離子輔照光學(xué)材料制備可見(jiàn)光與紅外波導(dǎo)的特性研究.pdf

1、光波導(dǎo)是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ篮驮骷倪B接裝置，不僅是集成光電子器件的基礎(chǔ)，也是光通信的基礎(chǔ)。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以把光束限制在比較小的區(qū)域內(nèi)傳輸從而提高光密度，加強(qiáng)波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象，有益于波導(dǎo)器件及集成光路的應(yīng)用。因此，制備性能優(yōu)良的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并研究其性質(zhì)是集成光學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。
　　目前，紅外技術(shù)在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用，并受到商業(yè)領(lǐng)域的密切關(guān)注。紅外光線(xiàn)在通訊、探測(cè)、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(dǎo)、紅外預(yù)警、紅外對(duì)抗等，在現(xiàn)代和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中都是很重要的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)手段;紅外波段的光電子器件在大氣檢測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)、自由空間光通訊、紅外測(cè)試、清潔能源、煤礦安全、分子光譜測(cè)量、激光醫(yī)療和生物技術(shù)等領(lǐng)域也表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(chǔ)元件，其性能的優(yōu)劣對(duì)紅外波段光電子器件的性能起著決定性作用。
　　鑒于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)重要的應(yīng)用價(jià)值，人們已經(jīng)研究出多種方法來(lái)制備波導(dǎo)結(jié)

3、構(gòu)，主要有離子注入、快重離子輻照、離子交換、離子擴(kuò)散、薄膜沉積、聚焦質(zhì)子束直寫(xiě)和飛秒激光直寫(xiě)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(dǎo)的方法，通過(guò)載能離子與光學(xué)材料發(fā)生作用，改變材料的折射率形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該工藝中的離子能量、劑量和形成波導(dǎo)層的厚度可精確控制，對(duì)材料的選擇性較少并且穩(wěn)定可調(diào)，已經(jīng)較為相對(duì)成熟。載能離子束輻照技術(shù)可與光刻等多種微加工方法相結(jié)合制備出不同特性的光電子器件。到目前為止，人們已經(jīng)利用載能離子束輻照

4、的方法在晶體、半導(dǎo)體、玻璃以及聚合物等多種光學(xué)材料上成功制備了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　本論文的工作重點(diǎn)是利用離子注入和快重離子輻照的方法結(jié)合光刻工藝在光學(xué)材料上制備可見(jiàn)和紅外波段的平面及條形光波導(dǎo)，研究光波導(dǎo)在可見(jiàn)和紅外波段的光學(xué)傳輸特性、離子注入或輻照前后光學(xué)材料的損傷特性、光譜特性等變化。本文主要涉及的光學(xué)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(dǎo)特性主要包含波導(dǎo)模式的有效折射率、折射率分布、模場(chǎng)分布以及損耗特性等。表征波導(dǎo)特性的方法有很多種，本論文中主要采用的理論和實(shí)驗(yàn)表征方法有:基于Monte-Karlo的SRIM(TheStoppingandRangeofIonsinMatter)軟件模擬離子輻照過(guò)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(jì)算方法（Reflectivitycalculationmethod，RCM）或強(qiáng)度計(jì)

6、算方法(IntensityCalculationMethod，ICM)重構(gòu)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率分布;有限差分光束傳輸方法（finitedifferencebeampropagationmethod，F(xiàn)D-BPM）用于模擬光波導(dǎo)的模場(chǎng)分布，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性;棱鏡耦合方法用于測(cè)試633nm和1539nm波長(zhǎng)下襯底材料的有效折射率和離子輻照后光強(qiáng)隨入射角度的變化曲線(xiàn);端面耦合法用于測(cè)試平面和條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)和紅外

7、波段的光學(xué)傳輸情況，并結(jié)合背散射(Back-Reflection)法測(cè)試平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸損耗;退火處理可以?xún)?yōu)化波導(dǎo)特性，利于波導(dǎo)特性的測(cè)試。除此之外，為了更好的研究離子輻照對(duì)光學(xué)材料性質(zhì)的影響，我們采用了拉曼光譜、吸收譜等譜線(xiàn)測(cè)試的方法表征離子輻照后光學(xué)材料的損傷特性。基于以上表征方法，我們所取得的研究結(jié)果如下:
　?、颉鲎寤衔锇雽?dǎo)體材料由元素周期表中的ⅡA族與ⅥA族構(gòu)成的。Ⅱ～Ⅵ族化合物半導(dǎo)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(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，在固體發(fā)光、激光、紅外和壓電效應(yīng)等器件方面有廣泛的應(yīng)用。論文中采用的Ⅱ～Ⅵ族化合物半導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合光刻工藝制備了條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備中光刻膠的周期均為50μm，光刻膠空白區(qū)域?yàn)?μm。利用金相顯微鏡觀(guān)察了拋光后的平面和條形波導(dǎo)的端面形貌，棱鏡耦合儀

