離子注入法與射頻濺射法制備光波導(dǎo)的研究.pdf

1、集成光學(xué)器件在實現(xiàn)高速短距離光通訊、寬帶光網(wǎng)絡(luò)、傳感器與自動化裝置，光學(xué)信號處理及光計算中有著重要作用。光波導(dǎo)則是組成集成光路的基本單元。迄今為止，人們已經(jīng)探索多種方法來制備性能優(yōu)良的光波導(dǎo)。離子注入技術(shù)作為一種成熟的材料表面改性技術(shù)已經(jīng)成功地在多種光學(xué)材料上實現(xiàn)了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 在離子注入形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，MeV的H和He離子經(jīng)常被注入光學(xué)材料中以實現(xiàn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。輕離子注入形成典型的光學(xué)位壘型光波導(dǎo)。最近，重離子注入光學(xué)晶體材料

2、形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)受到廣泛研究。重離子注入部分光學(xué)晶體材料(如鈮酸鋰(LiNbO<,3>)、摻釹的釩酸釔(Nd：YVO<,4>)、偏硼酸鋇(BBO)、砷酸鈦氧鉀(KTA)等)可以引起表面層折射率增加，從而形成波導(dǎo)區(qū)折射率增加型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。利用重離子注入形成光波導(dǎo)表現(xiàn)出獨特的優(yōu)點：與輕離子注入相比，注入劑量可以降低1～3個數(shù)量級，可以大大降低制造成本。因此，研究重離子注入光學(xué)材料形成的光波導(dǎo)具有潛在應(yīng)用的重要意義。 氧化鋅(ZnO)是

3、一種重要的寬禁帶Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的物理及化學(xué)性能。ZnO薄膜結(jié)構(gòu)在許多領(lǐng)域具有現(xiàn)實及潛在的應(yīng)用，如表面聲波器件、平面波導(dǎo)、透明電極、紫外光探測器、壓電器件、氣敏傳感器、紫外/藍紫/藍光-LED(發(fā)光二極管)及激光二極管等。我們用射頻磁控濺射法分別在x切及z切LiNbO<,3>襯底上生長了ZnO/MgZnO雙層結(jié)構(gòu)。研究了其結(jié)構(gòu)、光學(xué)及導(dǎo)波特性。 在本論文主要包括兩個方面的工作：(1)離子注入LiNbO<,3>、

4、LiTaO<,3>、SrWO<,4>、BaWO<,4>、Yb：NaGd(WO<,4>)<,2>、KNSBN、Nd:GdVO<,4>及Nd:LuVO<,4>等光學(xué)晶體上實現(xiàn)平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。基于實驗結(jié)果，分析了離子注入光波導(dǎo)的波導(dǎo)模式及退火行為，優(yōu)化了注入?yún)?shù)。用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)研究了注入引起的損傷分布。對離子注入光學(xué)晶體材料折射率增加的形成機理進行了探討；(2)利用射頻磁控濺射技術(shù)在x切及z切IJNbO<,3>上制備了ZnO/MgZ

5、nO結(jié)構(gòu)，利用X．射線衍射法、掃描電鏡法研究了其生長及結(jié)構(gòu)特性，研究了其結(jié)構(gòu)、光學(xué)及導(dǎo)波特性。論文主要結(jié)果如下：鈮酸鋰(LiNbO<,3>)是一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體，具有打的電光系數(shù)、聲光系數(shù)及非線性光學(xué)系數(shù)等。在LiNbO<,3>上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)受到了廣泛研究。我們用6.0MeV F離子注入LiNbO<,3>晶體形成了平面光波導(dǎo)，研究了注入劑量與折射率變化、損傷分布的關(guān)系，還研究了退火對導(dǎo)模及傳輸損耗的影響。研究結(jié)果對于重離子注

