离子注入铌酸锂光波导电光特性改变及晶格损伤分布研究

论文摘要

在信息科技繁荣发展的背景下，光通讯技术近几年来得到了迅猛发展。光波导就是折射率高的区域由折射率低的区域包裹的结构。它可以把光限制在较小的区域内传播以提高光密度，从而更好的利用非线性晶体的非线性性质或者降低激光材料的泵浦阈值。光波导是集成光学的基本单元，同时也是全光网络传输的基础，以其独特的性能、高集成化以及规模生产的低成本，在各种光器件的制造中起着重要的作用。离子注入技术是一种制备光波导的有效手段，它具有注入剂量和形成波导厚度可精确控制、对形成光波导的材料和方向性限制较少以及对形成波导的温度要求较低等优点。迄今为止，人们已经利用离子注入技术在包括电光晶体、玻璃、半导体以及有机化合物在内的大量光学材料上形成了光波导结构。铌酸锂（LiNbO3）晶体是一种集电光、声光、光弹、非线性、光折变和激光活性等效应于一体的性质优良的光学晶体，是至今为止人们所发现的光学性能最多和综合指标最好的晶体之一，在表面滤波器、光通信调制器、电光开关、声光器件、传感器和高密度信息存储等方面有着广泛的应用。铌酸锂晶体己经成为重要的光波导衬底材料，是应用于光电子领域最基本和最重要的功能材料。铌酸锂具有突出的电光特性和较大的线性电光系数，使得铌酸锂光波导在集成光学器件中的光信号调制器，电光开关等方面有重要的应用。利用轻离子如He、H注入LiNbO3制备光波导在国际上已多有报道。对于轻离子注入，一般认为在离子注入过程中，注入离子与靶中的电子和晶格原子发生碰撞等相互作用，能量逐渐降低，在其射程末端与晶格原子的作用变强，对晶格结构会造成一定程度的破环，从而在晶体内距离表面微米量级的位置形成一个损伤层，损伤层内的晶格部分非晶化，晶格密度降低，最终导致损伤层内的折射率降低，形成光位垒。位垒层和材料表面的空气层把光限制在它们所包裹的薄层中传播，形成波导。离子注入在波导区引起的晶格损伤会影响铌酸锂的电光特性等物理性质。研究不同注入条件引起的铌酸锂电光特性的改变，对于离子注入制备铌酸锂光波导在波导电光调制器和电光开关等方面的应用具有重要的指导意义。一直以来，对于离子注入光波导，人们通常利用测量得到的波导导模的有效折射率重构波导的折射率分布，对于波导区其他物理性质也大都是通过测量波导区的总体表现来表征，并不了解波导区内物理性质发生变化的细节。波导区的物理和光学性质之所以发生改变，是因离子注入过程使得晶体的晶格结构遭到破环，导致一定程度的晶格损伤造成的。因此，研究不同注入条件在晶体中造成的晶格损伤分布，对于我们优化波导的制备条件以及研究波导中物理性质包括折射率的改变是非常有意义的。本论文主要包括两个方面的工作：（1）利用500keV的H和He离子注入铌酸锂晶体形成平面光波导。基于测量结果，分析了波导的模式结构及退火行为，并着重研究了不同的注入条件下波导的电光系数γ33的改变；（2）利用不同能量的He离子注入铌酸锂形成光波导，研究了波导的模式及退火行为，利用卢瑟福背散射／沟道技术及一个退沟道计算的模型研究了注入引起的铌酸锂晶格损伤的分布及退火行为，并与SRIM模拟的结果进行了比较。论文的主要结果如下：铌酸锂具有优良的电光特性和较大电光系数。我们研究了铌酸锂波导最常用的电光系数也是铌酸锂最大的电光系数分量γ33随不同条件的离子注入发生的改变。我们利用500keV的H离子注入铌酸锂，剂量为8×1016ions／cm2和1×1017ions／cm2，利用退火处理恢复了铌酸锂的晶格结构，并最终形成了异常光折射率增加型的光波导，我们研究了波导模式的退火行为。利用500keV的He离子注入铌酸锂，剂量为2×1016，3×1016，4×1016，5×1016ion/cm2，注入形成良好的异常光折射率增加型的单模波导。我们发现波导的有效折射率并不随注入剂量的增加而沿同一趋势改变。利用姜毅提出的关于铌酸锂折射率改变与晶格损伤程度的关系模型，我们分析了上种现象的成因。利用一种基于棱镜耦合技术的平面光波导电光系数的测量方法一波导法，我们测量了H、He注入铌酸锂形成的波导的电光系数γ33，研究了电光系数的改变与注入条件的关系。结果显示，H离子注入铌酸锂光波导的电光系数γ33基本和未注铌酸锂相等；He离子注入铌酸锂光波导的电光系数γ33相比于未注前大约降低了30％。利用能量为300keV，400keV，480keV，剂量为2×1016，3×1016ions／cm2的He离子注入铌酸锂，形成了异常光折射率增加型的单模波导，利用退火处理改善了波导的传输性能，研究了波导导模的退火行为。利用卢瑟福背散射／沟道技术，我们测量了退火处理前后波导的背散射沟道谱，并与铌酸锂的随机谱和未注铌酸锂的沟道谱做了比较，研究了沟道谱随注入条件的改变及其退火行为。利用一个退沟道计算的模型，我们根据得到的波导的沟道谱计算了He离子注入铌酸锂引起的晶格损伤分布。结果显示，晶格损伤随深度逐渐增加，并在表面下某一深度处达到最大。随着注入能量的升高，注入在波导区引起的晶格损伤逐渐降低。对于我们采用的480keV的He离子注入，铌酸锂在波导区的晶格损伤基本保持在0．1以下，晶格结构得到了很好的保留。我们把计算的结果同SRIM模拟的结果进行了比较。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 参考文献
• 第二章 平面光波导理论及电光效应简介
• 2.1 平面光波导的线光学理论
• 2.2 电光效应简介
• 参考文献
• 第三章 光波导的制备及研究方法
• 3.1 离子注入技术
• 3.2 波导光的激励方法---棱镜耦合法
• 3.3 卢瑟福背散射/沟道分析技术
• 参考文献
• 第四章 离子注入铌酸锂晶体平面光波导的电光特性研究
• 4.1 平面光波导电光系数的测量方法--波导法
• 4.2 轻离子注入铌酸锂平面波导暗模特性及电光系数改变研究
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 He离子注入铌酸锂晶体的损伤分布研究
• 5.1 利用卢瑟福背散射沟道/技术进行晶格损伤分析的原理
• 3晶体的波导模式和晶格损伤分析'>5.2 He离子注入LiNbO₃晶体的波导模式和晶格损伤分析
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 6.1 主要结果
• 6.2 主要创新点
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表