透明光學材料中的光子導波微結構-制備與特性研究.pdf

1、光子微結構是能夠控制光子運動的微米、亞微米量級的結構，是目前國際上光學研究領域的前沿和熱點之一，它通過人工方法在均勻的光學材料引入折射率的變化來調制光在結構中的傳輸模式，從而實現(xiàn)光學信號的傳遞、放大、探測、傳感等，在光通信、計算和超快速信息處理等領域具有廣泛的應用前景。在光學材料中，將多種功能的光子微結構結合在一起制備具有整體功能的光子集成芯片，可以實現(xiàn)光學器件的小型化、集成化。因此，制備高性能的功能光子微結構是實現(xiàn)光子集成芯片的基礎。

2、
　　目前，應用于制備光子微結構的方法主要有載能離子束注入、飛秒激光寫入、聚焦離子束刻蝕、離子交換等，運用這些制備方法已經(jīng)在多種材料上實現(xiàn)了不同功能的光子微結構，例如多層介質膜、光波導、光學微腔、光子晶體等。多層介質膜在一維方向上存在折射率突變，對于不同波長的光通過折射率的突變以及介質膜的厚度對光的傳輸進行調制，對特定波長的光可以增強透射或者反射;光波導是一種由低折射率區(qū)域包裹高折射率區(qū)域，光在界面上發(fā)生全反射被限制在微小區(qū)域內(nèi)傳

3、輸?shù)墓鈱W結構;光子晶體是一種人造的具有光子帶隙特性的結構，它通過人工的引入周期性的折射率變化對光在結構中的傳輸進行調制;光學微腔是一種尺寸在微米或者亞微米量級的光學諧振腔，它利用在不均勻界面上光傳播的反射、散射或衍射等效應，將光長時間限制在特定空間內(nèi)傳輸?shù)奈⑿∑骷?br>　　載能離子束注入是一種成熟的材料表面改性技術，其主要依靠載能離子與材料的相互作用在襯底材料中沉積能量，導致材料的結構發(fā)生變化，從而引起折射率改變。該技術已經(jīng)成功的在

4、多種光學材料中制備了光波導結構，例如玻璃、單晶、多晶陶瓷、聚合物、半導體材料等。此外，利用聚焦的載能離子束寫入光學材料可以實現(xiàn)材料折射率的微區(qū)改變，從而可以省去復雜的光刻、掩膜工藝，制備的通道光波導結構的對稱性也比較高;飛秒激光寫入采用高光密度的近紅外飛秒脈沖激光與透明光學材料相互作用，產(chǎn)生非線性吸收改變透明光學材料的結構，引起材料的折射率變化，該技術適用于大部分透明光學材料，折射率變化形式根據(jù)寫入條件和材料性質的不同主要分為兩種:一種

5、是在飛秒脈沖激光寫入?yún)^(qū)域折射率降低，人們通常寫入兩條飛秒燒蝕痕跡，痕跡包裹的區(qū)域形成通道光波導，另一種是在飛秒激光寫入?yún)^(qū)域折射率增加，在燒蝕區(qū)域形成對稱性較高的通道光波導結構;聚焦離子束刻蝕技術是將高能帶電離子聚焦到樣品加工區(qū)域，通過高能帶電離子的動能對樣品加工區(qū)域進行轟擊，將樣品表面的原子從樣品表面分離出去，達到對樣品進行加工的目的，該技術適用于各種材料，是加工光學微腔以及光子晶體等光子微結構的有效手段，與載能離子束注入等材料改性技術

6、相結合，可以制備出功能更加復雜多樣的光子微結構;離子交換借助于離子置換反應將樣品中的離子與溶液中的離子進行交換，從而在樣品表面形成一層高折射率的區(qū)域，從而形成光波導結構。
　　光子微結構依靠折射率的變化對光信號進行調制，因此樣品制備方法對材料折射率的精確改變至關重要，這直接影響到光子微結構的光學性質，所以研究光子微結構的制備及其導波特性具有重要的意義。
　　本文主要研究了透明光學材料中波導、光子晶體微腔結構的制備方法和特性，

7、利用飛秒激光寫入在ZnS、Nd∶YAG、KTP晶體中制備雙線型或包層光波導結構，利用載能離子輻照技術結合金剛石刀精密切割技術在ZnS晶體中制備脊型光波導結構，利用聚焦質子束寫入技術在GLS玻璃中制備通道光波導結構，使用端面耦合裝置測試在不同波長條件下光在波導結構中的傳輸模式以及傳輸損耗，通過測量波導的數(shù)值孔徑獲得波導的最大折射率變化，進行波導區(qū)域的折射率重構，并使用有限差分光束傳播方法(FiniteDifferenceBeamPropa

