（光学工程专业论文）Mev重离子注入LiNbOlt3gt和KTP波导的制备和研究.pdf

一当奎盔主璺圭兰篁笙塞 摘要 激光的出现带动了光通信，光信息处理与光传感等各种新技术的发展集成 光学的出现为光波传输和处理提供了理想的波导结构形式集成系统的基本元件 是光波导器件，传送信号的载波是光导波，对光信号的所有处理，都必须以光在 薄膜中能够传导为前提，因此光波导在集成光学中起着重要作用 离子注入可以改交材料的折射率。而基本不改变材料的光电特性，对晶体波 导层结构影响小，可以在较低温度下进行，对注入剂量和深度可以精确控制由 于具有以上优点，离子注入成为一种有效的形成光波导的技术 将电介质铌酸锂( 【n ) 、磷酸钛氧钾( k t p ) 等进行离子注入处理，可制成光 波导元件，此举开辟了离子注入技术在集成光学中的应用通过改变离子注入的 能量和注入剂量，能够控制光波导区的深度和折射率的大小 在离子注入形成的波导中，最常用的是h 、h e 等轻离子注入，注入剂量在l o 惦 量级，一般形成多模波导和轻离子注入相比，重离子注入有两个优点，一是离 子剂量相当低，在1 0 1 3 到1 0 之间，这就使注入时间大大缩短，因为重离子能够 在比较低的剂量下就引起比较大的折射率改变；二是m e v 级重离子注入形成的位 垒在晶体表面下l 到1 5 t t m 之间，单模的波导比较容易形成 人们已经在光学晶体，玻璃、半导体材料等大量的光学材料中形成了光波导 结构，其中l n 晶体具有极好的光学、铁电、电光、光折变等性能，广泛应用于集 成光学和光波导器件中。k t i ： 是一种性能优良的非线性光学晶体材料。建立在k t p 单晶基础的光波导器件对集成光学将有极大的潜在应用。 我们对n i 2 + 注入z 切光学抛光的l n 晶片的性质做了一些研究注入离子能量 为3 m e v ，剂量从1 1 0 1 3 i o n s c m 2 到9 x 1 0 i o n s i c m 2 其中8 x 1 0 i o n s c m 2 剂量的 样品，在6 3 2 8 r i m 的波长下形成了位垒型的光波导。我们还观察了导波模随退火 条件的变化，并首次对退火后的光波导进行了传输损耗的测量，退火3 0 0 c ，3 0 m i n 后，波导损耗从1 6 5 d b c m 下降到1 1 9 d b c m 我们发现这些样品在空气中退火3 0 0 c ，3 0 m i n 后，较低剂量下形成了仅有 山东大学硕士学位论文 - l i _ - _ l - _ l _ - l _ - _ l _ _ - - l l l _ _ _ - - l _ - l _ _ _ 一i i i i i l 一个t m 模式的增加型的波导，较高的剂量时只有位垒型的波导存在在注入剂 量适当的样品里，观察到了消失模( m i s s i n gm o d e ) 现象我们试着解释了两种波 导在不同情况下形成的原因，还测量了单能量低剂量重离子形成的单模增加型波 导损耗大约为3 d b c m 可以证明在适当的注入和退火条件下，可以形成基于低剂 量离子注入技术的低损耗表面波导器件 我们还介绍了多能量低剂量的o ”注入l n 形成折射率增高型波导的研究，采 用波长为6 3 2 s n m 和| 5 3 9 n m 的激光测试了波导的咯模特性能量为2 0 、1 5 和 1 0 m e v ，剂量从1 5 x 1 0 h 到4 x 1 0 i o n s c - m 2 的0 2 注入l n 晶体在6 3 2 8 n m 波长下 形成了异常光折射率增高的区域采用端面耦合法，记录了光从波导端面的输出 我们还研究了更高多能量低剂量下的0 2 + 注入l n 晶体形成的波导特性 关于k t p 晶体波导的实现条件我们也有涉及我们推断s i + 和0 2 + 在k t p 晶 体中只能形成位垒型的波导，我们还对比了注入前后k t p 晶体的吸收光谱，可以 看出注入确实增加了吸收损耗 本文主要介绍了重离子注入l n 晶体和k t p 晶体形成光波导的特性，通过对 光波导的导波模式和传输损耗的测试及退火行为的研究，探索离子注入光波导的 形成条件，并对重离子注入晶体材料折射率改变的形成机理进行了初步探讨 关键词：离子注入，平面光波导，传输损耗，折射率分布，l n ，k t p n 当奎盔主至主竺笔歪耋 a b s t r a c t l i t h i u mn i o b m ei so n eo f t h em o s tw i d e l yu s e dm a t e r i a l sf o ri n t e g r a z do p t i c sd u e t oi t s “l i e m o p t i c 吐p i e z o e l e c t r i c ，e l e c t r o - o p t i c ，e l a s t i c ，p h o t o c l a s t i c a n d p h o t o r e f r a c t i v ep r o p e r t i e s w a v e