加载型光波导和新型纳米材料的制备与研究
从20世纪末开始集成光学得到了迅速发展,它可以将多个微纳光学元件集成在同一块衬底材料,形成多种功能的小型、微型光学器件,在信息通信、生化传感及环境检测等领域有着广泛的应用。光波导作为集成光学的基本元件是信号传输的通道、各器件连接的桥梁。目前,在集成光学器件中常用到的波导结构有平面光波导、通道(条形,脊型)光波导,从而实现对光在不同维度下的限制,使光学器件高度集成化。此外,一种新型结构的光波导,即加载型光波导,在集成光学领域也引起了极大的研究兴趣。加载型光波导是由一个低折射率条形材料作为覆盖物加载到具有高折射率的平面波导...
从20世纪末开始集成光学得到了迅速发展,它可以将多个微纳光学元件集成在同一块衬底材料,形成多种功能的小型、微型光学器件,在信息通信、生化传感及环境检测等领域有着广泛的应用。光波导作为集成光学的基本元件是信号传输的通道、各器件连接的桥梁。目前,在集成光学器件中常用到的波导结构有平面光波导、通道(条形,脊型)光波导,从而实现对光在不同维度下的限制,使光学器件高度集成化。此外,一种新型结构的光波导,即加载型光波导,在集成光学领域也引起了极大的研究兴趣。加载型光波导是由一个低折射率条形材料作为覆盖物加载到具有高折射率的平面波导上构成的。由于加载型光波导的大部分能量都限制在平面波导的薄膜区域,加载条的边缘粗糙度对于矩形薄膜波导的影响很小,因此制备加载型光波导比较容易。光波导利用材料本身声光效应、电光效应、非线性效应等特性,实现对光的调制,从而形成不同功能的光学器件。光波导的性能直接决定着光学器件质量的优劣,低损耗光波导的制备与波导光学性能的研究一直是集成光学重要的研究课题。
  铌酸锂晶体(LiNbO3,LN)由于具有优异的电光、声光、铁电、压电、光折变、非线性等特性,机械性能稳定以及经过不同元素掺杂后表现出不同的特性,因此铌酸锂晶体作为波导材料在光电领域得到了广泛研究和应用。近年来,利用键合技术制备的单晶铌酸锂薄膜(Lithium niobate on insulator,LNOI)为集成光学提供了良好的平台。LNOI本身就是平面波导结构,除了具有铌酸锂晶体优异的物理特性外,还具有大的折射率差,限光能力强,阈值低等特性,能够极大的提高光学器件的集成程度。目前已报道了一些在LNOI上制备的集成光学器件,如电光调制器、光子晶体谐振腔、微盘谐振腔等,LNOI作为集成光学中最有价值的新型材料之一,正在迅速发展。
  迄今为止光波导的制备可以通过多种方式实现,常用的方法包括离子注入、离子交换、薄膜沉积、金属离子热扩散、飞秒激光直写等。金属热氧化法也是一种制备波导结构的有效简单的方法。该方法是将覆盖有金属薄膜的样品放在退火炉中,流动的氧气环境下高温加热生成金属氧化物薄膜,从而金属氧化物薄膜和衬底之间形成波导结构。该方法不仅简单易控,而且利用该方法生长的薄膜比直接溅射生成的金属氧化物薄膜更加致密,含氧量高。金属热氧化法与光刻技术相结合,可以制备出加载型、光栅等结构复杂的二维光波导。本文主要利用金属热氧化法在铌酸锂单晶薄膜上制备加载型光波导。
  Mode Solution是一个拥有本征模计算引擎的仿真软件,它能精确的模拟波导结构所支持的模式,是一款设计、分析、优化波导结构的理想工具;特征模式计算引擎可以计算任意形状波导中导模的物理特性;其所运用的2.5D计算引擎可以快速精确的仿真光在二维光学器件中的传输,如以脊型光波导为基础的光学器件、结构更加复杂的光子晶体和环形谐振腔等;特征模式展开法EME可以仿真模拟长传播距离的波导器件,例如波导耦合器、楔形波导等。本文主要利用Mode Solution软件模拟波导的传输特性。
  新型的纳米材料,尤其是多孔空心材料由于独特的笼状构型能够产生奇妙的微观“包裹”效应,使其具有优异的光、电、磁、传感及吸附等特性。有效调控空心结构,可以使纳米材料在可见-近红外区域能够实现较低的光吸收,为探索出基于微纳米结构的新型光波导器件奠定基础。此外,笼状结构具有更大的比表面积在超灵敏的生物荧光标记、荧光传感器件、超活性催化剂等新型功能材料研发领域具有极其重要的研究意义。因此高效地可控合成新型纳米材料越来越受国际人员关注。高功率脉冲激光烧蚀技术具备超快速的光与材料物质相互作用特性,由于独特的热力学非平衡态能够产生高温(~104度)高压(~10Ga)等离子体团簇,使得高熔点、难电离的金属元素瞬间(~10-10s)离化至高能态。并且,该项技术具有操作简便、环保、低成本、高效快捷等优势,因此在制备多形态纳米材料领域取得了令人鼓舞的研究成果。本文主要利用激光液相烧蚀技术制备新型纳米材料。
  本文主要研究金属热氧化法在铌酸锂(LiNbO3)、LNOI材料上形成光波导;研究波导的传输模式、传输损耗;利用Mode Solution软件模拟研究了加载型光波导不同的结构参数对光传输特性的影响。实验和模拟结果将尝试合成新型ZnO纳米空心材料和ZHDS有机/金属纳米片材料,并研究了紫外-可见-近红外光吸收及光致发为集成光学器件的发展提供新思路。其次,初步光等特性。实验结果为调控制备纳米空心材料及有机/金属纳米材料开辟新思路,为可控合成更为复杂的纳米结构奠定了基础。主要研究结果如下:
