本文關鍵詞：載能離子束輻照碳化硅及無序晶體的導波光學性質(zhì)　出處：《山東大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：集成光學是在20世紀的微電子學,以及后來的光電子學基礎上發(fā)展起來的一門新興學科,它采用集成的方法,來研究和發(fā)展光電子以及復合光電子學器件。眾所周知,傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)不僅體積龐大、穩(wěn)定性差,同時還具有光束的準直調(diào)節(jié)困難等特點,無法適應現(xiàn)代光電技術的發(fā)展,在1969年,貝爾實驗室的S.E.Miller博士提出了集成光學的概念,這一概念發(fā)展了光學以及微電子學的原有技術上的優(yōu)勢,它將之前傳統(tǒng)的由分立元器件組成的光電子學系統(tǒng)改良為集成光學系統(tǒng),主要研究將激光器、調(diào)制器等有源器件集成在同一襯底材料上,并用光波導、耦合器等器件將其連接起來組成微型光學系統(tǒng),這樣可以有效得到光學系統(tǒng)的小型化、集成化和薄膜化。其中光波導結構是集成光學的基礎部分,它是由折射率較低的區(qū)域包裹折射率較高區(qū)域組成的,依賴于光束的全反射原理來限制光波的傳輸,利用己報道的多種不同的波導制備方法,可以制作出具有不同結構的光波導,如平面光波導、通道光波導等。對實際應用來說,制備結構完美且靈活的光波導是十分必要的,晶體材料的種類繁多,結構復雜,制備晶體波導的方法也各有特點。到目前為止,人們已經(jīng)利用多種技術在晶體材料上制備光波導結構,載能離子束輻照技術在光學材料上制備平面光波導。載能離子束輻照技術是一種“物理”的光波導制備方法,不依賴于材料本身的化學屬性。它利用一定能量的帶電離子注入到晶體材料的表面,離子在進入材料以后與靶材料原子核或電子之間發(fā)生相互碰撞而失去能量,引起靶材料晶格結構損傷,并進一步使其折射率發(fā)生改變,從而形成光波導結構。通常的輕離子注入,一般采用H或He離子,而快重離子輻照技術是采用所謂的重離子,(比如C、N、O離子等),能量大于1MeV/amu。該方法最顯著的優(yōu)點是材料適用性較為廣泛,再結合激光刻蝕技術或精密金剛石刀切割技術,可以較好的制備二維通道光波導結構。本論文是利用載能離子束輻照技術在4H-SiC晶體與無序晶體上制備平面光波導結構,而后采用飛秒激光刻蝕或精密金剛石刀切割技術進一步微加工成二維脊型光波導,研究波導結構的導波特性,其中包括波導的折射率分布、傳輸模式、傳輸損耗、微拉曼光譜與微熒光等性質(zhì),根據(jù)制備材料的不同將本論文研究工作及結果歸納如下：利用快重離子輻照技術在4H-SiC晶體上制備平面光波導結構,接下來采用飛秒激光刻蝕在平面波導上刻蝕出四條不同參數(shù)下的脊型光波導結構。通過實驗測量發(fā)現(xiàn),脊型光波導結構在632.8nm下能較好的限制光波的傳輸,且光波導最大的透射波長在900nm左右,同時利用單次掃描技術獲得的脊型光波導擁有最低的傳輸損耗值,為5.1dB/cm。通過實驗獲得的拉曼光譜圖表明,相比于襯底區(qū),波導區(qū)晶體材料的拉曼峰發(fā)生了一定的紅移。利用快重離子輻照技術結合精密金剛石刀切割技術在Nd:CNGG晶體上制備脊型光波導結構,通過實驗測量發(fā)現(xiàn),脊型光波導結構在632.8nm下的傳輸損耗值低至3.8dB/cm,其微拉曼光譜圖和熒光圖均顯示碳離子輻照沒有引起波導區(qū)晶格結構的改變,同時研究波導的熱穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),波導的晶格結構在260℃以下溫度都是相對穩(wěn)定的。利用離子注入技術在Nd:BaLaGa3O7和Nd:SrLaGa3O7晶體上制備平面光波導結構,接下來采用精密金剛石刀切割在平面波導上刻蝕出脊型光波導。通過實驗發(fā)現(xiàn)波導結構在可見光與近紅外波段均能較好的限制光波傳輸,并且在1550nm下可以實現(xiàn)波導結構的單模傳輸。在632.8nm下,Nd:BaLaGa3O7和Nd:SrLaGa3O7兩種晶體的傳輸損耗最低值分別為1.6dB/cm和2.5dB/cm。波導區(qū)的拉曼光譜圖顯示,碳離子注入不會改變無序晶體的晶格結構。
[Abstract]:In twentieth Century the integrated optics is a new subject in microelectronics, optoelectronics and later development of the foundation, it uses the integrated method to the research and development of optoelectronic and composite optoelectronics devices. As everyone knows, the traditional optical system not only large volume, poor stability, but also has the characteristics of difficult adjusting collimation beam, unable to adapt to the the development of modern photoelectric technology in 1969, Dr. S.E.Miller Baer laboratory proposed the concept of integrated optics, the concept of the development of the original optics and microelectronics technology on the advantages, it will traditional is composed of discrete components of the system for the improvement of Optoelectronics integrated optical system, mainly studies the active devices such as integrated laser modulator on the same substrate material, and optical waveguide coupler will connect the micro optical system The system, which can effectively get the miniaturization of the optical system, the integration and the films. The optical waveguide structure is a fundamental part of integrated optics, which is composed of a refractive index region coated low refractive index region consisting of high transmission, the principle of total reflection depends on the beam to limit light, waveguide fabrication methods the reported use of different, you can create a different optical waveguide structure, such as planar optical waveguides, channel waveguide. In practical application, preparation of optical waveguide structure, perfect and flexible is very necessary, many types of crystal materials, complex structure, preparation method of crystal waveguides also have features. So far, people have been using a variety of