g u i d ed e v i c e sb a s e do nl nh a v eb e e nw i d e l yu s e d e s p e c i a l l yi nt h ef i e l d so fo p t o c l e c t r o n i c sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n c o m p a r i n gt ot h e c o n v e n t i o n a lw a v e g u i d e sf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e ss u c ha sd i f f u s i o na n di o ne x c h a n g e , i m p l a n t a t i o ne x h i b i t si t su n i q u ea d v a n t a g e s i i la l lt h ei m p l a n t e dl nw a v e g u i d e s , m e vh ea n dhi o n sa r em o s tf r e q u e n t l yu s e d t h ed o s eo f i o nb e a mi si nt h er a n g eo f af e w t i m e s1 0 1 6i o n s c m 2 。i n t h ec a s eo f l i g h t i o ni m p l a n t a t i o n , ar e d u c e d i n d e xl a y e r ( b a r r i e r ) i sf o r m e da tt h ee n do ft h ei o nt r a c k m u dt h el a y e rb e t w e e nb a r r i e ra n ds u r f a c ew o r k sa sal i g h tg u i d i n gr e g i o n l i g h ti o n i m p l a n t e dl nw a v e g u i d e sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e d t ob et y p i c , a lb a r r i e r - c o n f i n e d m u l t i m o d eo n e s h o w r 盯t h es i t u a t i o ni sd i f f e r e n tw h e nh e a v yi o ni m p l a n t a t i o ni sp e r f o r m e d i n 。 2 0 0 2 ，h uda 1 r e p o r t e dt h a tas i n g l em o d ew a v e g u i d ei nl nw a sf o r m e dw i t hal o ws i b e a md o s ei m p l a n t a t i o n t h es i n g l em o d ei sc o n f i n e db yr a i s e de x t r a o r d i n a r yi n d e xi n t h es u r f a c el a y e r , w h i c h 碴r e g a r d e da sag u i d i n g 咒g 沁几b e c a u s eo ft h es i m i l a r c h a r a c t e r i s t i co fr a i s e de x t r a o r d i i l a i - yi n d e xi ng u i d i n gl a y e r , s u c haw a v e g u i d ei s c o m p a r a b l ew i t ht h ew a v e g u i d ef o r m e db ye x c h a n g eo rd i f f u s i o n w a v e g u i d ef o r m a t i o nb yt h eh e a v yi o ni m p l a n m t i o ns h o w s t w oa d v a n t a g e s ：( 1 ) t h e b e a md o s ei se x t r e m e l yl o w , u s u a l l yi nt h er a n g eo faf e wt i m e s1 0 1 3 - 1 0 i o n s c m 2 , w h i c hm a k e st h ei m p l a n t a t i o np r o c e s sm u c hs h o r t e rt h a nt h a to fl i g h ti o ni m p l a n t a t i o n ； ( 2 ) m e vh e a v yi o ni m p l a n t a t i o nf o r m st h eb a r r i e rl o c a t e do n l yl - i 5p mb e n e a t ht h e s 皿血c e 。