透明光学材料中的光子导波微结构：制备与特性研究

【摘要】光子微结构是能够控制光子运动的微米、亚微米量级的结构,是目前国际上光学研究领域的前沿和热点之一,它通过人工方法在均匀的光学材料引入折射率的变化来调制光在结构中的传输模式,从而实现光学信号的传递、放大、探测、传感等,在光通信、计算和超快速信息处理等领域具有广泛的应用前景。在光学材料中,将多种功能的光子微结构结合在一起制备具有整体功能的光子集成芯片,可以实现光学器件的小型化、集成化。因此,制备高性能的功能光子微结构是实现光子集成芯片的基础。目前,应用于制备光子微结构的方法主要有载能离子束注入、飞秒激光写入、聚焦离子束刻蚀、离子交换等,运用这些制备方法已经在多种材料上实现了不同功能的光子微结构,例如多层介质膜、光波导、光学微腔、光子晶体等。多层介质膜在一维方向上存在折射率突变,对于不同波长的光通过折射率的突变以及介质膜的厚度对光的传输进行调制,对特定波长的光可以增强透射或者反射；光波导是一种由低折射率区域包裹高折射率区域,光在界面上发生全反射被限制在微小区域内传输的光学结构；光子晶体是一种人造的具有光子带隙特性的结构,它通过人工的引入周期性的折射率变化对光在结构中的传输进行调制；光学微腔是一种尺寸在微米或者亚微米量级的光学谐振腔,它利用在不均匀界面上光传播的反射、散射或衍射等效应,将光长时间限制在特定空间内传输的微小器件。载能离子束注入是一种成熟的材料表面改性技术,其主要依靠载能离子与材料的相互作用在衬底材料中沉积能量,导致材料的结构发生变化,从而引起折射率改变。该技术已经成功的在多种光学材料中制备了光波导结构,例如玻璃、单晶、多晶陶瓷、聚合物、半导体材料等。此外,利用聚焦的载能离子束写入光学材料可以实现材料折射率的微区改变,从而可以省去复杂的光刻、掩膜工艺,制备的通道光波导结构的对称性也比较高；飞秒激光写入采用高光密度的近红外飞秒脉冲激光与透明光学材料相互作用,产生非线性吸收改变透明光学材料的结构,引起材料的折射率变化,该技术适用于大部分透明光学材料,折射率变化形式根据写入条件和材料性质的不同主要分为两种：一种是在飞秒脉冲激光写入区域折射率降低,人们通常写入两条飞秒烧蚀痕迹,痕迹包裹的区域形成通道光波导,另一种是在飞秒激光写入区域折射率增加,在烧蚀区域形成对称性较高的通道光波导结构；聚焦离子束刻蚀技术是将高能带电离子聚焦到样品加工区域,通过高能带电离子的动能对样品加工区域进行轰击,将样品表面的原子从样品表面分离出去,达到对样品进行加工的目的,该技术适用于各种材料,是加工光学微腔以及光子晶体等光子微结构的有效手段,与载能离子束注入等材料改性技术相结合,可以制备出功能更加复杂多样的光子微结构；离子交换借助于离子置换反应将样品中的离子与溶液中的离子进行交换,从而在样品表面形成一层高折射率的区域,从而形成光波导结构。光子微结构依靠折射率的变化对光信号进行调制,因此样品制备方法对材料折射率的精确改变至关重要,这直接影响到光子微结构的光学性质,所以研究光子微结构的制各及其导波特性具有重要的意义。本文主要研究了透明光学材料中波导、光子晶体微腔结构的制备方法和特性,利用飞秒激光写入在ZnS、Nd:YAG、KTP晶体中制备双线型或包层光波导结构,利用载能离子辐照技术结合金刚石刀精密切割技术在ZnS晶体中制备脊型光波导结构,利用聚焦质子束写入技术在GLS玻璃中制备通道光波导结构,使用端面耦合装置测试在不同波长条件下光在波导结构中的传输模式以及传输损耗,通过测量波导的数值孔径获得波导的最大折射率变化,进行波导区域的折射率重构,并使用有限差分光束传播方法(FiniteDifferenceBeamPropagationMethod,FD-BPM)对波导的传输模式进行模拟计算,并与实验结果进行对比；利用载能离子束注入技术结合聚焦离子束刻蚀技术在Nd:YAG晶体中制备了光子晶体微腔结构,使用棱镜耦合装置对离子注入层的暗模特性进行分析,利用Rsoft软件中的BandSOLVE1.3模块来计算光子晶体结构的带隙情况,使用扫描近场光学显微镜(SNOM)测量该光子晶体微腔结构的近场光强分布,使用共聚焦显微镜对结构区域的荧光性质进行分析。