6、入IfiNbO<,3>晶體的光波導(dǎo)的制備和應(yīng)用提供了實驗基礎(chǔ)。 鉭酸鋰(LiTaO<,3>)晶體是制造光波導(dǎo)和聲波器件的優(yōu)良襯底，具有和LiNbO<,3>晶體相近的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。其抗光折變能力比鈮酸鋰高兩個數(shù)量級。我們分別用6.0 MeV的O離子和6.0 MeV的F離子注入LiTaO<,3>晶體，分別在633 nm和1539 nnl形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，劑量分別為1.0×10<'14>ions/cm<'2>—1.0×10<'15>

7、ions/cm<'2>及1.0×10<'14>ions/cm<'2>—1.5×10<'15>ions/cm<'2>。研究了注入劑量與樣品表面折射率、暗模特性的關(guān)系，利用RCM擬合方法研究了注入后波導(dǎo)區(qū)的折射率分布。 鎢酸鍶(SrWO<,4>)晶體、鎢酸鋇(BaWO<,4>)晶體及摻鐿的鎢酸釓鈉(Yb∶NaGd(WO<,4>)<,2>)晶體結(jié)構(gòu)相似，屬于白鎢礦結(jié)構(gòu)，四方晶系，具有寬的透光范圍、好的熱學(xué)及機械性能，是優(yōu)良的拉曼激光晶

8、體。BaWO<,4>晶體被認為是實現(xiàn)固體拉曼激光器的可靠有效的拉曼激光晶體。目前，沒有關(guān)于這三種晶體光波導(dǎo)的報導(dǎo)。我們用MeV重離子在不同劑量下注入三種光學(xué)晶體，分別形成了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為SrWO<,4>、BaWO<,4>及Yb∶NaGd(WO<,4>)<,2>晶體的光波導(dǎo)應(yīng)用提供了實驗基礎(chǔ)。 鈮酸鍶鋇鉀鈉((K<,y>Na<,1-y>)<,a>(Sr<,x>Ba<,1-x>)<,b>N<,b2>O<,6>，KNSBN)晶體是優(yōu)良的

9、光折變晶體，具有大的電光系數(shù)，其機械性能優(yōu)于SBN、BaTiO<,3>和KN。被認為是很有潛在應(yīng)用光折變晶體材料。離子注入是在具有低的居里溫度的材料上實現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效手段。我們用多能量的He(2.4 MeV，2.2 MeV，2.0 MeV)離子注入KNSBN晶體在633nm及1539nm下分別形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用端面耦合法研究了傳播模式的近場光強分布。擬合并分析了其折射率分布。 摻釹的釩酸釓(Nd∶GdVO<,4>)和摻釹的釩

10、酸镥(Nd∶LuVO<,4>)晶體具有優(yōu)良的機械、熱學(xué)、物理、化學(xué)和激光性能。最近研究表明Nd∶GdVO<,4>晶體具有大的泵浦波長吸收系數(shù)，較長的熒光發(fā)射、較寬的輻射界面以及與YAG相當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率。我們采用多能量(3.6 MeV，3.0 MeV，2.4 MeV)的O離子注入Nd∶GdVO<,4>和Nd∶LuVO<,4>晶體，總的注入劑量為5.9x10<'14>ions/cm<'2>。注入后的樣品形成了尋常光折射率增加型的平面光波導(dǎo)。用棱

11、鏡耦合法測量了其暗模特性，擬合并分析了其折射率分布。利用模型進行了模式分析。 氧化鋅(ZnO)在室溫下是一種寬禁帶(3.3eV)II—VI族化合物半導(dǎo)體材料。ZnO具有優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)及壓電性能從而收到廣泛研究，在許多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用：太陽能電池窗口、透明導(dǎo)電膜、體聲波器件及光發(fā)射二極管(LED)等。在第九章，首次分別在x切及z切LiNbO<,3>晶體上用射頻磁控濺射法生長了ZnO/MgZnO層結(jié)構(gòu)，形成了光波導(dǎo)，利用記錄式分光