a n da s i n g l em o d ew a v e g u i d ei sa c h i e v e dm o 他e a s i l y i no r d e rt ou n d e r s t a n dh o wt h eb e a md o s ed o m i n a t e st h ef o r m a t i o no f w a v e g u i d e s , w ep e r f o r m e dt h ef o l l o w i n ge x p c r i m c i r sg i v e nb o t hi o na n de t l 组 g ya 弛d e f i n i t e w ef o r m e dw a v e g u i d e so nl n 跚b s 啪幢b y3 0m e vn i c k e li o n si m p l a n t a t i o nw i t h m 当奎盔耋耍圭兰簦笙塞 d i f f e r e n tb e a md o s e sf r o ml x l 0 1 3t o9 x 1 0 1 i o t a e r a 2 s i n g l em o d ew a v e g u i d ef r o m r a i s e de x t r a o r d i n a r yi n d e xt a y e rw a sf o r m e da n dt h el o s so f s u c hw a v e g u i d ew 勰a l e u t 3d b e m a m o d em i s s i n g i nac e r t a i nr a n g eo fi m p l a m e c lb e a md o s ew 舔o b s e r v e d b e l o wt h i sr a n g eo fb e a md o s e ，t h ew a v e g u i d cw i t hr a i s e de x t r a o r d i n a r yi n d e xi nt h e 嗣钕l a y e ro rb a r r i e r - c o n f i n e dw a v e g u i d ew i t hl o wo r d i n a r yi n d e xi nd a m a g e dl a y e r m a yb ef o r m e d i ft h ed o s ei sh i g h e rt h a nt h i sl d l l g c ，o n l yb a r r i e r - c o n f i n e dw a v e g u i d e nb ef o r m e d t h ep o s s i b l es u r f a c ew a v e g u i d ed e v i c e sm a yb ef a b r i c a t e db a s e do i lt h e l o wd o s ea n ds i n g l ee l l c r g yi m p l a n t a t i o nt e c h n i q u e t h el o s so ft h eb a r r i e r - c o n f i n e d w a v e g u i d em o d ew i t had o s eo f $ x l o i o n s e r a 2w 嚣r e d u c e df r o m1 6 5 d b e mt o 1 1 9 d b e ma n 盯a n n e a l i n ga t3 0 0 f o r3 0 r a i n a n dt h e nw ef o r m e dw a v e g u i d e so i ll ns u b s t r a t eu s i n go t h e rh e a v yi o n sw i t h d i f f e r e n te n e r g ya n dd o s et of i n dt h eo p t i m a le o n d i t i o ma c h i e v i n gl ns i n g l e - m o d e w a v e g u i d e s w ef o r m e das i n g l e - m o d ew a v e g u i d ei nl n c r y s t a lb y2 , 0 ，1 5a n d1 0 m e v0i o n s i m p l