離子注入光波導(dǎo)的數(shù)值分析研究.pdf

1、離子注入作為一種制備光波導(dǎo)的有效技術(shù)，具有在任意溫度下對(duì)離子注入的劑量和深度可以精確控制，從而改變材料表面性質(zhì)的優(yōu)越性，引起了人們的廣泛關(guān)注。迄今為止，利用該技術(shù)在光學(xué)晶體、玻璃、半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物等光學(xué)材料上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方面取得了重要進(jìn)展。 由于折射率分布對(duì)于確定離子注入型光波導(dǎo)的性質(zhì)有著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)其折射率分布的確定顯得尤其重要。為此人們提出了多種確定折射率分布的方法，如反射率計(jì)算方法(reflectivity

2、calculation method，RCM)，參數(shù)折射率重構(gòu)方法(parameterized index profile reconstruction，PIPR)和反向Wentzel-Kramer-Brillouin方法(iWKB)。其中RCM方法假設(shè)一個(gè)由高斯函數(shù)結(jié)合線性函數(shù)的折射率分布模型，按該折射率分布模型對(duì)光波導(dǎo)進(jìn)行分層，調(diào)整函數(shù)參數(shù)，計(jì)算光在層與層之間界面上發(fā)生的反射和折射，使計(jì)算出的模式值和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的導(dǎo)模的模式值(通常使用

3、棱鏡耦合方法測(cè)量)誤差最小，就認(rèn)為該折射率分布為實(shí)際存在的折射率分布。PIPR方法與其類(lèi)似，也是將折射率分布用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述，調(diào)整函數(shù)參數(shù)使計(jì)算出的模式值和實(shí)驗(yàn)得到的模式值偏差最小，該折射率分布就認(rèn)為是波導(dǎo)中實(shí)際的折射率分布。iWKB方法則是從量子力學(xué)原理出發(fā)，通過(guò)漸變型曲線的參數(shù)調(diào)整使計(jì)算出的模式值和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的導(dǎo)模的模式有效折射率誤差最小，就認(rèn)為此曲線所代表的折射率分布就是波導(dǎo)的實(shí)際折射率分布。其中iWKB方法由于其使用漸

4、變函數(shù)描述折射率分布，決定了該方法適用于分析內(nèi)(外)擴(kuò)散形成的波導(dǎo)，擴(kuò)散形成的波導(dǎo)其折射率分布隨著深度的變化是逐步改變的，但對(duì)于外延生長(zhǎng)、離子注入形成的波導(dǎo)，由于其折射率分布改變比較劇烈，特別是位壘的出現(xiàn)，使用iWKB方法將會(huì)帶來(lái)較大誤差。RCM和PIPR對(duì)于改變比較劇烈的折射率分布比較合適，一般將其用來(lái)分析離子注入型波導(dǎo)的折射率分布。以上三種方法的共同特點(diǎn)就是假設(shè)折射率分布，通過(guò)計(jì)算出的模式有效折射率和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)行比較，確定實(shí)際的折

5、射率分布曲線。為了達(dá)到較小的誤差，一般要求在光波導(dǎo)上測(cè)量到的模式階數(shù)不小于三。 既然常規(guī)的確定折射率分布的方法要求模式階數(shù)不小于三，探索出一種在導(dǎo)模階數(shù)低于二，甚至在單模情況下仍然能夠確定光波導(dǎo)折射牢分布的方法具有重要意義。本文中將嘗試使用數(shù)值分析方法來(lái)解決該問(wèn)題。光束傳播法(Beam Propagation Method，BPM)由于其概念清晰、基礎(chǔ)技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)和掌握，能夠仿真計(jì)算復(fù)雜幾何形狀的光學(xué)器件性質(zhì)而在光電子器件計(jì)算機(jī)

6、輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)方面得到廣泛應(yīng)用，基于此技術(shù)的眾多商業(yè)仿真軟件得到開(kāi)發(fā)和推廣，嘗試將該數(shù)值分析計(jì)算技術(shù)引入到離子注入型光波導(dǎo)的折射率分布和其它離子注入型光波導(dǎo)所特有的物理現(xiàn)象的研究具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。 雖然利用光束傳播法可以仿真計(jì)算光線在離子注入型光波導(dǎo)中的傳播過(guò)程，但為了確定出單模光波導(dǎo)的折射率分布，需要對(duì)仿真計(jì)算出的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相似度比較，這就涉及到數(shù)字圖像處理的

