離子輔照光學材料制備可見光與紅外波導的特性研究.pdf

1、光波導是信號傳輸的通道和元器件的連接裝置，不僅是集成光電子器件的基礎，也是光通信的基礎。光波導結構可以把光束限制在比較小的區(qū)域內傳輸從而提高光密度，加強波導中的光學現象，有益于波導器件及集成光路的應用。因此，制備性能優(yōu)良的波導結構并研究其性質是集成光學領域重要的研究課題。
　　目前，紅外技術在國防、國民經濟和科學研究中得到廣泛的應用，并受到商業(yè)領域的密切關注。紅外光線在通訊、探測、醫(yī)療、軍事等方面占有重要地位，如紅外成像、紅外偵察

2、、紅外跟蹤、紅外制導、紅外預警、紅外對抗等，在現代和未來戰(zhàn)爭中都是很重要的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術手段;紅外波段的光電子器件在大氣檢測與環(huán)境監(jiān)測、自由空間光通訊、紅外測試、清潔能源、煤礦安全、分子光譜測量、激光醫(yī)療和生物技術等領域也表現出巨大的應用潛力。波導結構用于光的傳輸和各元件之間的相互連接，是集成光電子器件的基礎元件，其性能的優(yōu)劣對紅外波段光電子器件的性能起著決定性作用。
　　鑒于波導結構重要的應用價值，人們已經研究出多種方法來制備波導結

3、構，主要有離子注入、快重離子輻照、離子交換、離子擴散、薄膜沉積、聚焦質子束直寫和飛秒激光直寫等。其中，離子注入和快重離子輻照是其中兩種載能離子束制備波導的方法，通過載能離子與光學材料發(fā)生作用，改變材料的折射率形成波導結構。該工藝中的離子能量、劑量和形成波導層的厚度可精確控制，對材料的選擇性較少并且穩(wěn)定可調，已經較為相對成熟。載能離子束輻照技術可與光刻等多種微加工方法相結合制備出不同特性的光電子器件。到目前為止，人們已經利用載能離子束輻照

4、的方法在晶體、半導體、玻璃以及聚合物等多種光學材料上成功制備了波導結構。
　　本論文的工作重點是利用離子注入和快重離子輻照的方法結合光刻工藝在光學材料上制備可見和紅外波段的平面及條形光波導，研究光波導在可見和紅外波段的光學傳輸特性、離子注入或輻照前后光學材料的損傷特性、光譜特性等變化。本文主要涉及的光學材料為紅外波段透光材料，主要有單晶材料（鈮酸鋰、偏硼酸鋇、硫化鋅、硒化鋅、硫化鎘、摻釹硅酸鉍）、多晶材料（硫化鋅）和玻璃態(tài)材料（硫

5、系玻璃、熔融石英）。
　　波導特性主要包含波導模式的有效折射率、折射率分布、模場分布以及損耗特性等。表征波導特性的方法有很多種，本論文中主要采用的理論和實驗表征方法有:基于Monte-Karlo的SRIM(TheStoppingandRangeofIonsinMatter)軟件模擬離子輻照過程中離子的射程、分布、離散、電子和核能量損失分布等;反射計算方法（Reflectivitycalculationmethod，RCM）或強度計

6、算方法(IntensityCalculationMethod，ICM)重構光波導結構的折射率分布;有限差分光束傳輸方法（finitedifferencebeampropagationmethod，FD-BPM）用于模擬光波導的模場分布，其結果與實驗結果進行比較，從而驗證實驗的可行性;棱鏡耦合方法用于測試633nm和1539nm波長下襯底材料的有效折射率和離子輻照后光強隨入射角度的變化曲線;端面耦合法用于測試平面和條形波導結構在可見和紅外

7、波段的光學傳輸情況，并結合背散射(Back-Reflection)法測試平面波導結構的傳輸損耗;退火處理可以優(yōu)化波導特性，利于波導特性的測試。除此之外，為了更好的研究離子輻照對光學材料性質的影響，我們采用了拉曼光譜、吸收譜等譜線測試的方法表征離子輻照后光學材料的損傷特性?；谝陨媳碚鞣椒?，我們所取得的研究結果如下:
　　Ⅱ～Ⅵ族化合物半導體材料由元素周期表中的ⅡA族與ⅥA族構成的。Ⅱ～Ⅵ族化合物半導體材料具有離子鍵成分比較大，禁帶

8、寬度變化范圍大以及直接躍遷的能帶結構等優(yōu)點，在固體發(fā)光、激光、紅外和壓電效應等器件方面有廣泛的應用。論文中采用的Ⅱ～Ⅵ族化合物半導體材料包括硫化鋅(ZnS)、硫化鎘(CdS)和硒化鋅(ZnSe)晶體。我們利用能量為6.0MeV的碳離子分別注入上述三種晶體形成平面光波導結構，并結合光刻工藝制備了條形波導結構。條形波導結構制備中光刻膠的周期均為50μm，光刻膠空白區(qū)域為7μm。利用金相顯微鏡觀察了拋光后的平面和條形波導的端面形貌，棱鏡耦合儀