a n t a t i o nw i t hf l o u n c e sf r o m1 5 1 0 t o4 x l o i o m e m 2 ab r i g h tl i n e i nt h e w a v e l e n g t ho f6 3 2 g r i mw a so b s e r v e do n l yw h e nl l l o d e r a t cp o s t i m p l a n ta n n e a l i n gw a s p e r f o r m e d _ t h ep o s s i b l ei n d e xp r o f i l eo ft h ew a v e g u i d ew 勰c o i i s i i u c t e d c o 甜i n gt o t h ed a m a g ep r o f i l eo ft h el a t t i c es l a u e t u r ec a u s e d b yt h ei m p l a n t a t i o n a l t h o u g h d a r k - m o d en l c a s u l c m e n ts h o w e dt h a tt h ee t f e e t i v ee x t r a o r d i n a r yi n d e xo f l nw a sr a i s e d i nt h ew a v e g u i d el a y e r , r e s u l t so ft h ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h es i n g l eg u i d i n gm o d e c o u l db es u p p o r t e db yas y n e r g e t i ce f f e c tf r o mb o t ht h er a i s e di n d e xl a y e ra n dt h e l o w - i n d e xb a r r i e r t h er e d u c e dl o s so ft h ew a v e g u i d ec a nb ea t t r i b u t e dt ot h ew i d e n e d l o w - i n d e xb l l l t i c rf r o mm u l t i e n e r g yi m p l a n t a t i o n w ea l s of o r m e dw a v e g u i d e sb y4 5 、 3 6a n d3 m e v0i o n si m p l a n t a t i o nw i t hf l o u n c e sf r o m0 9 1 0 ht o7 2 x 1 0 i o t a e r a 2 a n da n a l y z e dw a v e g u i d e sm o d ea n dt l a ca n n e a l i n gb e h a v i o r k e yw o r d s ：i o ni m p l a n t a t i o n , p l a n a rw a v e g u i d e ，p r o p a g a t i o nl o s s ，r e f r a e l i v ei n d e x p r o f i l e ，l i l , v 0 0 3 ，k t p i v 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名：煎垫 日 期：趁立垂温l 纽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趱叠导师签名： 第一章引言 集成光学【1 3 】是研究介质薄膜中的光学现象以及光学元器件集成化的一门学 科它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光信息处理等的需要，而逐步形 成和发展起来的它要解决的实质问题是获得具有不同功能、不同集成度的集成 光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微型化。因为光波波长比波长最短的 无线电波还要短四个数量级。