8、gationMethod，F(xiàn)D-BPM)對波導的傳輸模式進行模擬計算，并與實驗結果進行對比;利用載能離子束注入技術結合聚焦離子束刻蝕技術在Nd∶YAG晶體中制備了光子晶體微腔結構，使用棱鏡耦合裝置對離子注入層的暗模特性進行分析，利用Rsoft軟件中的BandSOLVE1.3模塊來計算光子晶體結構的帶隙情況，使用掃描近場光學顯微鏡(SNOM)測量該光子晶體微腔結構的近場光強分布，使用共聚焦顯微鏡對結構區(qū)域的熒光性質進行分析。
　　主

9、要結果如下:
　　硫化鋅(ZnS)是一種性能優(yōu)良的中紅外光學晶體，其機械性能優(yōu)良，不易潮解，化學穩(wěn)定性良好。使用飛秒激光寫入技術在ZnS晶體上制備了雙線型通道光波導，在632.8nm波長下，對不同制備參數(shù)的波導結構進行導波模式分析和損耗對比，發(fā)現(xiàn)了各制備條件對波導導波特性的影響情況，獲得了優(yōu)化飛秒激光寫入波導質量的途徑;利用飛秒激光寫入技術在ZnS晶體中制備了不同尺寸的圓形包層光波導，在中紅外波長下(～4μm)測試其導波特性，其中

10、在直徑～50μm的包層波導結構中以單模模式傳輸，通過測量該波導結構的數(shù)值孔徑獲得波導區(qū)域的最大折射率差，重構其折射率分布，并使用FD-BPM對該波導結構的傳輸模式進行模擬計算，與實驗結果基本一致，測得的包層光波導的傳輸損耗最小為～1.1dB/cm;使用載能碳離子輻照ZnS晶體表面形成平面光波導，結合金剛石刀精密切割技術對樣品表面進行切割，在平面光波導結構上制備了寬度為～30和～45μm脊型光波導結構，在632.8nm波長下對脊型波導結構

11、的傳輸模式進行分析，并測量了波導的傳輸損耗。
　　釔鋁石榴石（Y3Al5O12或YAG）晶體是一種機械性能和透光性質優(yōu)異的光學材料，使用飛秒脈沖激光寫入技術在YAG晶體中制備了圓形包層光波導，利用端面耦合裝置測試了在中紅外波長(～4μm)條件下波導結構的傳輸模式，通過測量波導結構的數(shù)值孔徑獲得波導區(qū)域的最大折射率改變，重構其折射率分布，使用FD-BPM計算獲得其傳輸模式，與實驗結果基本一致，測量了在TE和TM偏振下該波導結構的傳輸

12、損耗，最小為～0.7dB/cm。
　　摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)晶體保留了釔鋁石榴石晶體的優(yōu)異光學性質，同時也是一種性能優(yōu)良的激光晶體。使用載能離子束注入技術在Nd∶YAG晶體形成平面光波導結構，使用棱鏡耦合裝置測試其暗模特性，利用聚焦離子束刻蝕技術對波導層進行加工制備了光子晶體微腔結構，使用SNOM測試該結構的近場光強分布，532nm的光在結構中心缺陷處近場光強獲得了增強，～30％，這表明該結構可以將532nm的光限制在結構

13、中心缺陷處傳輸，532nm波長位于光子晶體帶隙波長范圍中，同時也表明了該結構可以限制波長為1064nm（532nm的一階帶隙波長）的光的傳輸，使用共聚焦熒光顯微鏡測量了該結構區(qū)域的熒光強度分布，獲得了～5％的不在帶隙波長范圍內(nèi)的938nm的熒光增強，這是由于1064nm和938nm熒光發(fā)射峰都是由Nd3+的亞穩(wěn)態(tài)電子能級4F3/2產(chǎn)生的。實驗結果表明該光子晶體微腔結構可以用于降低波導激光閾值，增大波導激光輸出功率，提高波導激光的效率。<

14、br>　　磷酸鈦氧鉀（KTiOPO4或KTP）晶體是一種性能優(yōu)良的非線性光學晶體，其非線性系數(shù)大、熱導率大，不吸潮、不潮解，透明范圍較大，機械性能良好。使用飛秒激光寫入技術在KTP晶體中制備了不同尺寸的半圓形包層光波導結構，利用端面耦合裝置測試了TE和TM偏振的中紅外波長～4μm激光在半圓形包層光波導結構中的傳輸模式，為單?；蛘叨嗄鬏?，并測量了該包層光波導結構的傳輸損耗，最小為～0.4dB/cm。
　　硫化鎵鑭（GaLaS或GL

15、S）玻璃是一種新型的具有優(yōu)異光學性能的硫族化物半導體材料，在紅外波段具有很高的透過率，具有較高的折射率，物理、化學性質以及機械性能優(yōu)良。利用聚焦質子束寫入技術在GLS玻璃中制備了不同注入條件的通道光波導結構，測試了635nm、1064nm、1310nm以及1550nm的光在波導結構中的傳輸模式及導波特性，并測量了不同劑量下各個波長的光在波導結構中的傳輸損耗;通過測量波導的數(shù)值孔徑獲得了波導區(qū)域的最大折射率差，并重構了波導結構區(qū)域的折射率