基于離子注入的Rb-Ba-K離子交換KTP晶體光波導(dǎo)特性研究.pdf

1、近年來(lái),隨著光通信、光信息處理、光計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展,加之材料科學(xué)和制造技術(shù)的發(fā)展,使得在單一結(jié)構(gòu)或單片襯底上集成光學(xué)、光電和電子元器件成為可能,形成具有單一功能或多功能的光電子集成回路(OEIC)或集成光路(IOC)。預(yù)計(jì)到2020年,光電子集成回路和集成光路的發(fā)展速度將相當(dāng)于20世紀(jì)70年代的微電子技術(shù),多功能集成光學(xué)器件光電子集成器件將系列化,集成光學(xué)信號(hào)處理速度將達(dá)到1GHz。作為集成光學(xué)基本單元的光波導(dǎo),在各種器件制造中發(fā)揮重要

2、的作用。光波導(dǎo)是把光限制在較小的區(qū)域傳播以提高光密度,從而更好的利用晶體的非線(xiàn)性性質(zhì)。通常制備光波導(dǎo)的方法主要有離子注入、離子交換、金屬擴(kuò)散和薄膜沉積等。
　　 離子注入包括輕離子注入和重離子注入,He、H輕離子注入的機(jī)理是注入離子在射程末端對(duì)品格造成損傷,形成一個(gè)折射率降低的光學(xué)位壘,位于光學(xué)位壘和空氣之間的晶體形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu),是典型的位壘型波導(dǎo)。目前輕離子注入的主要問(wèn)題是要形成波導(dǎo)需要較高的注入劑量,大約為～1016 ions

3、/cm2,因而注入成本較高。重離子注入的原理是高能低劑量的注入離子在射程內(nèi)對(duì)品格造成級(jí)聯(lián)損傷,一定程度上降低了晶體雙折射性質(zhì),從而使得注入?yún)^(qū)內(nèi)較低的折射率增高(如x、y方向),其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)位于折射率增加的晶體材料表面。對(duì)比輕離子注入,重離子注入時(shí)間短,成本低,而且形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)沒(méi)有位壘型波導(dǎo)的隧道效應(yīng),可以降低波導(dǎo)損耗,提高波導(dǎo)性能。研究?jī)煞N離子注入光學(xué)材料制備光波導(dǎo)的技術(shù)不儀有重要的理論意義,而且具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　 離子

4、交換方法是在一定的交換溫度和時(shí)間下使用特定的離子與襯底材料中的某種離子進(jìn)行交換,從而改變晶體材料的性質(zhì),以至改變晶體的折射率形成波導(dǎo)。離子交換方法制作的光波導(dǎo)有以下優(yōu)點(diǎn):制作過(guò)程的工藝參數(shù)可以靈活變化;制作工藝簡(jiǎn)單,適合大規(guī)模批量生產(chǎn);波導(dǎo)損耗低,偏振相關(guān)性小。
　　 磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4,KTP)是一種優(yōu)良的非線(xiàn)性光學(xué)品體,具有高非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)、高損傷閾值,高線(xiàn)性電光系數(shù)和高熱穩(wěn)定性。在900℃以下不易分解。這些優(yōu)點(diǎn)使得

5、KTP晶體廣泛用于倍頻(SHG)、參量震蕩(OPO)、量子光學(xué)等領(lǐng)域。此外還可用于集成光學(xué)器件,有利于實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的微型化等性質(zhì)。最近,KTP的Ⅱ類(lèi)倍頻轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20％/W·cm2,在PPKTP中,半個(gè)周期產(chǎn)生的相位失配在另外半個(gè)周期中被反方向的相位失配所補(bǔ)償。而且,Ⅰ類(lèi)準(zhǔn)相位匹配扇形的KTP波導(dǎo)應(yīng)用于波長(zhǎng)0.76-0.96μm的調(diào)諧鈦寶石激光倍頻和直接倍頻半導(dǎo)體激光輸出0.43-0.40μm激光,已獲得轉(zhuǎn)化效率超過(guò)100％/W·cm

6、2。
　　 本文主要研究利用Rb+/Ba2+-K+交換在KTP晶體上實(shí)現(xiàn)平面和條形光波導(dǎo),并結(jié)合離子注入技術(shù)來(lái)調(diào)制Rb+和Ba2+擴(kuò)散深度不匹配問(wèn)題。主要內(nèi)容包括:
　　 (1)選定用于交換的熔融液中合適RbNO3和Ba(NO3)2比例和離子交換溫度,根據(jù)文獻(xiàn)可知,當(dāng)交換溫度較高和熔融液中Ba2+比例較大時(shí),KTP晶體極易發(fā)生碎裂,因此實(shí)驗(yàn)中研究了不同溫度下離子交換深度情況以選定合適的交換溫度。實(shí)驗(yàn)中選用了兩種RbNO3

7、和Ba(NO3)2摩爾濃度,分別比為92％:8％和97％:3％,溫度選定了380℃和340℃,結(jié)果表明當(dāng)溫度為380℃時(shí),Rb+、Ba2+摩爾比為92％:8％時(shí),KTP晶體極易在x方向發(fā)生解理。
　　 (2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用iWKB和RBS方法擬合出Rb+、Ba2+在KTP晶體的交換深度,擬合數(shù)據(jù)表明Rb+、Ba2+在晶體內(nèi)存在交換深度不匹配情況,Ba2+的交換深度約為Rb交換深度的1/e,這或許就是導(dǎo)致PPKTP晶體存在眾多缺

8、點(diǎn)的原因,比如疇反轉(zhuǎn)深度比較淺,與折射率增加區(qū)域不匹配,以及形成的波導(dǎo)通常為多模波導(dǎo)等,因?yàn)楦鶕?jù)John Bielein提出的理論,單純的Rb+離子交換不會(huì)引起疇反轉(zhuǎn),Ba2+或其他二價(jià)離子的存在才會(huì)導(dǎo)致疇反轉(zhuǎn)的形成。因此實(shí)驗(yàn)用He離子注入在KTP晶體內(nèi)形成一個(gè)損傷層,來(lái)阻擋Rb+/Ba2+-K+離子繼續(xù)向晶體內(nèi)部擴(kuò)散,根據(jù)iWKB和RBS擬合的結(jié)果來(lái)看,Rb+、Ba2+離子交換深度被限定在1μm以?xún)?nèi),且形成的波導(dǎo)為單模波導(dǎo)。
　

9、　 (3)在KTP晶體上制備周期性條形波導(dǎo),因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配需要對(duì)波導(dǎo)材料的鐵電疇進(jìn)行周期性調(diào)制。目前為止,獲得疇反轉(zhuǎn)的方法主要有電場(chǎng)極化和離子交換。但是由于KTP晶體存在高電導(dǎo)率,電場(chǎng)極化產(chǎn)生疇反轉(zhuǎn)不易實(shí)現(xiàn)。離子交換作為一種替代方法,被一些科學(xué)家用作產(chǎn)生疇反轉(zhuǎn),但是離子交換會(huì)引起疇反轉(zhuǎn)深度和波導(dǎo)深度不匹配。因此在實(shí)驗(yàn)中利用周期性Cr掩膜沉積在KTP晶體上,Cr存在的地方會(huì)阻擋Rb+/Ba2+-K+的交換,沒(méi)有被Cr覆蓋的地方會(huì)發(fā)