因而它具有更大的传递信息和处理信息的能力然 而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，所以不能适应光 电子技术发展的需要采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形 式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统问题的一种途径这样的 器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点 在集成光学中，传送信号的载波是光导波，系统的基本元件是光波导器件， 对光信号的所有处理，都必须以光在薄膜中能够传导为前提，因此，光波导在集 成光学中起着重要作用 波导材料应该具有多种功能：工艺上便于成膜和器件制作与集成；在外界各 种工作环境下具有长期稳定工作的性能等已探索过的材料有玻璃、半导体、有 机材料以及铁电体等卜7 l ，其中铌酸锂( l n ) 晶体是集成光学和光波导应用的一种重 要材料 l n 晶体是制作声表面波器件、声体波器件、电光器件、声光器件、新一代光 纤通讯用无源光学器件以及压力传感器件等的理想材料【8 9 】，是现代电子、光学领 域和信息产业赖以生存及发展的重要基础材料随着现代电子和光学的发展，l n 晶体在光通讯、集成光学等高新技术领域中的信息处理、显示、印刷、传真、遥 测等方面扮演着重要的角色，是重要的。光谷”材料。同时它在航空、航天、导 航、卫星通讯、电子对抗、雷达制导，激光测距、精密照排、信息处理和转换等 技术领域，以及一些电子消费产品，如电视机、移动电话、无绳电话和影音电子 产品等方面都有十分广泛的应用 实现l n 光波导的传统方法有质子交换、扩散、外延生长等o o - 1 2 | ，离子注入也 省銮銮兰罂主兰堡垒塞 是成功制备波导的有力- r g t l 3 j 4 3 离子注入是在粒子加速器技术，现代真空技术， 离子束的形成、加速和扫描技术以及微机控制技术等高新技术基础上发展起来的 2 0 世纪末，这项技术在理论和实践方面均取得重大突破，在半导体器件、金属材 料表面改性、超导材料方面甚至对生物组织的作用等方面的应用均获得成功，成 为一门新兴的综合性的科学技术这里我们所涉及的是电介质改性方面。 离子注入可以改变材料的折射率，而基本不改变材料的光电特性，对晶体波 导层结构影响小，可以在较低温度下进行，对注入剂量和深度可以精确控制。由 于具有以上优点，离子注入成为一种有效形成光波导的技术。和其他方法相比， 离子注入在光学非线性晶体处理方面有独特的优点。特别对于一些低相变温度的 晶体，如b a t i 0 3 、l ( n b 0 3 和k n s b n 等来说，离子注入是目前唯一可以得到波导 的方法【1 5 1 7 1 离子注入是能量为数万到数十万电子伏的离子束与固体材料相互作用过程中 的一个物理过程。当载能的离子束入射固体材料后，由于种种物理过程而不断损 失自己的能量，从而速度逐渐降低下来并趋近于零，最后在固体材料中停止下来， 或者停留在晶体结构的格点上，成为所谓的置换原子；或者停留在格点之间，成 为所谓的间隙原子，这个过程就是离子注入载能的离子束注入到固体材料中去 以后，除了会发生上述种种物理效应之外，还可能伴随着发生一些化学效应，从 而将引起固体材料表面层( 微米量级) 的成分、结构和性能的变化我们可以通 过控制离子注入过程中的各种技术参数，来使固体材料的表面成分、结构和性能 发生预期的有利变化，从而达到优化固体材料表面性能，或者获得某种新的优异 特性的目的 离子注入与离子镀( i o np l a n t i n g ) 和离子溅射( i o ns p a t t e r i n g ) 的区别在于三 者的离子能量大小不同。离子能量在l 1 0 0 电子伏范围内的处理方法一般叫离子 镀；离子能量在l o o 5 x 1 0 4 电子伏范围内的处理方法叫做离子溅射；离子能量 在数万伏到数十万伏的处理方法叫离子注入具有高能量的离子飞向靶材后，对 靶材表面的原子产生巨大的冲击作用并使靶材表面的原子偏离原来的位置，与此 同时该离子的能量也逐渐下降，并最后停止在距靶材表面一定深度的地方。所注 入的离子在靶材表面的分布取决于注入离子的质量、能量、剂量以及注入靶材的 省耋銮主要主兰笔笙銮 质量和密度等等 在离子注入形成的l n 波导中，最常用的是h ，h c 等轻离子注入，注入剂量 在1 0 量级，注入时间需要数小时甚至一天因为h e 和h 离子注入深度比较深， 所以一般形成多模波掣1 t 嘲 轻离子注入波导形成的物理机制硼一般认为是注入离子在射程末端对晶格结 构破坏，在晶体内形成一个损伤层，损伤层内晶格部分非晶化并造成这部分晶格 密度降低，最终导致在损伤层内折射率降低形成光学位垒。被低折射率的位垒层 及材料表面的空气所包围的区域就是波导区域位垒层的产生与注入离子的核能 量损失有关，而注入离子在波导区的电子能量损失将主要造成点缺陷的产生，这 些点缺陷的存在会增加波导的吸收与散射损耗，因而通常采用先注入后退火的方 法降低波导损耗，但电子能量损失过程对晶体损伤很小，基本对光传播不造成影 响 轻离子形成波导有一定的局限性，探索用重离子注入l n 形成光波导的新方 法、新途径是一个有意义的课题( 所谓的重离子指大于h 、h e 的离子) 重离子注入有两个优点： 一、离子剂量相当低，量级在1 0 ”到l o “之间。这就使注入时间大大缩短 因为重离子能够在比较低的剂量下就引起比较大的折射率改变 二、m c v 级重离子注入形成的损伤层在晶体表面下l 到1 s p i n 之间，单模的 波导比较容易形成。 