離子注入釩酸釔光波導(dǎo)及其平板光子晶體結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、導(dǎo)波光學(xué)理論主要研究光波在介質(zhì)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播，包括光波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)、制備和光波導(dǎo)器件之間的連接、耦合等相關(guān)知識(shí)。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是導(dǎo)波光學(xué)的主要研究對(duì)象之一，很多無(wú)源器件，比如光耦合器、光調(diào)制器、光電探測(cè)器等的工作原理都是建立在光波導(dǎo)的基礎(chǔ)之上的。光波導(dǎo)是折射率高的區(qū)域被折射率低的區(qū)域包裹的結(jié)構(gòu)。光波導(dǎo)的制備方法很多，比如薄膜沉積、離子交換、離子擴(kuò)散、離子注入、飛秒激光直寫(xiě)等，我們制備光波導(dǎo)采用的是離子注入的方法。離子注入方法制備的光波導(dǎo)

2、大致分為兩種類(lèi)型:一種是輕離子注入，以H和He離子為代表;另外一種是重離子注入，主要是O離子、Si離子、Cu離子等為代表。一般認(rèn)為，這兩種類(lèi)型的離子注入晶體材料形成的光波導(dǎo)的機(jī)理不同。普遍認(rèn)為，輕離子注入晶體材料以后會(huì)在離子射程末端形成一個(gè)折射率降低的損傷層(位壘區(qū))，而晶體表面的折射率幾乎不發(fā)生明顯的變化，這樣在損傷層和空氣之間就可以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu);重離子注入過(guò)程中不但會(huì)在離子射程末端形成一個(gè)折射率降低的損傷層，而且由于電子能量的沉積作

3、用，在晶體表面也會(huì)形成折射率增加的區(qū)域，這樣在損傷區(qū)和空氣之間也可以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且重離子注入形成的折射率增加型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光波的約束能力比輕離子注入形成的“位壘型”波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光波的約束能力更強(qiáng)。
　　 光子晶體(PhotonicCrystals)是介電常數(shù)(折射率)呈現(xiàn)周期性排列的結(jié)構(gòu)。晶體材料中，電子在周期性電勢(shì)場(chǎng)的作用下具有電子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶和電子帶隙。周期性的介電常數(shù)場(chǎng)對(duì)光波的作用與周期性的電勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用類(lèi)似，光子

4、晶體的概念也是類(lèi)比電子晶體的概念提出的。在光子晶體中，當(dāng)兩種介質(zhì)的排列周期和折射率的差值滿足一定條件的時(shí)候，可以出現(xiàn)“光子帶隙”(PhotonicBandGap，也稱(chēng)為光子禁帶)。頻率位于光子晶體帶隙的光波在該光子晶體結(jié)構(gòu)中不能傳播，如果所有偏振態(tài)的光在各個(gè)方向上都不能傳播，此時(shí)的帶隙稱(chēng)為“完全帶隙”(FullPhotonicBandGap);如果只是某種偏振態(tài)的光不能在某個(gè)方向上傳播，此時(shí)的帶隙稱(chēng)為“模式帶隙”。頻率處于光子晶體帶隙的

5、光波不能在其中傳播，頻率處于帶隙以外的光波可以在其中傳播。如果我們?nèi)藶榈脑谕昝拦庾泳w結(jié)構(gòu)中引入某種缺陷，就可能在原來(lái)帶隙的位置上引入一個(gè)缺陷態(tài)，頻率處于缺陷態(tài)的光就可以在這種具有缺陷的光子晶體中傳播。利用光子晶體的這個(gè)性質(zhì)，我們可以改變光子晶體結(jié)構(gòu)的尺寸、缺陷的尺寸和缺陷的形狀等物理參數(shù)來(lái)控制某個(gè)頻率段的光在光子晶體中的傳播。光子晶體可以制備出單色性和方向性好的單模發(fā)光二極管、低損耗的光子晶體光纖、光子晶體波導(dǎo)、發(fā)光效率高且零閾值的光

