載能離子束輻照碳化硅及無序晶體的導(dǎo)波光學(xué)性質(zhì).pdf

1、集成光學(xué)是在20世紀(jì)的微電子學(xué)，以及后來的光電子學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它采用集成的方法，來研究和發(fā)展光電子以及復(fù)合光電子學(xué)器件。眾所周知，傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)不僅體積龐大、穩(wěn)定性差，同時還具有光束的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)困難等特點，無法適應(yīng)現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展，在1969年，貝爾實驗室的S.E.Miller博士提出了集成光學(xué)的概念，這一概念發(fā)展了光學(xué)以及微電子學(xué)的原有技術(shù)上的優(yōu)勢，它將之前傳統(tǒng)的由分立元器件組成的光電子學(xué)系統(tǒng)改良為集成光學(xué)系統(tǒng)，主要

2、研究將激光器、調(diào)制器等有源器件集成在同一襯底材料上，并用光波導(dǎo)、耦合器等器件將其連接起來組成微型光學(xué)系統(tǒng)，這樣可以有效得到光學(xué)系統(tǒng)的小型化、集成化和薄膜化。其中光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是集成光學(xué)的基礎(chǔ)部分，它是由折射率較低的區(qū)域包裹折射率較高區(qū)域組成的，依賴于光束的全反射原理來限制光波的傳輸，利用已報道的多種不同的波導(dǎo)制備方法，可以制作出具有不同結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)，如平面光波導(dǎo)、通道光波導(dǎo)等。
　　對實際應(yīng)用來說，制備結(jié)構(gòu)完美且靈活的光波導(dǎo)是十分必要

3、的，晶體材料的種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備晶體波導(dǎo)的方法也各有特點。到目前為止，人們已經(jīng)利用多種技術(shù)在晶體材料上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，載能離子束輻照技術(shù)在光學(xué)材料上制備平面光波導(dǎo)。載能離子束輻照技術(shù)是一種“物理”的光波導(dǎo)制備方法，不依賴于材料本身的化學(xué)屬性。它利用一定能量的帶電離子注入到晶體材料的表面，離子在進(jìn)入材料以后與靶材料原子核或電子之間發(fā)生相互碰撞而失去能量，引起靶材料晶格結(jié)構(gòu)損傷，并進(jìn)一步使其折射率發(fā)生改變，從而形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通常的輕

4、離子注入，一般采用H或He離子，而快重離子輻照技術(shù)是采用所謂的重離子，（比如C、N、O離子等），能量大于1MeV/amu。該方法最顯著的優(yōu)點是材料適用性較為廣泛，再結(jié)合激光刻蝕技術(shù)或精密金剛石刀切割技術(shù)，可以較好的制備二維通道光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　本論文是利用載能離子束輻照技術(shù)在4H-SiC晶體與無序晶體上制備平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而后采用飛秒激光刻蝕或精密金剛石刀切割技術(shù)進(jìn)一步微加工成二維脊型光波導(dǎo)，研究波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波特性，其中包括波導(dǎo)的

5、折射率分布、傳輸模式、傳輸損耗、微拉曼光譜與微熒光等性質(zhì)，根據(jù)制備材料的不同將本論文研究工作及結(jié)果歸納如下:
　　利用快重離子輻照技術(shù)在4H-SiC晶體上制備平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，接下來采用飛秒激光刻蝕在平面波導(dǎo)上刻蝕出四條不同參數(shù)下的脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在632.8nm下能較好的限制光波的傳輸，且光波導(dǎo)最大的透射波長在900nm左右，同時利用單次掃描技術(shù)獲得的脊型光波導(dǎo)擁有最低的傳輸損耗值，為5.1dB/c

6、m。通過實驗獲得的拉曼光譜圖表明，相比于襯底區(qū)，波導(dǎo)區(qū)晶體材料的拉曼峰發(fā)生了一定的紅移。
　　利用快重離子輻照技術(shù)結(jié)合精密金剛石刀切割技術(shù)在Nd∶CNGG晶體上制備脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在632.8nm下的傳輸損耗值低至3.8dB/cm，其微拉曼光譜圖和熒光圖均顯示碳離子輻照沒有引起波導(dǎo)區(qū)晶格結(jié)構(gòu)的改變，同時研究波導(dǎo)的熱穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)的晶格結(jié)構(gòu)在260℃以下溫度都是相對穩(wěn)定的。
　　利用離子注入技

7、術(shù)在Nd∶BaLaGa3O7和Nd∶SrLaGa3O7晶體上制備平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，接下來采用精密金剛石刀切割在平面波導(dǎo)上刻蝕出脊型光波導(dǎo)。通過實驗發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在可見光與近紅外波段均能較好的限制光波傳輸，并且在1550nm下可以實現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的單模傳輸。在632.8nm下，Nd∶BaLaGa3O7和Nd∶SrLaGa3O7兩種晶體的傳輸損耗最低值分別為1.6dB/cm和2.5dB/cm。波導(dǎo)區(qū)的拉曼光譜圖顯示，碳離子注入不會改變無序晶體的晶格