基于載能離子束輻照技術(shù)制備的脊形晶體波導(dǎo)的光學(xué)特性研究.pdf

1、集成光學(xué)是一門研究媒質(zhì)薄膜中的光學(xué)現(xiàn)象以及光學(xué)元器件集成化的學(xué)科。集成光學(xué)的概念，是由美國貝爾實驗室的S.E.Mille博士在1969年首次提出并逐漸發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它是現(xiàn)代光電子學(xué)的一個重要分支。集成光學(xué)的主要任務(wù)是將傳統(tǒng)的光學(xué)元器件和系統(tǒng)微型化，并按照一定方式將這些元器件或系統(tǒng)“集成”，從而形成具有多種功能的集成光學(xué)體系。光波導(dǎo)作為集成光學(xué)的基本元件，是由折射率較低的區(qū)域包裹折射率較高的區(qū)域構(gòu)成的，利用光在折射率不同的兩種物

2、質(zhì)界面上的全反射原理，將光波限制在微米量級的微小結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸并且達(dá)到較高的光密度。從幾何結(jié)構(gòu)上區(qū)分，光波導(dǎo)可以分為一維光波導(dǎo)和二維光波導(dǎo)。一維光波導(dǎo)又稱為平面光波導(dǎo)或薄膜光波導(dǎo)，它僅在一個維度上對光的傳輸進(jìn)行限制;二維光波導(dǎo)包括埋層光波導(dǎo)、表面光波導(dǎo)和脊形光波導(dǎo)，它可以在兩個維度上對光的傳輸進(jìn)行限制，能夠達(dá)到更高的光密度，集成度更高。由于脊形光波導(dǎo)器件的尺寸易于與集成光學(xué)中的其它元件相結(jié)合，組成復(fù)雜的“集成光子芯片”，實現(xiàn)更多的功能，具有

3、非常廣闊的應(yīng)用前景，也一直是集成光學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。
　　目前，光波導(dǎo)的主要制備方法包括載能離子束輻照、飛秒激光加工、脈沖激光沉積、分子束外延、離子交換與熱擴(kuò)散和鍵合技術(shù)等。其中，載能離子束輻照作為一種比較成熟的技術(shù)，適用材料非常廣泛，近年來被廣泛應(yīng)用于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備。載能離子束輻照是一種有效的晶體材料表面改性技術(shù)，具有一定能量的帶電離子進(jìn)入襯底材料后，與靶材料原子核和電子發(fā)生相互碰撞而失去能量，引起靶材料的晶格結(jié)構(gòu)損傷，從

4、而改變材料特定區(qū)域的折射率分布，最終在表面形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。載能離子束輻照技術(shù)制備光波導(dǎo)需要的注入離子劑量較小，幾乎沒有摻雜效應(yīng)，可以保留材料的原有組分;而且通過適當(dāng)?shù)臒嵬嘶鹛幚恚梢韵▽?dǎo)中的色心和點缺陷，最大程度的保留材料的原有性能。由于這種技術(shù)在制備過程中不受溫度限制，通過選擇合適的體材料和離子的種類、劑量、能量，并且合理的搭配輻照條件，可以精確控制波導(dǎo)的維度和折射率分布，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高質(zhì)量的光波導(dǎo)器件。迄今為止，應(yīng)用載能離

5、子束輻照技術(shù)已經(jīng)在超過80種絕緣體光學(xué)材料中成功制備了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。另外，通過將載能離子束輻照技術(shù)與飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割等附加工藝相結(jié)合，可以制備脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　本論文利用載能離子束輻照技術(shù)在中紅外晶體、稀土離子摻雜激光晶體以及非線性晶體等多種材料上制備平面光波導(dǎo)，隨后采用飛秒激光燒蝕或精密金剛石刀切割技術(shù)進(jìn)一步加工成脊形光波導(dǎo)。系統(tǒng)研究波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波特性，包括顯微結(jié)構(gòu)、折射率分布、傳輸模式、傳輸損耗、拉曼光譜和熒光

6、光譜等，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)波導(dǎo)激光和波導(dǎo)倍頻，探討光波導(dǎo)器件的實際應(yīng)用價值。根據(jù)制備材料的不同，可以將本論文研究工作及結(jié)果歸納如下:
　　ZnSe晶體作為一種重要的中紅外材料，具有較高的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的機(jī)械性能，是制造紅外透鏡、激光窗口和紅外熱像儀的首選材料。通過Kr8+離子輻照在ZnSe晶體表面制備平面光波導(dǎo)，隨后采用精密金剛石刀切割技術(shù)在ZnSe晶體平面光波導(dǎo)基礎(chǔ)上制備了不同寬度的脊形光波導(dǎo)。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，在中紅外波長（～4μ

7、m）下，光在脊形波導(dǎo)中以多模模式傳輸，最低傳輸損耗為1.1 dB/cm。通過測量沿著輻照離子徑跡的拉曼光譜，表明快重離子輻照并沒有引起波導(dǎo)區(qū)晶格結(jié)構(gòu)的明顯改變。本實驗為ZnSe脊形光波導(dǎo)器件在中紅外光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。
　　LiNbO3晶體是一種重要的多功能晶體材料，具有優(yōu)良的電光、聲光、壓電、鐵電和非線性光學(xué)性質(zhì)。利用O5+離子輻照結(jié)合精密金剛石刀切割在MgO∶LiNbO3晶體上制備脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過端面耦合測量發(fā)