6、子晶體激光器、光子晶體濾波器、光子晶體分束器、適用于短波波段的光子晶體反射鏡、分辨率很高的光子晶體超棱鏡、高效率的光子晶體微波天線等，除此之外，光子晶體還可以改善太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率等。
　　 制備光子晶體的方法很多，比如微機(jī)械鉆孔法、介質(zhì)棒堆積法、電子束曝光法、電化學(xué)刻蝕法、自組裝方法、激光全息技術(shù)、晶片熔融法等。雖然這些方法在光子晶體的制備中取得了可喜的成果，但是這些方法制備三維光子晶體的時(shí)候存在制備效率低和精確定位難等

7、問(wèn)題。這些問(wèn)題的存在大大限制了三維光子晶體器件的應(yīng)用。與三維光子晶體結(jié)構(gòu)相比，二維的平板光子晶體結(jié)構(gòu)也可以在三維空間內(nèi)對(duì)光波進(jìn)行約束和限制，而且大大減小了制備的難度。二維的平板光子晶體結(jié)構(gòu)把光子晶體中帶隙的約束和光波導(dǎo)中折射率差的約束結(jié)合起來(lái)，在波導(dǎo)平面內(nèi)靠帶隙對(duì)光進(jìn)行約束，在與波導(dǎo)平面垂直的方向上靠折射率差形成的全反射原理對(duì)光進(jìn)行約束。
　　 釩酸釔晶體(YVO4)是一種優(yōu)良的人工晶體。該晶體的透過(guò)波段寬(0.4～5μm)，熱

8、穩(wěn)定性高(熔點(diǎn)～1810℃)，機(jī)械加工性能好，雙折射性大(在633nm波長(zhǎng)下ne-no=0.222)，可以制備成光纖隔離器、環(huán)形器、置換器、偏振光分束器等。重要的是，YVO4摻雜稀土離子以后可以做為激光器的增益介質(zhì)。例如摻Nd3+以后的Nd:YVO4激光晶體具有泵浦閾值低，吸收和發(fā)射截面大，吸收譜線寬，吸收系數(shù)對(duì)溫度的變化不靈敏等優(yōu)點(diǎn)。
　　 以前有利用離子注入的方法在YVO4和Nd:YVO4上制備多模光波導(dǎo)的報(bào)道，但是多模光波

9、導(dǎo)存在模式色散，而且多模光波導(dǎo)的損耗比單模光波導(dǎo)的損耗大。為了避免多模光波導(dǎo)的缺點(diǎn)，我們利用He離子注入和氧離子注入的方法在釩酸釔(YVO4)和摻釹的釩酸釔(Nd:YVO4)晶體上制備了單模平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用Ar離子束刻蝕技術(shù)制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后利用聚焦離子束技術(shù)(FIB)在YVO4光波導(dǎo)的基礎(chǔ)上制備了Cubic和Hexagon單元的光子晶體結(jié)構(gòu)，從而得到準(zhǔn)三維的YVO4平板光子晶體結(jié)構(gòu)，并研究了束流條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光子晶體的影

10、響。我們還嘗試?yán)肧martCut方法把YVO4晶體和低折射率的SiO2襯底結(jié)合在一起，從而得到折射率差較大的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。我們還利用平面波展開(kāi)法(PWE)和時(shí)域有限差分法(FDTD)模擬了“YVO4onSiO2”結(jié)構(gòu)的平板光子晶體的能帶圖和透射譜，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)帶隙的影響。本文的主要內(nèi)容如下:
　　 1.He離子注入YVO4制備單模光波導(dǎo)
　　 利用能量為400keY、500keV，劑量為3×1016ions/cm

11、2的He離子分別在室溫條件下和液氮條件下(77K)，注入z切的YVO4晶體，制備了633nm波長(zhǎng)下的單模平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然后利用光刻和Ar離子束刻蝕相結(jié)合的方法在YVO4晶體上制備了脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。使用光強(qiáng)計(jì)算法(ICM)模擬了光波導(dǎo)在退火前后的折射率分布。運(yùn)用盧瑟福背散射和溝道(RBS/C)技術(shù)研究了He離子注入YVO4產(chǎn)生的損傷情況，研究了熱退火處理對(duì)YVO4光波導(dǎo)中導(dǎo)模特性的影響。
　　 2.多能量輕離子(He離子和質(zhì)子)