7、相關(guān)內(nèi)容。本文使用歐幾里德(Euclid)距離來(lái)衡量?jī)煞叶葓D的相似程度，實(shí)踐中采用的是其數(shù)學(xué)變形表達(dá)式：Sim(m,s)=1/pn∑i=0(1-│mi-si│/Max(mi,si)*100％其中：Sim(m，s)為相似程度，N為灰度級(jí)別，對(duì)于灰度圖，其值為255，mi和Si分別為實(shí)驗(yàn)測(cè)量和仿真計(jì)算得到的灰度圖中第i階灰度直方圖值，P為仿真計(jì)算中所選顏色空間的樣點(diǎn)數(shù)。 本文數(shù)值分析的理論基礎(chǔ)為BPM和數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過(guò)它們仿

8、真計(jì)算出離子注入型單(雙)模條形(平面)光波導(dǎo)的折射率分布，同時(shí)嘗試使用數(shù)值分析技術(shù)設(shè)計(jì)條形波導(dǎo)的離子注入?yún)?shù)，研究離子注入型光波導(dǎo)所特有的物理現(xiàn)象，并分析其物理機(jī)理。主要結(jié)果如下： 在MeV能級(jí)通過(guò)重離子注入鈮酸鋰已經(jīng)成功制備出了折射率增加型的條形和平面光波導(dǎo)，而且其模式為單模(1539nm)或雙模(633nm)，長(zhǎng)期以來(lái)一直找不到一個(gè)在不破壞樣品的情況下確定出波導(dǎo)折射率分布的方法。本文提出了光強(qiáng)計(jì)算方法(Intensity

9、Calculation Method,ICM)確定單模條形和平面波導(dǎo)的折射率分布，該方法使用光束傳播法仿真光線在波導(dǎo)中的傳輸過(guò)程，將仿真計(jì)算出的光強(qiáng)圖和實(shí)驗(yàn)獲得的光強(qiáng)圖進(jìn)行數(shù)字圖像分析比較，精確確定出單模平面(條形)波導(dǎo)的折射率分布。該方法可以推廣到分析其它離子注入型單模波導(dǎo)的折射率分布，這對(duì)于分析離子注入型光波導(dǎo)的物理性質(zhì)及對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)具有重要意義。在633nm下，對(duì)多能量氧離子注入鈮酸鋰進(jìn)行棱鏡耦合測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其為雙模波導(dǎo)，同時(shí)使

10、用端面耦合發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)圖中兩模式耦合在一起，無(wú)法區(qū)分開(kāi)，這樣無(wú)法再使用確定單模情況下鈮酸鋰波導(dǎo)中折射率分布的ICM方法，需要提出新的方法來(lái)確定該類(lèi)光波導(dǎo)的折射率分布。在本論文中，提出了一種基于折射率分布理論模型的數(shù)值計(jì)算方法來(lái)確定雙模光波導(dǎo)的折射率分布。通過(guò)該折射率分布模型，調(diào)整模型參數(shù)，對(duì)不同參數(shù)下折射率分布所對(duì)應(yīng)模式的有效折射率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算出的模式有效折射率和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的模式有效折射率的方差最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的折射率分布模型即認(rèn)為是光波導(dǎo)

11、中實(shí)際的折射率分布。 一般情況下離子注入型光波導(dǎo)的損傷分布情況可以通過(guò)SRIM(The Stoppingand Range of Ions in Matter)軟件能夠仿真計(jì)算出來(lái)，并且通過(guò)ICM方法能夠確定條形波導(dǎo)在離子注入方向的折射率分布，在折射率分布已知的情況下，利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不同寬度下的條形波導(dǎo)在寬度方向上的模式分布情況進(jìn)行仿真計(jì)算，最后對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值和實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合較好，這

12、為將來(lái)設(shè)計(jì)光波導(dǎo)的注入條件進(jìn)行了有益的嘗試。 在離子注入形成的光波導(dǎo)中觀察到一些比較特別的物理現(xiàn)象，比如奇異模(Strange Mode)和雙位壘(Double Barrier)，對(duì)于這些現(xiàn)象，科研工作者相繼提出了一些模型進(jìn)行解釋。對(duì)于奇異?，F(xiàn)象，科研人員提出的模型認(rèn)為是由晶體損傷區(qū)的主光位壘(the main nuclear damage optical barrier)旁存在一個(gè)小的光勢(shì)阱(thesubsidiary opt

13、ical well)造成的。本論文中嘗試從損傷分布曲線出發(fā)，建立理論模型，使用數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證該模型是否能有奇異模的存在。對(duì)離子注入鈮酸鋰晶體，注入離子的種類(lèi)、能量和劑量不同會(huì)在注入后的晶體內(nèi)部出現(xiàn)雙位壘現(xiàn)象，在使用傳統(tǒng)方法RCM計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值計(jì)算方法BPM計(jì)算在該雙位壘型光波導(dǎo)中存在的模式有效折射率，將其和棱鏡耦合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)行比較，方差較小時(shí)所對(duì)應(yīng)的折射率分布曲線即認(rèn)為是雙位壘現(xiàn)象下離子注入晶體形成的光波導(dǎo)的折射率分布曲