8、現(xiàn)，MgO∶LiNbO3晶體脊形光波導(dǎo)在中紅外波長(～4μm)TM偏振下能夠較好地限制光波的傳輸。經(jīng)過一系列的熱退火處理工藝可以有效地提高脊形光波導(dǎo)的傳輸性能，并且將傳輸損耗降低至1.0 dB/cm。實驗結(jié)果表明，快重離子輻照結(jié)合精密金剛石刀切割技術(shù)制備的MgO∶LiNbO3晶體脊形光波導(dǎo)在中紅外集成光學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
　　Nd∶YAG晶體是迄今為止綜合特性最優(yōu)良的固體激光材料，其具有激光增益高、泵浦閾值低、功率高、10

9、64 nm光吸收小、熱傳導(dǎo)性好等特性。首先利用Kr8+離子輻照在Nd∶YAG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技術(shù)在平面波導(dǎo)上制備出脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。實驗測得平面和脊形波導(dǎo)在632.8 nm波長下的傳輸損耗分別為2.1 dB/cm和3.7 dB/cm。在808 nm激光的泵浦條件下，實現(xiàn)了室溫下1065nm波導(dǎo)連續(xù)激光的輸出。平面波導(dǎo)的最大激光輸出功率為49.3 mW，斜效率為45.6％。脊形波導(dǎo)的最大激光輸出功率為71

10、.5 mW，斜效率為60.8％。結(jié)果表明，脊形波導(dǎo)比平面波導(dǎo)的激光性能更加優(yōu)異，本實驗提供了一種性能優(yōu)良的近紅外波長微型波導(dǎo)激光器的制備方法。
　　Yb∶YAG晶體是一種性能優(yōu)良的固體激光材料，具有摻雜濃度高、量子轉(zhuǎn)換效率高，熒光壽命長、吸收帶寬大等特點。首先利用C5+離子輻照在Yb∶YAG晶體表面制備平面光波導(dǎo)，接下來采用飛秒激光燒蝕在平面光波導(dǎo)上燒蝕出四條不同參數(shù)的脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過端面耦合裝置研究脊形光波導(dǎo)在632.8 n

11、m波長下的導(dǎo)波特性，比較不同制備參數(shù)的脊形波導(dǎo)的傳輸損耗，發(fā)現(xiàn)掃描速度最低、寬度最大的脊形光波導(dǎo)的傳輸損耗最低。通過測量波導(dǎo)的最大受光角估算出波導(dǎo)的最大折射率變化Δn≈+0.004，基于重建的折射率分布，利用FD-BPM對波導(dǎo)的近場模式進(jìn)行模擬，與實驗結(jié)果符合較好。本實驗為優(yōu)化Yb∶YAG脊形光波導(dǎo)的傳輸特性，尋找最佳的波導(dǎo)器件的制備參數(shù)提供了實驗依據(jù)。
　　LGS晶體是一種新型的多功能材料，具有優(yōu)異的電光性能、較大的機(jī)電耦合系數(shù)

12、和壓電常數(shù)，且室溫至熔點(1470℃)無相變。利用C5+離子輻照結(jié)合精密金剛石刀切割在Nd∶LGS晶體上制備脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對樣品進(jìn)行200℃熱退火處理，脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在632.8 nm和1064 nm波長TM偏振下均能夠有效的限制光波的傳輸，測量的最低傳輸損耗分別為1.6 dB/cm和1.2 dB/cm。通過測量波導(dǎo)和襯底的拉曼光譜和熒光光譜，發(fā)現(xiàn)碳離子輻照并未引起波導(dǎo)區(qū)晶格結(jié)構(gòu)的明顯改變，Nd3+離子的熒光特性得到了很好的保留。

13、此實驗結(jié)果表明該波導(dǎo)器件具有優(yōu)良的導(dǎo)波特性，在可見光和近紅外集成光學(xué)領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。
　　KTP晶體是一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)材料，具有大的非線性光學(xué)系數(shù)、高光電轉(zhuǎn)換效率和低介電常數(shù)，良好的機(jī)械性能以及高的熱傳導(dǎo)系數(shù)。采用O5+離子輻照結(jié)合飛秒激光燒蝕技術(shù)在KTP晶體上制備了脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過棱鏡耦合儀測量波導(dǎo)在632.8 nm波長下的暗模特性，并利用RCM重構(gòu)波導(dǎo)的折射率分布。在脈沖1064 nm激光激勵下，在KTP平面

14、和脊形波導(dǎo)中實現(xiàn)了1064→532nm的二次諧波產(chǎn)生，最大轉(zhuǎn)換效率分別為11.5％和25.4％。實驗表明，此種方法制備的KTP脊形波導(dǎo)具有比平面波導(dǎo)更加優(yōu)異的倍頻性能，這為制備高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊的波導(dǎo)倍頻器件提供了實驗方法。
　　YCOB晶體是一種用途非常廣泛的非線性功能材料，其化學(xué)穩(wěn)定性好，不易潮解，激光損傷閾值高，透光波段寬。利用C5+離子輻照結(jié)合精密金剛石刀切割在Yb∶YCOB晶體上制備脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行260℃熱退火處理

15、。研究利用SRIM模擬C5+離子輻照Yb∶YCOB晶體的能量沉積過程。脊形光波導(dǎo)在1064 nm波長TM偏振下顯示出較好的導(dǎo)波特性，測量的最低傳輸損耗為1.7 dB/cm。通過測量波導(dǎo)的最大受光角估算出波導(dǎo)的最大折射率變化Δn≈+0.004，基于重建的折射率分布，利用FD-BPM對脊形波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布進(jìn)行模擬，與實驗結(jié)果符合較好。拉曼光譜表明，碳離子輻照并未對波導(dǎo)區(qū)晶格結(jié)構(gòu)造成較大的應(yīng)力改變。熒光光譜表明，波導(dǎo)區(qū)的Nd3+離子的熒光特