传输损耗。

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

第二章平面光波导理论简介

第三章实验方法

第四章高能氟离子注入铌酸锂晶体的平面光波导

第五章高能氧离子与氟离子注入钽酸锂晶体的平面光波导

第六章重离子注入新型钨酸盐晶体的平面光波导

第七章多能量氦离子注入铌酸锶钡钾钠晶体的平面光波导

第八章多能量氧离子注入掺钕的钒酸钆与掺钕的钒酸镥晶体的平面光波导

第九章射频磁控溅射法制备氧化锌光波导

第十章总结

附图、表目录

攻读博士期间发表、投稿的论文及获得的奖励

致谢