離子注入SGG和CBN波導(dǎo)的特性研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類已經(jīng)邁入一個(gè)高度信息化的時(shí)代——信息時(shí)代。在這個(gè)信息量愈加龐大，信息傳遞更加快捷，信息處理更加迅速的時(shí)代，高速集成方式變得尤為重要。因此集成光子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，集成光子學(xué)集中并發(fā)展了光學(xué)和微電子學(xué)的固有技術(shù)優(yōu)勢，將傳統(tǒng)的由分立器件構(gòu)成的光電系統(tǒng)變革為集成光子學(xué)系統(tǒng)，具有寬帶、高速、體積小、重量輕、高可靠、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，使得集成光學(xué)系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于光通信、光信息處理、光傳感技術(shù)、自動控制、電子對抗、光子對

2、抗、光子計(jì)算機(jī)等高技術(shù)領(lǐng)域。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不但可以把各種各樣的光器件連接起來，而且還是具有某種功能的光子器件，因此對光波導(dǎo)的研究是非常有必要的。
　　 離子注入具有可控性好、可以在較大溫度范圍下進(jìn)行、可選擇注入的離子范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，也是廣適的制備波導(dǎo)的重要方法之一。目前，已經(jīng)利用離子注入在多種光學(xué)晶體、半導(dǎo)體、聚合物、陶瓷和光學(xué)玻璃等光學(xué)材料上制備了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　 本論文主要內(nèi)容是利用離子注入結(jié)合光刻技術(shù)在釹摻雜鍶釓鎵氧(

3、Nd∶SGG)和鈉摻雜鈮酸鈣鋇(Na∶CBN)晶體上制備平面和條形光波導(dǎo)，利用棱鏡耦合方法研究了平面光波導(dǎo)的導(dǎo)模特性;利用端面耦合方法探索了導(dǎo)模的近場光強(qiáng)分布和波導(dǎo)損耗，用反射計(jì)算法(ReflectivityCalculationMethod，RCM)和強(qiáng)度計(jì)算法(IntensityCalculationMethod，ICM)擬合平面波導(dǎo)的折射率分布，用光束傳輸方法(BeamPropagationMethod，BPM)重構(gòu)波導(dǎo)中的傳輸模

4、式和條形波導(dǎo)的折射率分布，并測試相應(yīng)結(jié)構(gòu)的光吸收譜、透過譜和光致熒光譜，并對不同退火過程對波導(dǎo)性質(zhì)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 釹摻雜的鍶釓鎵氧晶體是一種很好的熒光材料，我們利用劑量分別為1.0×1016ions/cm2和3.0×1016ions/cm2，能量為500keV的He離子注入形成了折射率增加型的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究表明，波導(dǎo)層中折射率分布是典型的“勢阱+位壘”型，能夠很好的限制光的傳播，并測試了波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布，擬合了

5、波導(dǎo)層中折射率分布和近場光強(qiáng)分布，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測符合較好。實(shí)驗(yàn)得到，高劑量注入時(shí)，波導(dǎo)TM模式的損耗為2.19dB/cm，TE模式的損耗為2.09dB/cm。比較樣品的吸收譜線，注入前后吸收譜變化不大，這說明注入過程幾乎沒有影響到Nd∶SGG晶體光吸收性質(zhì)。低劑量He離子注入時(shí)，可以保存Nd∶SGG晶體的熒光效率;高劑量He離子注入，晶體的發(fā)光強(qiáng)度變大，并且發(fā)生紅移現(xiàn)象。通過比較兩種不同注入劑量所形成的光波導(dǎo)的性質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn)相比

6、低劑量注入，高劑量注入所形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有更好的光約束能力。
　　 鈮酸鈣鋇晶體(CaxBa1-xNb2O6，CBN)是一種具有鎢青銅結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的新型材料。鎢青銅結(jié)構(gòu)的晶體組分變化范圍較大，內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易于摻雜，為其光折變效應(yīng)的摻雜優(yōu)化提供了很多的可能。摻雜Na離子后，CBN晶體的居里點(diǎn)有很大提高，具有更廣的應(yīng)用價(jià)值。我們依次用能量為4MeV，劑量為0.5×1015ions/cm2氧離子和能量為5MeV，劑量為1×1

7、015ions/cm2的O離子注入Na∶CBN樣品形成了平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合光刻技術(shù)制備了條形光波導(dǎo)。測量了平面波導(dǎo)和條形波導(dǎo)的暗模特性和近場光強(qiáng)分布，并重構(gòu)了近場光強(qiáng)分布，實(shí)驗(yàn)值和理論值相符。利用SRIM2008模擬了雙能量注入的損傷分布。結(jié)果表明兩種條件形成的波導(dǎo)都是典型的“勢阱+位壘”型光波導(dǎo)，能很好的限制光的傳輸。在200℃退火30min后，平面波導(dǎo)和條形波導(dǎo)的損傷都分別降為～3.7dB/cm和～3.5dB/cm，優(yōu)化注入和退