主要结果如下：硫化锌(ZnS)是一种性能优良的中红外光学晶体,其机械性能优良,不易潮解,化学稳定性良好。使用飞秒激光写入技术在ZnS晶体上制备了双线型通道光波导,在632.8nm波长下,对不同制备参数的波导结构进行导波模式分析和损耗对比,发现了各制备条件对波导导波特性的影响情况,获得了优化飞秒激光写入波导质量的途径；利用飞秒激光写入技术在ZnS晶体中制备了不同尺寸的圆形包层光波导,在中红外波长下(-4gm)测试其导波特性,其中在直径-50μm的包层波导结构中以单模模式传输,通过测量该波导结构的数值孔径获得波导区域的最大折射率差,重构其折射率分布,并使用FD-BPM对该波导结构的传输模式进行模拟计算,与实验结果基本一致,测得的包层光波导的传输损耗最小为-1.1dB/cm；使用载能碳离子辐照ZnS晶体表面形成平面光波导,结合金刚石刀精密切割技术对样品表面进行切割,在平面光波导结构上制备了宽度为-30和-45μm脊型光波导结构,在632.8nm波长下对脊型波导结构的传输模式进行分析,并测量了波导的传输损耗。钇铝石榴石(Y3A15012或YAG)晶体是一种机械性能和透光性质优异的光学材料,使用飞秒脉冲激光写入技术在YAG晶体中制备了圆形包层光波导,利用端面耦合装置测试了在中红外波长(-4μm)条件下波导结构的传输模式,通过测量波导结构的数值孔径获得波导区域的最大折射率改变,重构其折射率分布,使用FD-BPM计算获得其传输模式,与实验结果基本一致,测量了在TE和TM偏振下该波导结构的传输损耗,最小为-0.7dB/cm。掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体保留了钇铝石榴石晶体的优异光学性质,同时也是一种性能优良的激光晶体。使用载能离子束注入技术在Nd:YAG晶体形成平面光波导结构,使用棱镜耦合装置测试其暗模特性,利用聚焦离子束刻蚀技术对波导层进行加工制备了光子晶体微腔结构,使用SNOM测试该结构的近场光强分布,532m的光在结构中心缺陷处近场光强获得了增强,-30%,这表明该结构可以将532nm的光限制在结构中心缺陷处传输,532nm波长位于光子晶体带隙波长范围中,同时也表明了该结构可以限制波长为1064nm(532nm的一阶带隙波长)的光的传输,使用共聚焦荧光显微镜测量了该结构区域的荧光强度分布,获得了-5%的不在带隙波长范围内的938nm的荧光增强,这是由于1064nm和938nm荧光发射峰都是由Nd3+的亚稳态电子能级4F3/2产生的。实验结果表明该光子晶体微腔结构可以用于降低波导激光阈值,增大波导激光输出功率,提高波导激光的效率。磷酸钛氧钾(KTiOPO4或KTP)晶体是一种性能优良的非线性光学晶体,其非线性系数大、热导率大,不吸潮、不潮解,透明范围较大,机械性能良好。使用飞秒激光写入技术在KTP晶体中制备了不同尺寸的半圆形包层光波导结构,利用端面耦合装置测试了TE和TM偏振的中红外波长-4μm激光在半圆形包层光波导结构中的传输模式,为单模或者多模传输,并测量了该包层光波导结构的传输损耗,最小为-0.4dB/cm。硫化镓镧(GaLaS或GLS)玻璃是一种新型的具有优异光学性能的硫族化物半导体材料,在红外波段具有很高的透过率,具有较高的折射率,物理、化学性质以及机械性能优良。利用聚焦质子束写入技术在GLS玻璃中制备了不同注入条件的通道光波导结构,测试了635nm、1064nm、1310nm以及1550nm的光在波导结构中的传输模式及导波特性,并测量了不同剂量下各个波长的光在波导结构中的传输损耗；通过测量波导的数值孔径获得了波导区域的最大折射率差,并重构了波导结构区域的折射率分布,使用FD-BPM模拟计算了1310nm和1550nm的波导传输模式,与实验结果对比,基本一致。
【作者】安强；
【导师】陈峰；
【作者基本信息】山东大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】光子微结构；光波导；离子注入；聚焦质子束写入；飞秒激光写入；聚焦离子束刻蚀；

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