9、測(cè)試了平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在633nm和1539nm波長(zhǎng)下的導(dǎo)模特性，并采用端面耦合測(cè)試系統(tǒng)得到了可見(jiàn)和近紅外波段的近場(chǎng)光強(qiáng)分布。此外，我們利用多晶硫化鋅材料的色散關(guān)系方程計(jì)算該材料在1300nm波長(zhǎng)下的襯底折射率值。結(jié)果表明，能量為6.0MeV的碳離子注入該類(lèi)型材料制備的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要依靠光學(xué)位壘限制光的傳輸。由于離子注入的過(guò)程中形成色心會(huì)影響樣品的透過(guò)率，因此我們采用分光光度計(jì)測(cè)量離子注入前后樣品吸收譜線(xiàn)的變化。該研究結(jié)果為離子注入紅外材料

10、制備可見(jiàn)和紅外波段光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提供了可行性依據(jù)。
　　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(shù)經(jīng)久不衰、并源源不斷開(kāi)辟應(yīng)用新領(lǐng)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(xiàn)性等功能于一身的多功能晶體材料，有光學(xué)“硅”材料之稱(chēng)，其透光范圍大，是制備可見(jiàn)和紅外波段光學(xué)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(jīng)相對(duì)成熟。本論文中采用同

11、成分化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體，同成分點(diǎn)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(xué)性質(zhì)，在633nm波長(zhǎng)下測(cè)得輻照層的近場(chǎng)光強(qiáng)分布分為兩層，具有明顯的界限。在4岬波長(zhǎng)的端面耦合測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)得快重氪離子輻照LiNbO3晶體的近場(chǎng)光強(qiáng)分布圖。利用顯微共聚焦微拉曼儀測(cè)得離子輻照層不同深度位置的拉曼譜線(xiàn)顯示拉曼峰的

12、位置和展寬等幾乎沒(méi)有變化，而拉曼峰的強(qiáng)度隨著離子遂穿路徑發(fā)生變化?；趯?shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，根據(jù)色散關(guān)系方程計(jì)算得到鈮酸鋰晶體在紅外波長(zhǎng)（4μm）的有效折射率值，結(jié)合SRIM模擬的能量損失曲線(xiàn)，重構(gòu)紅外波段折射率分布曲線(xiàn)。
　　硫系玻璃由相對(duì)原子質(zhì)量較大的原子（S，Se，Te，Ge，As，Sb等）組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較高的折射率和良好的紅外透過(guò)性，在民用、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)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(jiǎn)寫(xiě)為GGC20），實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　偏硼酸鋇(BaB2O4，BBO)晶體是我國(guó)科學(xué)家在1984年研制成功的具有國(guó)際影響力的人工晶體，具有大的雙折射率和非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)、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(zhì)子注入BBO晶體制備平面光波導(dǎo)。多能量離子注入制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠加寬光學(xué)位壘，使得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更好的限制光的傳輸。為防止注入過(guò)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(cè)試結(jié)果表明多能量質(zhì)子注入在偏硼酸鋇晶體上制備的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)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(xué)各向同性，具有化學(xué)穩(wěn)定好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率低和透光波段寬等一系

15、列的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集成光電子器件的制備和生產(chǎn)。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(jié)合光刻工藝在熔融石英上制備平面和條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，分別研究了633nm和1539nm波長(zhǎng)下傳輸特性以及退火過(guò)程對(duì)波導(dǎo)性質(zhì)的影響。對(duì)離子注入后的樣品進(jìn)行連續(xù)退火處理，退火溫度范圍為260℃～500℃。連續(xù)退火的結(jié)果表明多能量C離子注入的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)結(jié)構(gòu)在633nm和1539nm波長(zhǎng)下折射率增加的最大值分別為0.013和0.0125。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用多能量C離子注入熔融石英制備的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在633nm和1539nm波長(zhǎng)下形成了折射率增加的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，是典型“位壘+勢(shì)阱”型折射率分布，可以更有效限制光的傳輸。端面耦合測(cè)試結(jié)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(dǎo)結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)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