preparation technology of optical waveguide structure in the crystal material, energetic ion beam irradiation preparation of planar optical waveguides in optical materials. Energy ion beam irradiation technology is a kind of" Optical waveguide preparation method of physical, chemical properties do not depend on the material itself. It uses the energy of charged ions into the surface of crystal materials, and target material ions between nuclei or electrons in the material into the collide and lose energy caused by the lattice structure of target material damage, and to further its refraction the rate of change, thus forming a waveguide structure. The light ion implantation usually, generally use the H or He ions, and fast heavy ion irradiation technology is the use of so-called heavy ions, (such as C, N, O ions), the advantages of energy greater than 1MeV/amu. this method is the most significant materials widely applicability, and combined with laser etching technology or precision diamond cutting technology, can better prepare two-dimensional channel waveguide structure. This paper is the use of energetic ion beam irradiation preparation plane in 4H-SiC crystal and disordered crystal body Optical waveguide structure, and then by using femtosecond laser etching or precision diamond knife cutting technology further micro machining into two-dimensional ridge waveguides, guided wave characteristics of waveguide structure, including waveguide refractive index distribution, transmission mode, transmission loss, micro Raman spectroscopy and micro fluorescence properties, according to the preparation of different materials will be the research works and results are summarized as follows: the use of fast heavy ion irradiation technology fabricated on 4H-SiC crystal planar waveguide structure, then by using femtosecond laser etching etched ridge waveguide structure four under different parameters on planar waveguide. Through experimental measurement shows that the ridge waveguide structure can limit light transmission good at 632.8nm, and the maximum optical waveguide transmission wavelength at about 900nm, while using a single scan technique of ridge waveguide has the lowest transmission loss value is 5.1dB/c Raman spectra of M. obtained from experiments show that compared to the substrate, the occurrence of certain redshift Raman waveguide region crystal materials. By fast heavy ion irradiation combined with precision diamond cutting technology on Nd:CNGG crystal preparation of ridge waveguide structure, through experimental measurement shows that the transmission loss of ridge waveguide structure under the 632.8nm value as low as 3.8dB/cm, the micro Raman spectra and fluorescence map showed that carbon ion irradiation did not cause the change of the lattice structure of waveguide, thermal stability and study of waveguide, the waveguide lattice structure is relatively stable at 260 degrees centigrade. The injection preparation technology of planar optical waveguide structures in Nd:BaLaGa3O7 and Nd:SrLaGa3O7 crystal by ion, followed by diamond knife etched ridge waveguides on planar waveguide. Through the experiment of waveguide structure in visible light and The near infrared band can limit light transmission effectively, and can realize single-mode waveguide structure in 1550nm. In 632.8nm, Nd:BaLaGa3O7 and Nd:SrLaGa3O7 two crystal transmission loss values were the lowest Raman spectra of 1.6dB/cm and 2.5dB/cm. waveguide region that does not change the crystal lattice structure of disordered carbon ion implantation.

【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN252

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本文編號：1425791