最初七十年代前后，由于受制造技术的限制，主要采用多模光纤，故对于波 导的研究主要是多模波导。进入八十年代，光通信开始采用单模光纤，以单模波 导为基础的器件研究工作逐渐展开，单模波导器件有如下特点： ( 1 ) 电压操作，相互作用距离缩短 采用单模波导，可缩小控制用的电极间隔，这样在低电压工作的同时可增大 相互作用，从而缩短相互作用距离，使器件小型化 ( 2 ) 高速工作 其电极尺寸小静电容量也小，可实现高速开关，高速调制 ( 3 ) 商光功率密度 山东大学硕士擘位论文 i i _l l _ _ l o l l - _ l i l _ _ 经单模波导传输的光波被封在狭小的空间内，其光功率密度远远大于自由空 间的光功率密度因而波导材料易实现非线性光学效应，而且利用非线性光学效 应的器件便于制作 重离子注入有很多问题值得探讨，其中一个就是受入射离子的不同种类和不 同剂量以及注入能量的影响，有时会产生波导区域本身异常光折射率增加的情况， 这就形成了另一种波导这种增高型波导与离子交换或扩散形成的波导类似，可 以使光完全限制在波导层内，从而避免了光学位垒型波导中光可以隧穿过位垒而 渗透到衬底中从而导致损耗较大的缺点，因而研究离子注入折射率增高型的l n 波 导有重要的应用价值但是这种波导形成的条件我们还不清楚，所以就有必要在 离子种类和能量一定的条件下，研究注入剂量与位垒型波导和增高型波导的关系， 如果能够获得形成条件，我们就可以在材料中制备一条折射率高于周围折射率的 区域，利用全内反射原理，把光限制在此区域内传播。我们通过调节入射离子的 能量和剂量，来控制波导层的厚度和折射率的大小。同时也可以采用多能量的离 子注入，以获得较理想的折射率剖面分布，提高光传输效率。 故本论文中我们的主要目的是研究当6 3 2 8 a m 或1 5 5 0 n m 波长的激光入射时， l n 波导折射率随不同离子剂量及不同退火条件变化的规律，以期能降低波导损耗 及实现单模传输，找出实现l n 波导的最佳条件 磷酸钛氧钾( k t i o p 0 4 ，k t p ) 是一种性能优良的非线性光学晶体材料。它具 有客的非线性光学和电光系数，高的激光损伤阈值，能在较宽的温度范围内实现 i 类、n 类相位匹配，稳定的化学和热学性能及宽的透明波段等优点，特别是在 n d 离子激光器辐射波长为l “m 左右处，k t p 晶体的倍频效应是其他菲线性光学 材料无法比拟的正因为它具有这些优良的性能，现已广泛应用于激光倍频、和 频、差频、光参量振荡、电光调制与偏转、电光q 开关、声光调制和建立在k t p 单晶基础的光波导器件。对集成光学将有极大的潜在应用所以关于k t p 晶体波 导的实现条件我们也有涉及 本文第一部分为引言，第二都分介绍有关的基本概念与原理及楣应的实验技 术，如波导的线光学理论，棱镜耦合法，波导损耗的测量方法等 第三部分对u i 2 + 注入z 切光学抛光的l n 晶片的性质傲了一些研究可以证明 一- 当耋盔兰翟圭主垒婆銮 在适当的注入和退火条件下。可以形成基于低剂量离子注入技术的低损耗表面波 导器件 第四部分介绍了多能量低剂量的0 2 + 注入l r n 形成折射率增高型波导的研究 同时还研究了更高能量下的0 2 + 注入l ，n 晶体的波导特性 第五部分介绍了s f 和o 扣注入k t p 形成波导的性质 论文的第六部分对所做的工作进行了总结。 5 山东大学硕士学位论文 参考文献： 【l 】集成光学，陈益新，上海交通大学出版社，1 9 8 5 【2 】集成光学导论，i l g 汉斯伯格，国防工业出版社，1 9 8 3 【3 】集成光学三十年回顾，陈益新，上海交通大学出版社，2 0 0 1 【4 】非线性光学和材料，阿雷克( a r e c c m , f t ) 主编科学出版社，1 9 7 8 1 5 】非线性晶体材料科学，张克从，王希敏，科学出版社，1 9 9 6 【6 】6 近代晶体学基础，张克从，科学出版社，1 9 8 7 【刀晶体生长科学与技术，张克从，张乐漶主编，科学出版社，1 9 8 7 【8 】铁电物理导论，( b ) - - 井利夫，科学出版社，1 9 8 3 【9 】光折变晶体材料科学导论，李铭华，杨春晖，徐玉恒等，科学出版社2 0 0 3 【lo 】王风翔，山东大学博士学位论文，薄膜光波导的p l d 制备及波导特性研究， 1 9 9 9 【l l 】卢霏，山东大学博士学位论文，离子注入波导光折变效应和损伤研究1 9 9 7 【1 2 】胡卉，山东大学博士学位论文，铌酸锂和钽酸锂光波导的机理研究，2 0 0 1 【1 3 】离子束分析，杨福家赵国庆主编 【1 4 1 离子束材料改性科学和应用，张通和吴瑜光著，科学出版社，1 9 9 9 【1 5 】p m o r e t t i , p t h e v e n a r d , kw i f l ，p h e r t e lh h e s s e ，e k r a t z i g , a n dg ，o o d e f r o y , f e r r o e l e c t r i c s1 2 8 ，1 3 ( 1 9 9 2 ) 【l6 】f p s u o h k e n d l ，d f l u c k , p c n o n t e r , 1 li m 3 s c h e r , a n dc h b u c h a l 。