LiNbO3的光波導(dǎo)特性研究和平板光子晶體結(jié)構(gòu)的制備.pdf

1、光波導(dǎo)是集成光學(xué)器件的基礎(chǔ)，在光通信領(lǐng)域具有十分重要的用途。人們在不斷的探索新的波導(dǎo)制備方法、改進波導(dǎo)的性能。制備光波導(dǎo)的方法常用的有擴散、質(zhì)子交換、離子注入等。其中，離子注入作為一種制備光波導(dǎo)的有效方法，引起人們的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)取得了重要進展。離子交換具有工藝簡單、傳輸損耗低等優(yōu)點，一直受到人們的青睞。本論文中我們采用離子注入和質(zhì)子交換兩種方法在鈮酸鋰晶體上實現(xiàn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　 離子注入通常被分為高能輕離子(如H、He)

2、高劑量注入和高能重離子(相對于輕離子而言的，如O、P、Si等離子)低劑量注入兩種方式。輕離子注入形成光波導(dǎo)一般采用的是Mev能量，1016ions/cm2數(shù)量級的劑量，在材料表面下幾微米的范圍內(nèi)形成光學(xué)波導(dǎo)。輕離子注入一般是在離子射程末端由核能量沉積形成一個折射率降低的光學(xué)位壘，這樣可以在光學(xué)位壘和空氣之間的夾層形成限制光傳播的波導(dǎo)區(qū)。重離子注入的劑量一般比輕離子注入低1～3個數(shù)量級。重離子注入一般會在材料近表面區(qū)域形成折射率增加的波導(dǎo)

3、層，來限制光在波導(dǎo)層中傳播，對于鈮酸鋰晶體我們認為是晶體的自發(fā)極化降低導(dǎo)致異常光折射率增加，有的情況下也同時會在離子射程末端形成一個折射率降低的位壘結(jié)構(gòu)。
　　 光子晶體是近二十年發(fā)展起來的能夠控制光的一種人工“晶體”材料。光子晶體是由兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定的周期排列起來的一種“晶體”結(jié)構(gòu)。其中，最有應(yīng)用前景的是三維光子晶體，三維光子晶體能全方位的約束光，但是直接制備相當(dāng)困難，特別是在光學(xué)晶體材料上制備三維光子晶

4、體更是一個挑戰(zhàn)。平板光子晶體具備或者基本具備三維光子晶體的特性，相對于直接制備三維光子晶體容易。平板光子晶體是指只在平面上是周期排列的結(jié)構(gòu)，在第三個方向上是利用傳統(tǒng)的全反射來限制光，這種介質(zhì)結(jié)構(gòu)仍保持光子晶體的基本性質(zhì)。由于二維平板光子晶體制備工藝相對簡單，借助發(fā)展成熟的微電子加工工藝取得了一定的進展。
　　 光波導(dǎo)是制備集成光學(xué)器件的基本結(jié)構(gòu)，在集成光學(xué)中具有非常重要的地位。平板光子晶體在豎直方向上是利用傳統(tǒng)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來限制

5、光，但是在豎直方向上折射率差值越大對光的限制越強，存在帶隙的可能性越大。為了便于耦合，在平板光子晶體兩端會各有一條脊型波導(dǎo)或者條形波導(dǎo)來對光進行導(dǎo)入和導(dǎo)出。我們對離子注入的導(dǎo)入導(dǎo)出波導(dǎo)做了詳細的研究，特別是單模光波導(dǎo)。單模光波導(dǎo)相對于多模波導(dǎo)來說，具有體積小，損耗低等優(yōu)點。表明平板光子晶體的制備需要優(yōu)質(zhì)的折射率限制型波導(dǎo)的支持。
　　 制備平板光子晶體所需要的波導(dǎo)需要滿足一定的條件，首先，這種光波導(dǎo)需要是傳輸損耗低的單模波導(dǎo)，特

6、別是1550 nm通信波長的單模波導(dǎo)，可以避免多模引起的波導(dǎo)高損耗；其次，光波導(dǎo)的波導(dǎo)層要足夠薄，這樣才能借助現(xiàn)有的微電子加工工藝實現(xiàn)較好的孔洞側(cè)壁，并且如果波導(dǎo)太厚還可能引入光子晶體的高階模，增加模式之間的耦合損耗。
　　 在實驗中我們通過離子注入或者離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合的方法制備了光波導(dǎo)。為了優(yōu)化波導(dǎo)的性質(zhì)，我們對制備的波導(dǎo)進行熱退火處理。通過棱鏡耦合、端面耦合測量了退火前后波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)。并用有限差分光束傳輸方法(FD

