離子注入鈮酸鋰波導(dǎo)的退火研究.pdf

1、光波導(dǎo)是一種折射率高的區(qū)域被折射率低的區(qū)域包裹的結(jié)構(gòu)，可以把光限制在狹小區(qū)域內(nèi)傳播以提高光密度，從而使非線性晶體可以有更好的應(yīng)用或者降低激光材料的泵浦閾值。光波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本單元，也是全光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕A(chǔ)，同時(shí)在各種光器件的制造中起著重要的作用。由于其重要的應(yīng)用價(jià)值，人們不斷的探索有效的方法來制備性能優(yōu)良的光波導(dǎo)。離子注入作為一種有效制備光波導(dǎo)的技術(shù)，引起了人們廣泛的關(guān)注，迄今為止，人們已經(jīng)利用這種技術(shù)在包括光學(xué)晶體、玻璃、半導(dǎo)體以及

2、有機(jī)聚合物在內(nèi)的大量光學(xué)材料中形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，取得了許多進(jìn)展。 迄今為止，國際上已采用多種離子注入到光學(xué)材料形成了光波導(dǎo)。按照注入離子種類可分為輕離子(如H，He)注入和重離子(比H，He重的離子)注入兩種：能量為幾兆電子伏特(MeV)的輕離子注入主要是利用在注入離子的射程末端形成一個(gè)折射率降低的光學(xué)位壘，在光學(xué)位壘和空氣之間的區(qū)域形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(高劑量輕離子模式)，然而輕離子注入的一個(gè)突出缺點(diǎn)是形成波導(dǎo)的注入劑量較高，一般在～

3、1016 ions/ore2，從而大大的增加了成本，而且，有些晶體在相當(dāng)高的劑量下仍難形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；在用低劑量(1014 ions/cm2)重離子(如Cu，Si等)注入鈮酸鋰等晶體制備波導(dǎo)時(shí)發(fā)現(xiàn)不僅在射程末端有折射率降低，在晶體的某些區(qū)域還存在折射率增加的現(xiàn)象，并由此構(gòu)成了折射率增加型的波導(dǎo)(低劑量重離子模式)。這種形成波導(dǎo)的方法與高劑量輕離子注入相比有時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。而且這種方法形成的波導(dǎo)沒有位壘型波導(dǎo)的隧道效應(yīng)，可極大降低波導(dǎo)

4、的損耗，提高波導(dǎo)性能。因此研究重離子注入光學(xué)材料波導(dǎo)區(qū)折射率增加現(xiàn)象不僅有重要的理論意義，而且具有潛在的應(yīng)用前景。 鈮酸鋰(LiNbO3)的空間群為R3c，屬三方晶系，負(fù)單軸晶，點(diǎn)群為3m,透光范圍為370nm～5200nm。它具有較高的雙折射性。鈮酸鋰晶體是一種集電光、聲光、光彈、非線性、光折變和激光活性等效應(yīng)于一體的性質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)晶體，是至今為止人們所發(fā)現(xiàn)的光學(xué)性能最多和綜合指標(biāo)最好的晶體之一。在表面濾波器、光通信調(diào)制器、電

5、光開關(guān)、聲光器件、傳感器和高密度信息存儲(chǔ)等方面有著廣泛的應(yīng)用，鈮酸鋰晶體已經(jīng)成為重要的光波導(dǎo)材料，是應(yīng)用于光電子領(lǐng)域最基本和最重要的功能材料。摻鎂鈮酸鋰的結(jié)構(gòu)同鈮酸鋰，但抗光損傷閾值比鈮酸鋰高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，拓展了鈮酸鋰在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。 重離子注入鈮酸鋰形成折射率增加型的光波導(dǎo)已經(jīng)成功地用多種離子在MeV能量下實(shí)現(xiàn)。低劑量重離子注入來形成光波導(dǎo)可以降低成本，更有利于離子注入光波導(dǎo)的商業(yè)化。本文主要研究利用重離子注入方法在

6、鈮酸鋰(LiNbO3)和摻鎂鈮酸鋰晶體光學(xué)材料上形成光波導(dǎo)，通過對光波導(dǎo)的導(dǎo)波模式和退火行為的研究，優(yōu)化離子注入光波導(dǎo)的形成條件。主要結(jié)果如下： 利用能量為3.0MeV的銅離子和碳離子分別注入鈮酸鋰、摻鎂鈮酸鋰晶體中形成平面光波導(dǎo)，研究了不同的退火條件對波導(dǎo)區(qū)暗模有效折射率的影響。利用端面耦合方法研究其近場光強(qiáng)傳播特性，利用光纖掃描方法研究波導(dǎo)的傳輸損耗情況。我們還利用SRIM2006程序模擬注入過程，研究離子注入所導(dǎo)致的晶體的

7、損傷情況。 分別用3.0MeV的氦離子、硅離子共同注入鈮酸鋰晶體，首次將兩種注入模式相結(jié)合在鈮酸鋰晶體上形成了雙層平面光波導(dǎo)。我們分別在波長633nm和1539nm下測量其暗模特性，通過對波導(dǎo)暗模分布的分析，首次利用RCM方法擬合了波導(dǎo)區(qū)的折射率分布，并對波導(dǎo)中的折射率分布進(jìn)行了分析。我們還利用端面耦合的方法研究了波導(dǎo)的光強(qiáng)傳播特性，并分別采用熱退火和激光退火的方法處理所形成的光波導(dǎo)，系統(tǒng)的研究了兩種離子共同注入鈮酸鋰所形成的雙