a p p l p h y s l e a 5 9 ，3 3 5 4 ( 1 9 9 1 ) 【1 7 3f l i l ，m q m e n g , k - m w a n g , x - d l 沁h - c c h e r t , a n dd y s h e n , o p t l e t t 2 2 ，1 6 3 ( 1 9 9 7 ) 1 1 8 】gl d e s t e f a n i s , nd t o w n s e n d , a n dj po a i l i i a r d , a p p l p h y s l e t t 3 2 , 2 9 3 ( 1 9 7 8 ) 1 1 9 】gl d e s t e f a n i s ，j 只o a i l l i a r d , e l l i g e o n ga n ds v a l e t t e ，b wf a r m e r y , p d t o w n s e n d , a n d 丸p e r e z , j a p p l p h y s ，翮，7 8 9 8 ( 1 9 7 9 ) 【2 0 1p j t o w n s e n da n dl z h a n g ，0 p t i c a ie f f e c t so fi o ni m p l a n t a t i o n ( c a m b r i d g e u n i v e r s i t yp r e s s 。c a m b r i d g e ，u k1 9 9 4 ) 山东大学硕士学位论文 第二章光波导理论及实验方法 2 1 波导的线光学理论 2 1 1 薄膜波导的结构 薄膜波导的结构如图2 1 1 所示，图中z 坐标代表传输方向，x 坐标代表厚度 方向，y 坐标代表宽度方向。 ( 敷层) ( 薄膜) 图2 1 i 薄膜波导的结构 y 一般薄膜波导c a - - 层介质构成，每一层的介质都是均匀的中间一层介质是 厚度为d 的薄膜，d 为l l o p m ，折射率为，l i ，光波就在其中传播底层介质称为 衬底，折射率为n 2 ；上层介质为敷层，折射率为吩，一般，l i 鸭如果吃= 吗， 则形成对称式薄膜波导，否则为非对称式薄膜波导薄膜波导的宽度为w ，一般 为c m 量级，它与光波的波长相比是很长的距离，因而薄膜波导可以认为是无限宽 的平面波导，光波在这个方向上不受限制 2 1 2 薄膜波导中波的分类 光波在均匀介质里，沿着直线传播，波矢量t 的方向就是光射线传输的方向 当光射线遇到两种介质交界面时，将产生全反射或部分反射可以说，光波在薄 膜波导中的传播，就是通过上下介质面的反射，按“锯齿形”向z 方向传输的 设薄膜与衬底的交界面为下界面，平面波产生全反射的临界角为以。：；薄膜与 敷层的交界面为上界面，平面波产生全反射的临界角为幺当平面波的入射角岛 变化时，在薄膜波导中可产生三种不同的波型：导波、衬底辐射模与敷层辐射模。 1 导波 要形成导波，薄膜上下两个乔面都必须满足全反射条件。即 以1 2 = s i n 一1 生 啊 色3 = s i n 鱼 一 由于一般他 一，所以色： 绣i ，要使薄膜上、下界面都产生全反射，入射角 q 必须满足9 0 哆q 幺1 2 这时。光波将被限制在薄膜中，沿着z 方向向前传播 衬雇( 心) 圈2 1 工导波的传输 2 衬底辐射模 当日 气，所以此时入射角b 不一定小于如，即还可能存在如， b 只，：t 因此上界面还是可能满足全反射条件的 薄膜波导中，光射线此时的传输路径如图2 1 3 所示 图2 , 1 3 薄膜中的村底辐射模 3 敷层辐射模 当瞑 幺。2 的范围内，b 的取 值不是连续的，它必须满足一定的条件才能在薄膜中形成导波，把能够在薄膜中 形成导波的入射角鼠的条件，称为薄膜波导的特征方程，也叫做薄膜波导的色散 方程该方程可表示为； 2 k u n l d c o s o i 一硝2 一m 3 = 2 m a ( 2 - l 1 ) 也可写为： 2 毛d c o s b 一2 氟2 2 ，= 2 m # g - l 2 ) 式中，l i 、d 为薄膜波导的参数；k ：孥为自由空间的波数；2 i i i ：、撕，分 口 别为上下界面反射波比入射波超前韵角度：辨为芷整数，m 卸，1 , 2 , 3 对于水平极化波和垂直极化波，他们的氟2 和 ，分别为： 水平极化波： 叫率sin 0 , - ( 罢- ) ； 耐呼 3 ) 当銮- 盔主罂主i 兰笪婆苎 i i 一 - i l _ - l l _ _ l i i _ l _ _ _ - _ _ i _ _ l l l _ _ _ 垂直极化波： ：= 僖4 ( ，6 1 3 = t g “( 2 - 1 4 ) 薄膜波导的特征方程是讨论导波特性的基础( 2 - 1 - 2 ) 式中的毛c o w , 是薄膜中 波矢量在x 方向的分量，可用k l ，表示，称为薄膜中的横向相位常数( 即沿x 方向传 播时的相位常数) 七l ，= 毛c o s q = 毛，l lc o s q ( 2 1 - 5 ) 将它代入( 2 - 1 - 2 ) 式中，则特征方程可写为： 2 k 扭a - 2 , 2 一撕3 = 2 聊，r ( 2 - 1 - 6 ) 其中，d 是薄膜的厚度，与，d 是表示横过薄膜的横向相位变化。