离子注入光学晶体之辐射与光波导效用概述

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1、离子注入光学晶体之辐射与光波导效用概述第一章绪论1.1集成光学与光波导集成光学是由于光通信和光学信息处理等的需要，在激光技术发展过程中逐步形成和发展起来的一门学科，它主要研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化。集成光学通过将不同功能、不同集成度的光路集合在一起，从而实现光学信息处理系统的集成化与微小型化[1]。由于光波波长非常短，比波长最短的无线电波还要短四个数量级，所以它的信息传递和处理的能力更大。然而传统的光学系统具有一些缺点，比如体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难等，这些缺点都会限制光电子

2、技术的发展。为了解决这些光学系统的问题，我们可以采用一种类似于半导体集成电路的方法，将光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上。这样可有体积小、效率高、功耗低、性能稳定可靠、使用方便等优点[2]。在集成光学中，光波导器件作为导入、传输或输出承载信号的光波的器件，是集成光学系统的基础和核心。光在折射率不同的介质分界面上会发生全反射，利用这种全反射现象将光波限制在波导及其周围有限区域内传播，这就是光波导的原理[3]。..1.2光学材料异质结构的形成方法光学晶体异质结构是将不同性质的光学单晶结合在一起，可以实现单一

3、晶体无法实现的特殊性能，在光电集成和全光器件研究领域具有巨大的应用潜力。随着光学元件逐渐代替电子器件应用于光信号处理中，将更多的光学器件集成到一个芯片里成为当今的研究热点。相较于电子器件，光子器件具有很多的优点，比如较大的运行带宽，波分复用，没有电磁干扰等。在过去的几年中，研究人员努力研制鞋片上的光子芯片[42]，由于绝缘材料上绑定较大尺寸的娃片薄膜技术的成熟，以及先进的半导体工艺为制作微米或纳米结构的光子器件提供了可行的方法，使得基于桂片的光子器件发展迅速。在基于光子线[42,43]和光子带隙结构[4

4、4]的高度集成的光学器件中，拥有较大折射率差的光波导结构是制作这种器件的关键。这种光波导结构可以通过将单晶薄膜嵌入在拥有较低折射率的介质材料中而形成。因此，为了制作这种光波导结构，研究人员尝试了很多种方法技术，例如：化学气相沉积[45]，分子束外延[46]，脉冲激光沉积[47]，溶胶凝胶[48]等等。但是这些方法都不能制作出单晶性较好的薄膜材料，并且外延生长方法由于晶格匹配的限制会对衬底材料的特性有严格要求。目前，离子注入与绑定技术相结合剥离材料薄膜的方法可以制作出较好的单晶特性的材料薄膜，引起了研究人

5、员的关注。这种方法简称smart-cut（智能切割），它最先被发现可用于制作娃材料薄膜并绑定在绝缘材料上[49]。smart-cut方法的基本原理和方法是：将低能量、大剂量的轻离子（如He离子或H离子，剂量范围是：10i6~10i7ioris/cm2)注入到材料中[50],注入完成后将样品材料清洗干净并用环氧树脂胶或直接键合的方法与衬底材料绑定在一起，衬底材料可以选择Si02和其他光学晶体，也可以用Si材料做衬底。第二章实验方法2.1离子注入技术离子注入是在真空系统中将注入的离子加速注入进材料中，从而在

6、离子注入区域形成一个具有特殊性质的表面层[1,2]。其基本原理是将离子从离子源中射出并加速射向样品表面，进入表面的离子与材料中的原子发生碰撞，在其射程前后和侧面激发出一个痕迹，射入材料内部。被撞离的原子会再与其它原子发生碰撞，这样的相继碰撞会在材料中形成一个有很多间隙原子和空位的区域（如图2.1.1所示）[3]。这样就在材料表面下形成了由注入元素和结构损伤组成的表层。离子和损伤的分布都符合高斯分布。离子注入的基本特点有：(1)掺杂元素基本可以是各种元素，并且掺杂浓度是常规方法无法达到的。离子注入还可以掺

7、杂一些常规方法不能掺杂的元素。(2)离子注入可实现纯净掺杂，因为其在真空系统中进行。另外，为了保证较高纯度的掺杂离子，我们使用高分辨率的质量分析器。(3)可以自由选择注入离子时衬底的温度。既可以高温掺杂也可以低温或室温掺杂。这点有很高的应用价值。(4)可以精确控制注入离子的浓度和深度分布。通过精确测量和控制积累的束流和加速电压，从而决定注入离子的数目和深度。(5)可以实现大面积均勻的注入。通过束流扫描装置可以保证大面积的掺杂均勻性。(6)可以将离子注入掺杂深度调控到很小，可以在1pm以内。..2.2卢瑟

8、福背散射/沟道分析技术当具有一定能量的离子束入射到祀材上，大部分入射离子会穿透进材料中，只有小部分的离子在足够靠近紀核时，由于库伦力的排斥作用，与祀核发生大角度的弹性散射，我们将从紀材表面返回的散射离子称为背散射离子。相比较于其它材料分析技术，背散射分析方法简便、可靠，可以不依赖于标准样品而获得定量的分析结果，不用破坏样品的宏观结构就可以得到深度分布信息。背散射分析与弹性反冲分析相结合，能将样品中从轻到重的各种元素分析测量出；而与沟道技术相