7、-BPM)模擬了波導(dǎo)的近場光強分布情況，與實驗圖像數(shù)據(jù)進行比較。折射率分布是制作波導(dǎo)的一個重要參數(shù)，由于在實驗中我們側(cè)重于單模波導(dǎo)的制備，所以一般采用Intensity Calculation Method(ICM)來計算單模波導(dǎo)的折射率分布。傳輸損耗是波導(dǎo)是否具有實用價值的重要參數(shù)，我們在實驗中一般采用Fabry-Perot方法測量脊型波導(dǎo)的傳輸損耗，用Back-Reflection方法測量平面波導(dǎo)的傳輸損耗。還利用了聚焦離子束(FI

8、B)技術(shù)在傳統(tǒng)波導(dǎo)和鈮酸鋰單晶薄膜上制備了光子晶體結(jié)構(gòu)。
　　 本論文中主要采用的光學(xué)材料是同成分的鈮酸鋰和近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體。鈮酸鋰晶體被稱為光學(xué)中的“硅”，是一種集聲光、電光、非線性、光彈等效應(yīng)于一體的性質(zhì)優(yōu)良的鐵電晶體，被廣泛應(yīng)用于光電子學(xué)和非線性光學(xué)。鈮酸鋰光波導(dǎo)作為集成光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)成分，被用來實現(xiàn)了許多光學(xué)器件，包括電光調(diào)制器、波導(dǎo)激光、光折射空間孤子、光學(xué)帶隙晶體等。通常所說的鈮酸鋰一般是指同成分鈮酸鋰(簡稱C

9、LN)，由于Li的缺少，導(dǎo)致晶體內(nèi)存在許多本征缺陷。近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體(簡稱SLN)中Li/Nb接近1，由于缺陷的減小，提高了晶體的性能參數(shù)，如矯頑場減小、非線性光學(xué)系數(shù)、電光系數(shù)、光折變靈敏度、激光損傷閾值和光致折射率變化等特性都有提高。
　　 本論文的主要結(jié)果如下：
　　 1.離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合制備單模鈮酸鋰光波導(dǎo)
　　 用能量間隔為200 keV，能量范圍是600 keV到1400 keV的相同劑

10、量(1×1015ions/cm2)的氧離子注入到質(zhì)子交換的LiNbO3晶體，在633 nm和1539 nm波長下均形成單模波導(dǎo)。通過以上的分析得到以下幾個結(jié)論：實驗表明O離子注入可以調(diào)制質(zhì)子交換波導(dǎo)的模式；為了觀察原子的晶格移位，用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)測量了只進行800 keV的氧注入以及只進行質(zhì)子交換LiNbO3的損傷譜，測量結(jié)果表明，兩者存在不同的損傷分布；利用ICM方法擬合了800 keV氧離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合制備的單模波導(dǎo)

11、在退火后的異常光折射率分布，折射率分布是典型的折射率增加勢阱加低折射率位壘的分布；最后給出理論上的解釋，波導(dǎo)的折射率比交換后的降低了，是由于自發(fā)極化在質(zhì)子交換時急劇的降低，所以氧離子注入后分子體積的膨脹決定著折射率的降低，分子體積的膨脹是由氧離子注入過程中形成的損傷引起的。結(jié)果表明離子注入可以成功的調(diào)制質(zhì)子交換波導(dǎo)的折射率分布。
　　 以光刻膠為刻蝕掩膜用Ar離子束刻蝕技術(shù)制備了脊型波導(dǎo)。測量了模式TM00和TM10的近場光強分

12、布情況，對比模擬的模式分布，可以看出兩者存在合理的一致。脊型波導(dǎo)的傳輸損耗大約是2.2 dB/cm。以上的結(jié)果顯示在離子注入和質(zhì)子交換相結(jié)合制備的平面波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，用Ar離子束刻蝕制備出較好質(zhì)量的z切脊型波導(dǎo)。
　　 2.He離子注入鈮酸鋰形成單模光波導(dǎo)
　　 MeV He離子已經(jīng)被成功應(yīng)用于制備LiNbO3波導(dǎo)，但是形成的波導(dǎo)一般是多模的，這種情況下一般用擬合得到的no折射率分布與用SRIM模擬的損傷分布進行比較。在本

