【摘要】：集成光路是高度集成化的光學系統(tǒng),將微型光源、光開關、分支器、定向耦合器、調制器和微型探測器等元件整合到同一塊光學芯片上,以實現(xiàn)光信號的收發(fā)、傳輸和處理。相比于傳統(tǒng)的光學系統(tǒng),集成光路的體積更小、重量更輕、造價更低廉、性能更穩(wěn)定。光波導是集成光路的基本元件,由折射率較低區(qū)域環(huán)繞折射率較高區(qū)域而形成,具有可與光波長相比擬的微米或亞微米量級的尺寸和多種多樣的形態(tài)結構�；谌瓷湓�,光場被封閉在波導中,只能沿著特定的方向傳輸。波導區(qū)域的空間極其狹小,因而其內部光場的功率密度容易達到很高的水平。某些基底材料原有的光學特性,諸如非線性、激光特性,在波導中將會有更優(yōu)異的表現(xiàn)。波導的品質關系到整個集成光路的性能和表現(xiàn),因此高質量波導的制備具有非同尋常的意義。制備波導首先需要選擇合適的基底材料,這些材料需要具備良好的光學和物理、化學性質,如高通透性、高損傷閾值、耐高溫、抗腐蝕、不易潮解。常用的材料種類包括單晶晶體、透明陶瓷、玻璃、半導體和有機聚合物。其次,波導的制備技術必須適用于所選擇的基底材料,只有這樣才能得到理想的波導結構。制備波導的原理,是在基底材料中引起折射率的變化,使波導區(qū)域的折射率大于周圍的環(huán)境。目前,相對成熟的制備技術有:薄膜沉積、外延生長、金屬離子擴散、離子交換、離子注入與離子輻照、脈沖激光寫入等等。離子注入和離子輻照不僅適用的材料種類齊全,而且具有較強的靈活性和可控性。然而,二者形成波導的機理卻不盡相同。一般來說,離子注入對基底材料折射率的改變,主要依靠離子在射程末端與目標材料原子核發(fā)生彈性碰撞所造成的結構性損傷。這種損傷通常會造成局部折射率下降,形成光位壘。波導位于位壘與樣品表面之間。離子輻照所采用的離子,相對原子質量≥6,能量≥1 MeV/amu,這種情況下,入射能量主要通過離子與目標材料電子之間的非彈性碰撞沉積到材料中,引起電子損傷并導致材料折射率的改變。本論文主要研究了離子注入和離子輻照對多種光學材料折射率的改造。通過選擇適當種類、能量、劑量的離子轟擊樣品表面,形成了平面光波導;再結合其它表面加工工藝,如飛秒激光燒蝕和金剛石切割技術,進一步得到了二維脊形波導和三維分支波導。分別表征了波導的導波特性,如傳輸模式和傳輸損耗,以及與基底材料有關的功能特性,如熒光特性、上轉換發(fā)射、非線性頻率轉化等。根據(jù)離子注入、離子輻照過程中的能量沉積情況合理地重建了波導中折射率的分布;模擬了光場在波導中的傳輸,并與測量結果作了對照。我們探索了一種調制鈮酸鋰晶體折射率的新方法,即通過氬離子輻照過程中的電子能量沉積作用在可變深度下制造光位壘。在此基礎上,得到了厚度不等的表面型波導和埋入型夾層波導。實驗中,我們利用非線性晶體的二階非線性極化效應,通過不同的相位匹配方式,包括雙折射相位匹配、非臨界相位匹配,在連續(xù)波和脈沖激光兩種機制下,實現(xiàn)了波導中二次諧波的有效輸出。本論文的具體內容包括:在Nd:SLG及Nd:SGG無序晶體表面,使用15 MeV碳離子輻照結合金剛石切割處理,得到了側壁相對光滑的脊型波導。測量了從633納米可見光到4微米中紅外波段的波導模式以及傳輸損耗,證明了波導良好的光場限制能力和出色的導波特性。