9、測試了平面光波導結構在633nm和1539nm波長下的導模特性，并采用端面耦合測試系統(tǒng)得到了可見和近紅外波段的近場光強分布。此外，我們利用多晶硫化鋅材料的色散關系方程計算該材料在1300nm波長下的襯底折射率值。結果表明，能量為6.0MeV的碳離子注入該類型材料制備的波導結構主要依靠光學位壘限制光的傳輸。由于離子注入的過程中形成色心會影響樣品的透過率，因此我們采用分光光度計測量離子注入前后樣品吸收譜線的變化。該研究結果為離子注入紅外材料

10、制備可見和紅外波段光波導結構提供了可行性依據。
　　鈮酸鋰(LiNbO3)不僅是最早被人們深入研究的人工晶體之一，而且是少數經久不衰、并源源不斷開辟應用新領域的非常重要的功能材料。LiNbO3是一種集壓電、鐵電、電光、光彈、熱釋電、光折變、非線性等功能于一身的多功能晶體材料，有光學“硅”材料之稱，其透光范圍大，是制備可見和紅外波段光學元器件的首選材料之一。到目前為止，離子注入或輻照LiNbO3晶體的研究已經相對成熟。本論文中采用同

11、成分化學計量比鈮酸鋰晶體，同成分點一般在Li/Nb=48.3/51.7-48.6/51.4之間。本文中采用能量和劑量分別為1.7GeV和1×1011ion/cm2的氪離子輻照LiNbO3晶體，研究輻照后該晶體的光學性質，在633nm波長下測得輻照層的近場光強分布分為兩層，具有明顯的界限。在4岬波長的端面耦合測試系統(tǒng)上測得快重氪離子輻照LiNbO3晶體的近場光強分布圖。利用顯微共聚焦微拉曼儀測得離子輻照層不同深度位置的拉曼譜線顯示拉曼峰的

12、位置和展寬等幾乎沒有變化，而拉曼峰的強度隨著離子遂穿路徑發(fā)生變化?；趯嶒灉y試結果，根據色散關系方程計算得到鈮酸鋰晶體在紅外波長（4μm）的有效折射率值，結合SRIM模擬的能量損失曲線，重構紅外波段折射率分布曲線。
　　硫系玻璃由相對原子質量較大的原子（S，Se，Te，Ge，As，Sb等）組成，結構穩(wěn)定，具有較高的折射率和良好的紅外透過性，在民用、醫(yī)學和軍事等領域都有重要的應用價值。本文中采用低劑量、高能量的氪離子輻照玻璃材料80

13、(0.8GeS2·0.2Ga2S3)·20CdI2（簡寫為GGC20），實驗結果表明利用快重離子輻照紅外玻璃材料可以有效地制備紅外波段波導結構。
　　偏硼酸鋇(BaB2O4，BBO)晶體是我國科學家在1984年研制成功的具有國際影響力的人工晶體，具有大的雙折射率和非線性光學系數、高的抗光損傷閾值、較寬的位相匹配范圍和透光波段（189nm-3500nm），是一種理想的紫外雙折射晶體。我們用能量和劑量分別為(500+550)keV和(

14、1+2)×1016ion/cm2的質子注入BBO晶體制備平面光波導。多能量離子注入制備波導結構能夠加寬光學位壘，使得波導結構更好的限制光的傳輸。為防止注入過程中樣品表面破損，我們采取注入前高溫退火處理。端面耦合測試結果表明多能量質子注入在偏硼酸鋇晶體上制備的平面波導結構在可見和近紅外波段都能限制光的傳輸。
　　熔融石英(Fusedquartz)是氧化硅的非晶態(tài)，光學各向同性，具有化學穩(wěn)定好、熱膨脹系數小、導熱率低和透光波段寬等一系

15、列的特點，廣泛應用于集成光電子器件的制備和生產。本文中采用能量為(5.0+5.5+6.0)MeV和劑量為(1+1+1.5)×1015ions/cm2的C離子注入并結合光刻工藝在熔融石英上制備平面和條形波導結構，分別研究了633nm和1539nm波長下傳輸特性以及退火過程對波導性質的影響。對離子注入后的樣品進行連續(xù)退火處理，退火溫度范圍為260℃～500℃。連續(xù)退火的結果表明多能量C離子注入的波導結構具有較好的熱穩(wěn)定性。采用多能量C離子注

16、入制備的波導結構在633nm和1539nm波長下折射率增加的最大值分別為0.013和0.0125。實驗結果表明，用多能量C離子注入熔融石英制備的波導結構在633nm和1539nm波長下形成了折射率增加的波導結構，是典型“位壘+勢阱”型折射率分布，可以更有效限制光的傳輸。端面耦合測試結果表明，多能量C離子注入在熔融石英上制備的平面和條形波導結構在可見和近紅外波段都能很好的限制光的傳輸。
　　摻釹硅酸鉍(Nd∶BSO)晶體具有良好壓電