13、實驗中，利用400 keV He離子在77 K，劑量3×1016 ions/cm2，注入LiNbO3形成了單模平面波導(dǎo)。用盧瑟福背散射/溝道方法測量的損傷分布的形狀與用ICM模擬的no折射率分布的形狀有合理的相似，所以表明注入損傷是no折射率改變的主要原因。首次在實驗上用由盧瑟福背散射/溝道技術(shù)測得的損傷分布與波導(dǎo)的折射率分布比較，而不是用由SRIM模擬得到的損傷分布。另外，用Ar離子束刻蝕的方法制備了脊型波導(dǎo)，并測量和模擬了近場光強分

14、布。脊型波導(dǎo)中ne的傳輸損耗大約為1.9 dB/cm。在實驗上驗證了注入損傷是引起no折射率的改變的主要原因，制備了具有重要應(yīng)用價值的x切鈮酸鋰脊型波導(dǎo)。
　　 用相同的能量、劑量、離子在室溫下注入到LiNbO3晶體同樣形成了光波導(dǎo)，在兩種條件下形成波導(dǎo)的異常光折射率增加和尋常光折射率降低的趨勢是一樣的，對于ne都是形成折射率增加的波導(dǎo)，對于no都是形成折射率減低的波導(dǎo)，但是低溫條件下，離子注入引起的折射率的改變幅度△ne和△n

15、o都比較大。從盧瑟福背散射/溝道譜中，可以看出注入?yún)^(qū)域的損傷的程度與靶的溫度有很大的關(guān)系，靶的溫度低，波導(dǎo)區(qū)域保留的損傷大。從以上的討論可以得出：損傷可以使異常光折射率增加，尋產(chǎn)光折射率隨損傷的增加而降低，且損傷與靶的溫度有關(guān)。
　　 3.雙能量氧離子注入同成分與近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體形成單模波導(dǎo)的研究
　　 用550keV和250keV的O離子注入到鈮酸鋰，劑量分別是6×1014 ions/cm2、3×1014 ion

16、s/cm2，只有在260℃，30分鐘退火后才在LiNbO3晶體上形成波導(dǎo)，在633 nm下激發(fā)出一個有效折射率增加的導(dǎo)模。根據(jù)實驗測得的損傷深度分布擬合了退火后波導(dǎo)的折射率分布，折射率在波導(dǎo)區(qū)是增加型的。成功地利用雙能量O離子注入LiNbO3形成了具有均勻損傷分布和均勻近場光強分布的光波導(dǎo)。退火后波導(dǎo)的傳輸損耗大約是0.5 dB/cm，具有實用價值。
　　 SLN晶體有優(yōu)異的性質(zhì)是近期的研究熱點。利用相同的注入條件結(jié)合光刻工藝在

17、近化學(xué)計量比的鈮酸鋰上同時制備出了平面波導(dǎo)和條形波導(dǎo)。用棱鏡耦合方法得到了退火前后波導(dǎo)的暗模特性圖，并分析了形成的原因，我們認為是雙能量離子注入的損傷決定了異常光折射率的改變。并利用端面耦合裝置測量了SLN條形波導(dǎo)的近場光強分布。
　　 4.鈮酸鋰平板光子晶體結(jié)構(gòu)的制備
　　 在論文中我們主要研究鈮酸鋰平板光子晶體結(jié)構(gòu)的制備，一方面，平板光子晶體具有或者基本具有三維光子晶體的特性，可以用現(xiàn)有的半導(dǎo)體精細加工工藝進行制備，

18、相對于直接制備三維光子晶體容易；另一方面，平板光子晶體可以實現(xiàn)平面集成，特別是在非線性光學(xué)晶體上制備的光子晶體，將會大幅度提高基于非線性光學(xué)晶體的光學(xué)器件的性能，導(dǎo)致下一代集成光電器件的出現(xiàn)，實現(xiàn)真正意義上的集成光學(xué)。鈮酸鋰是一種具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)，電光，壓電，聲光等系數(shù)的優(yōu)良晶體，所以在鈮酸鋰晶體上制備光子晶體對于高密度集成光學(xué)器件的發(fā)展具有重要意義。
　　 利用基于平面波展開法的軟件計算了鈮酸鋰光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，用時