12、注入Nd:YVO4制備平面波導(dǎo)
　　 為了加寬位壘，我們利用450keY、500keV、550keY三個(gè)能量的He離子同時(shí)注入z切Nd:YVO4晶體，制備了單模平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，測(cè)試了平面波導(dǎo)的暗模特性和近場(chǎng)光學(xué)分布。比較了Nd:YVO4晶體注入前后的透射譜、RBS/C譜、共聚焦拉曼(Raman)譜。我們還利用480keV、490keV、500keV三個(gè)能量的質(zhì)子同時(shí)注入的方法，分別在x切和z切Nd:YVO4晶體上制備了平面光波導(dǎo)

13、結(jié)構(gòu)。測(cè)試了不同切向的Nd:YVO4晶體注入前后的RBS/C譜和共聚焦Raman譜。我們發(fā)現(xiàn)，Nd:YVO4晶體的溝道產(chǎn)額與其切向有關(guān)，z切Nd:YVO4晶體的溝道產(chǎn)額明顯比x切Nd:YVO4晶體的溝道產(chǎn)額低。我們?cè)贖e離子和質(zhì)子注入的Nd:YVO4的波導(dǎo)區(qū)都發(fā)現(xiàn)了新的Raman峰，說(shuō)明離子注入使得Nd:YVO4晶體的晶向發(fā)生了微小的變化，離子注入引起了晶體的部分非晶化。
　　 3.氧離子注入YVO4(Nd:YVO4)制備單模平

14、面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
　　 我們利用能量為1MeV，劑量分別為0.5×1015ions/cm2、1.0×1015ions/cm2、1.5×1015ions/cm2的氧離子分別注入x切和z切的YVO4晶體制備了633nm波長(zhǎng)下的單模平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。研究了注入劑量對(duì)導(dǎo)模有效折射率的影響。為了研究注入能量的影響，我們利用劑量為1.5×1015ions/cm2，能量分別為2MeV和3MeV的氧離子注入x切的Nd:YVO4晶體，得到了1539nm

15、波長(zhǎng)下的單模平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究了注入能量對(duì)波導(dǎo)暗模特性的影響。我們還比較了不同能量的氧離子注入Nd:YVO4的透射譜，我們發(fā)現(xiàn)氧離子注入以后Nd:YVO4的吸收帶邊發(fā)生了紅移，注入能量越高，紅移越明顯，且注入能量越高，透過(guò)率越低，這是因?yàn)樽⑷肽芰吭礁?，注入越深，產(chǎn)生的色心越多。
　　 4.在YVO4光波導(dǎo)上制備光子晶體結(jié)構(gòu)
　　 利用聚焦離子束技術(shù)在YVO4光波導(dǎo)的基礎(chǔ)上制備了Cubic單元和Hexagonal單元的光

16、子晶體結(jié)構(gòu)。研究了束流條件、刻蝕深度、反應(yīng)氣體、周期、填充系數(shù)(占空比)對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)的影響。我們發(fā)現(xiàn):由于Hexagon單元比Cubic單元的光子晶體的填充系數(shù)大，所以Hexagon單元的光子晶體結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象;隨著束流的增大，刻蝕速率增加，但是刻蝕精度下降;再沉積作用使得實(shí)際的刻蝕深度總是小于預(yù)設(shè)的刻蝕深度，而且再沉積作用使得大周期光子晶體結(jié)構(gòu)的孔洞底部趨于平坦，對(duì)于周期較小的光子晶體結(jié)構(gòu)，再沉積作用使得預(yù)期的圓柱形孔洞

17、結(jié)構(gòu)變成了圓錐形。
　　 5.嘗試?yán)肧martCut方法制備“YVO4onSiO2”結(jié)構(gòu)。
　　 利用He離子注入YVO4，在離子的射程末端形成一個(gè)損傷層，把注入后的YVO4樣品用壓力的作用固定到SiO2上，利用熱處理過(guò)程中的熱膨脹作用把表層的YVO4晶體Bonding到SiO2上。我們使用金相顯微鏡觀察了SiO2上YVO4的表面形貌，利用原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量了薄膜的厚度，我們還用盧瑟福背散射技術(shù)證實(shí)了SiO2上