该式表明从薄 膜中的任一点出发的波，只要沿着薄膜横向往复一次再回到原处，其相位变化总 是2 石的整数倍，使原来的波加强，达到谐振。因此，薄膜波导中的导波具有横向 谐振特性 ( 2 ) 决定导波模式的特性参数 薄膜波导中存在着两大类波型：t e 及，i m 模式，这些模式的特性由上述特征 方程决定将水平极化波的 2 和九代入，可得到t e 波的特征方程；同理，将垂 直极化波的氟：和丸代入，可得到t m 波的特征方程特征方程中不同的m 值对应 于不同的波型，每一个波型都有一定的场型分布和传输特性，这就构成了一个导 波的模式 各导波模式的特性，可用以下几个参数来描述： 率辱 当奎銮兰霉圭兰簦笙銮 轴向相位常数： ，= k = k 啊s m o ,( 2 - 1 - 7 ) 它表示了各模式沿波导轴向传播的相位常数； 横向相位常数毛，： 局，= k o n lc o s o l( 2 1 8 ) 它决定了导波模式在薄膜内的横向驻波分布规律 衬底和敷层中的衰减常数口2 和码： 由 可得出吒和码 口= k o n l 口2 = 毛 牺而i i 瓦 口3 = m 牺而i 面瓦 ( 2 1 - 9 ) ( 2 - i - i o ) ( 2 i - 1 1 ) 它们分别决定了导波在衬底和敷层的衰减规律，当口值越大时，衰减越快。能 量在薄膜中集中的就越好 ( 3 ) 导波的截止 当全反射条件被破坏时，即认为导波处于截止状态对于薄膜波导来说，当 入射角岛 厶 无( n 田 ( 2 l 1 3 ) 上式即为薄膜波导的单模传输条件 当波导中工作波长小于其它波型的截止波长时，即发生多模传输。用肼表示 模数量，可通过截止时的特征方程求得： 孥d 屑i 一九 册：二蔓一 ( 2 - 1 - 1 4 ) 兀 可导行的模式应为0 、i 、2 、3 ( 肘一1 ) 的模式。由于t e 波、t m 波的磊3 不同，因此模数量可能不同，波导中虽然同时存在t e 波和t m 波，但是总的模数 量应是两种波的模数之和如果求出的m 不是整数，则导波模式的个数应取最靠 近它而又比它大的整数 对于薄膜波导的分析，除了射线法以外，还可用波动理论的方法来进行分析 对于结构更复杂的波导比如光导纤维来说，用波动理论分析更加方便 2 2 棱镜耦合法l 锎 2 2 1 棱镜耦合器的基本工作原理 在波导器件的制各过程中，波导特性的测量是非常重要的在测量过程中， 如何将光束高效率地耦合到波导层中是最关键的问题之一 如图2 2 1 所示是棱镜一平面波导耦合系统用夹具把棱镜压在波导面上。棱 i 一些耋查兰要圭兰笙鲨耋 镜和波导表面仅有後窄的间隙图中、一、吩分别表示棱镜、薄膜、衬底 和覆层( 间隙) 的折射率，且具有关系：珂， ，l i 他 玛d 表示薄膜厚度，6 为间 隙高度，以为激光束在棱镜底的入射角或出射角t 鸟为导模z 字形光线在薄膜上， 下界面的入射角( 即模角) 八先囊出先童 x l ) 6 ) 。入射光束和全反射光束相互叠加形成沿工方向的驻波；在棱 镜底下面的区域( j 1 ) ，即光被限制在空气和位垒层之间假 设位垒层的折射率比衬底折射率低0 5 ，理想的折射率分布如图4 1 5 ( b ) 所示 由于位垒层很厚以至于可与波导相比拟，我们近似忽略隧道效应在这种条件下， 波导层厚度大概在1 3 a 。即0 8 2 a n ，结果和图4 1 4 中模拟值( o 8 # 朋) 一致 4 0 一 当耋銮主翟主主簦誊銮 4 1 5 ( b ) 所示的波导模型也和我们的测量结果相吻合：如果波导层的结构是第一 种情况，那么就没有光渗漏造成的损耗，加宽位垒层就不会起作用但是我们发 现，只有在多能量注入的波导输出端面上才有亮线出现，采用棱镜耦合法单能量 注入波导中也能测得单个暗模，但是采用端面耦合法时却没有输出所以加宽的 位垒层对波导损耗的降低起了很大的作用在我们的注入条件下，波导应该是空 气，异常光折射率增高的区域和折射率降低的位垒层的结构形式所以我们可以 采用多能量注入的方式来加宽位垒层，以减少隧道效应，从而得到波导损耗低的 波导 我们还在1 5 3 9 n m 波长下测试了t e 和t m 暗模特性，如图4 1 6 所示对t e 偏振的情况，存在较宽的下降峰，对应的有效折射率小于衬底的折射率( n o = 2 2 1 4 0 ，1 5 3 9 n m ) 我们认为，由于离子注入形成的寻常光折射率的光学位垒较低， 所以不能激发这个波长的导波模式对于t m 模，模式的有效折射率均小于衬底 的折射率( n c = 2 1 4 0 2 ，1 5 3 9 n m ) 我们希望不仅在6 3 2 $ r t m 波长下形成折射率增 加的