  1.单晶铌酸锂薄膜加载型光波导的理论模拟
  我们通过Mode Solution软件模拟研究了1550 nm波长下z切LiNbO3平面光波导的单模条件,其中二氧化钛覆盖层的厚度为100nm。在铌酸锂平面光波导单模条件的范围内,分别研究了不同铌酸锂层厚度和不同二氧化钛条厚度下单晶铌酸锂薄膜加载型光波导的单模条件。其结果与Marcatili法分析的结果一致,并通过传播常数证明了TM模和TE模之间存在TM(→)TE耦合现象,TM模式存在光泄漏现象,为实验以及光波导器件的设计提供了依据。
  利用Mode Solution模拟软件分别研究了在1550nm波长下二氧化钛加载条的宽度和厚度分别与z切铌酸锂加载型波导模式大小和光强分布的关系。其结果表明加载型光波导限光性能强,可以获得较小的波导模式,当二氧化钛加载条的宽度在1μm附近时,波导TE/TM模均可获得极小的波导模式。二氧化钛加载条的厚度对波导模式大小也有影响,适当增加二氧化钛加载条的厚度可以形成较小的波导模式。当二氧化钛条的厚度小于100nm时,TE模式和TM模式的导模限制在铌酸锂波导层中的光均在90%以上。
  2.二氧化钛薄膜和单晶铌酸锂薄膜的研究
  采用直接热氧化金属钛的方法,500℃氧气环境下,在z切铌酸锂样品上制备了二氧化钛平面光波导。通过棱镜耦合法测量了二氧化钛平面光波导的暗模特性。通过椭圆偏振法测量了薄膜的折射率n和消光系数k,薄膜折射率与棱镜耦合法所测结果一致。在相同的条件下在LNOI样品上制备了二氧化钛平面光波导,利用SIMS技术检测了TiO2/LNOI样品中Ti元素随着深度分布,证明在500℃高温退火过程中Ti元素没有明显向铌酸锂薄膜中扩散。
  通过棱镜耦合技术检测了LNOI样品的暗模特性,其对应的各阶模的有效折射率与利用Mode Solution软件模拟的结果相接近,这说明利用键合技术制备的单晶铌酸锂薄膜样品完全保留了铌酸锂晶体的特性。
  3.单晶铌酸锂薄膜加载条型光波导的研究
  利用直接热氧化金属钛的方法,500℃氧气环境下,在z切LNOI样品上成功制备了加载条型光波导,其中铌酸锂薄膜厚度为660nm,二氧化钛加载条厚度为95nm。通过端面耦合装置获得了铌酸锂加载条型光波导1550nm波长下传输模式,并与模拟结果进行了比较。利用Pabry-Perot法测量了TE/TM模式的传输损耗,并分析了引起损耗的原因。
  为了制备出低损耗的波导,我们研究了波导的单模条件,对于z切的LNOI通过模拟得到,当铌酸锂薄膜的厚度小于570nm时,TM偏振条件下,只有一个导模在波导中传输,为了减小模式耦合引起的损耗,我们减小了铌酸锂薄膜的厚度,采用了铌酸锂薄膜厚度为500nm的LNOI样品。利用直接热氧化金属钛的方法,500℃氧气环境下,在z切LNOI样品上成功制备了低损耗加载条型光波导,其中铌酸锂薄膜厚度为500nm,二氧化钛厚度为100nm。通过端面耦合获得了铌酸锂加载型光波导632.8nm波长下传输模式。利用Pabry-Perot法测量了1550nm波长下TE/TM模式的传输损耗,TE模式的传输损耗为1.72dB/cm,TM模式最小损耗为0.15dB/cm,这说明该波导结构在近红外光通信领域有重要的应用价值。
  4.单晶铌酸锂薄膜上Y分支光波导的研究
  利用Mode solution研究了1550nm波长下波导传输损耗和弯曲半径之间的关系,当弯曲半径大于500μm时,弯曲损耗近似为0。通过Rsoft软件研究了Y分支结构传输功率和二氧化钛加载条厚度之间的关系,当加载条厚度在70nm附近时,Y分支结构传输功率最大。利用直接热氧化金属钛的方法在LNOI样品上成功制备了加载型Y分支铌酸锂波导,利用端面耦合装置研究了波导的传输特性,对于宽为2μm的Y分支波导在TE偏振和TM偏振条件下均获得了较高的透射率(80%~94%)。
  5.可控合成新型纳米材料的研究
  利用氨水溶液的碱性刻蚀机制,在氨水与去离子水浓度比为1∶7的溶液中,激光液相烧蚀Zn靶制备出了ZnO纳米空心材料。提高氨水浓度到1∶5,ZnO空心链状结构的孔隙和内部空心都明显变大。紫外-可见吸收光谱结果证实这种新型的ZnO空心结构在可见光范围内呈现出较低的光吸收特性。以高浓度的SDS表面活性剂为软模板,激光液相烧蚀技术调控制备柳叶状的ZHDS有机/金属纳米片结构,通过高能电子(100KeV)辐照,获得空心多孔的有机金属化合物。相比于ZnO纳米球,这种有机/金属纳米片在417nm处有显著的光致发光特性。我们分析这种高效荧光特性与Zn-OH(羟基)微观结构有密切关系。
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作者: 李爽
学科专业: 凝聚态物理
授予学位: 博士
学位授予单位: 山东大学
导师姓名: 王克明 胡卉
学位年度: 2016
语 种: chi
分类号: TN252 TB383
在线出版日期: 2016年10月20日