此外,我們發(fā)現(xiàn)釹離子的熒光性能在波導中以較大程度保留了下來,為波導激光的產生提供了可能。在鉺鐿共摻雜磷酸鹽玻璃表面,使用飛秒激光燒蝕結合15 MeV碳離子輻照,制造了寬度不等的脊形光波導結構。分別測量了 633和1064納米波段的模式分布和傳輸損耗;并根據(jù)碳離子輻照的情況,構造了樣品表面的折射率分布。在980納米激光的激勵下,實現(xiàn)了脊形鉺鐿共摻雜磷酸鹽玻璃波導中綠光和紅光的上轉換發(fā)射。在磷酸氧鈦鉀(KTP)非線性光學晶體表面,使用15 MeV碳離子輻照結合精密金剛石切割工藝,制造了高質量(側壁粗糙度約為2納米)、低損耗(傳輸損耗約為1dB·cm-1)的脊形光波導。測量了 532和1064納米波段的波導模式,重建了脊形波導的折射率分布。通過拉曼散射光譜的比對分析了碳離子輻照對KTP晶體非線性的影響。以Ⅱ類雙折射相位匹配的方式,實現(xiàn)了波導中倍頻綠光的有效輸出。在1064納米脈沖激光泵浦下,最大二次諧波輸出功率和光轉換效率,分別達到了 110.9 W和12.4%。在砷酸氧鈦鉀(KTA)非線性晶體中,使用15 MeV氧離子注入結合飛秒激光燒蝕技術,制備了不同規(guī)格的脊型波導和Y分支型波導分束器。研究了波導在633和808納米波段的傳輸特性。發(fā)現(xiàn)波導的出射光功率,隨入射光偏振方向而變化;波導分束器的功率分配比例,由光束入射位置所決定。經過逐步的退火處理,波導的傳輸損耗顯著降低,導波性能得到改善。利用氬(Ar)離子輻照中的電子能量沉積作用,實現(xiàn)了對鈮酸鋰(LiNbO3)晶體折射率的調制,通過改變離子的入射能量,獲得了不同規(guī)格的表面型波導;并采用多能量輻照構建了埋藏于表面以下的夾層波導。研究了波導在1064納米波段的傳輸特性和非臨界相位匹配條件下的倍頻性能,并根據(jù)電子阻止能力隨深度的變化,合理地重建了波導中尋常光和非常光的折射率分布。
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山東大學博士學位論文逡逑２．１光波導基本理論逡逑２．１．１平面光波導逡逑一維光波導又稱平面光波導，一般包含三層折射率不同的介質，分別為波導逡逑、覆蓋層和襯底層，相應的折射率分別是《／、吻和其中波導層厚度通常逡逑在微米量級，，可與光波長相當；覆蓋層和襯底層的厚度遠大于波導層，可以看作逡逑無窮大介質［Ｍ］。平面光波導中，光場僅在ｘ方向受到約束，只有《／大于吻和《２逡逑時，光場才能通過分界面處的全反射限制在波導層中傳輸，形成導模。逡逑

山東大學博士學位論文逡逑ｉＳ５Ｅ５Ｓ５５５Ｓ５Ｓ５５５５５５Ｓ５５５５５５Ｓ５ｉＳｉ＾５＊＊＊ｉｉ＾ＳｉＳ５Ｓ＾＾５＾＾５Ｓ５５５５Ｈ５５５ＳＳｉ＾ＳＳｊ＊５ＳＨＳＨ５５ｉ５＾５Ｓ５Ｓ５Ｓ＾５５Ｓ＊＾Ｓ５Ｓ５ｉ５５逡逑所示，埋入型波導完全被襯底材料包圍，不與空氣接觸；嵌入型波導有一面與逡逑氣接觸，其余面被襯底包圍；脊形波導三面暴露在空氣中，一面與襯底相連［１４］。逡逑
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN252

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本文編號：2699317