離子注入光電晶體平面光波導的制備和特性研究.pdf

1、光波導即為折射率高的區(qū)域被折射率低的區(qū)域包裹而成的結構，它可以把光限制在較小的區(qū)域內傳播以提高光密度，從而更好的利用非線性晶體的非線性性質或者降低激光材料的泵浦閾值。光波導是集成光學的基本單元，同時也是全光網(wǎng)絡傳輸?shù)幕A，以其獨特的性能、高集成化以及規(guī)模生產的低成本，在各種光器件的制造中和現(xiàn)代光通信領域中起著極其重要的作用。近年來關于波導激光的研究也成為一個熱點，而它的必經之路就是在激光晶體上形成波導結構。因此，研究人員一直在探索有效的

2、方法來制備性能優(yōu)良的光波導?，F(xiàn)在常用的制備波導的方法主要有擴散、交換、薄膜沉積和離子注入等，其中離子注入技術作為一種成熟的材料表面改性技術，引起了人們廣泛的關注。迄今為止，人們已經利用離子注入技術在包括光學晶體、玻璃、半導體以及有機聚合物在內的大量光學材料中形成了光波導結構，取得了許多重要的進展，因此離子注入技術已經成為制備光波導的有效手段。 對于離子注入光學晶體形成的光波導（特別是具有明顯雙折射性質的晶體），由于注入離子原子質

3、量的差異，輕離子注入與重離子注入形成波導有著顯著的不同。輕離子注入光學晶體后，在射程的末端會因為注入離子的沉積而形成一個折射率降低的區(qū)域而形成位壘型的光波導。這種波導主要依靠光學位壘和空氣構成光波導結構。然而輕離子注入的一個主要問題是形成波導的注入劑量較高，一般在～1016ions/c㎡，從而大大的增加了成本。重離子注入則與輕離子注入不同，重離子注入晶體材料在其離子射程內對晶格造成擾動，導致晶體雙折射性質的降低，使得注入?yún)^(qū)較低的折射率增

4、高，因此其波導主要依賴于材料表面形成的折射率增加層，且形成的波導具有方向性。另外，這種方法具有注入時間短、劑量低（～1014ions/c㎡）、成本低等優(yōu)點。 keV離子注入是一種已經在半導體摻雜中廣泛應用了的技術，它與MeV離子注入相比有著注入束流大、價格便宜等優(yōu)點，而且其形成的波導結構與MeV離子注入相比，有著較小的尺寸。用keV的離子注入來形成光波導可以降低成本，更有利于離子注入光波導的大規(guī)模工業(yè)化生產。 本文主要研

5、究利用離子注入方法分別在釹摻雜的鈣鈮鎵石榴石晶體（Nd：Ca3Nb1．5Ga3．5O12，Nd：CNGG）、近化學計量比鈮酸鋰（StoichiometricLiNbO3，SLN）、鈦酸鉍（Bi12TiO20，BTO）等晶體材料上形成光波導，對光波導的導波模式和退火行為進行了研究，利用端面耦合法測試了光波導的近場光強分布，優(yōu)化離子注入光波導的形成條件；采用穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀對部分樣品進行了光致發(fā)光譜（PL）的測量；利用紫外-可見-近紅外分光光

6、度計測試了部分樣品的透過譜與吸收譜；用SRIM2006程序模擬注入過程，研究離子注入所導致的晶體的損傷情況，對離子注入波導的形成機理進行了探討。主要結果如下： 釹摻雜的鈣鈮鎵石榴石（Nd：Ca3Nb1．5Ga3．5O12，Nd：CNGG）晶體與同屬一個晶系的Nd：YAG相比，吸收譜線有大的加寬，而熒光譜線出現(xiàn)非均勻加寬，使得Nd：CNGG激光器表現(xiàn)出非均勻加寬特性。該晶體在800nm激光二極管發(fā)射波長區(qū)有寬吸收帶，因此很適合激光

7、二極管泵浦，可做成全固態(tài)激光二極管泵浦的激光器。用能量為500keV、劑量為2×1016ions/c㎡的He+離子注入到Nd：CNGG晶體形成了平面光波導。用RCM擬合了波導區(qū)的折射率分布，與SRIM擬合的核能量損傷分布形狀吻合的比較好，說明核能量損失是形成波導區(qū)折射率位壘的主要原因。用FS920穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀對未注入的Nd：CNGG與注入He+離子后的Nd：CNGG樣品進行了光致發(fā)光譜（PL）的測量。另外，用同樣的方法分別對注O+、H

8、+的Nd：CNGG樣品進行了研究。 鈮酸鋰晶體是一種重要的多功能光學晶體。它具有優(yōu)良的非線性光學性質以及電光性質，現(xiàn)已成為重要的集成光電子學材料。通常所指鈮酸鋰晶體如非特殊說明都是同成分鈮酸鋰（CLN），其Li/Nb比約為48．4/51．6，由于Li離子的缺乏導致空位缺陷影響其光學性質。近化學計量比鈮酸鋰（SLN）提高了Li/Nb比，使其接近于1：1，與CLN相比提高了鈮酸鋰晶體的性能參數(shù)。用4．5MeV的O離子，劑量6×101

9、4ions/c㎡，注入z切SLN晶體，形成了平面光波導結構，測量了波導的偏振特性，利用端面耦合的方法測量了平面光波導的近場光強分布，利用SRIM模擬得到的數(shù)值對波導的成因進行了分析與探討。 BMO（M可以為Si、Ge、Ti）晶體屬于軟鉍礦結構，是性能優(yōu)良的光折變晶體。鈦酸鉍Bi12TiO20（BTO）晶體和它的同型晶體硅酸鉍Bi12SiO20（BSO）、鍺酸鉍Bi12GeO20（BGO）是一類很有前途的光折變材料。他們有許多相似

10、之處，都具有立方I23點群對稱性，都是順電相晶體，都是光學各向同性的，都具有壓電性和聲光效應，其電光效應系數(shù)大，光學性能優(yōu)越，在實時動態(tài)全息記錄中，它們的靈敏度高，響應速度快，都是很好的全息記錄材料。但和他們相比，BTO在許多性能上更優(yōu)越，比如：旋光度小，電光系數(shù)大，紅光區(qū)的靈敏度高，因此BTO晶體是一種很有潛力的光折變全息記錄材料。用能量為4．5MeV、劑量為6×1014ions/c㎡的氧離子注入BTO晶體形成了平面光波導，用棱鏡耦合