1、光波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本單元，集成光學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容是以光波導(dǎo)現(xiàn)象為基礎(chǔ)的光學(xué)和光子系統(tǒng)。光波導(dǎo)因其優(yōu)良的性能、高集成化以及低廉的生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代光通信中起著非常重要的作用。由于其重要的應(yīng)用，研究人員一直探索用多種方法在各種材料上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。新型光波導(dǎo)材料的發(fā)展不僅取決于材料工程的工藝水平，也離不開(kāi)性能優(yōu)良的材料的支持以及對(duì)這種材料的各方面的基礎(chǔ)研究，材料的特性決定了其應(yīng)用屬性。因此就產(chǎn)生了包括固體材料的導(dǎo)電性、光學(xué)特性及熱學(xué)特

2、性等一系列與電子學(xué)和光電子學(xué)有關(guān)的研究課題。氧化鋅是一種纖鋅礦寬禁帶半導(dǎo)體材料，在常溫下Eg=3.437eV，氧化鋅在發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、壓敏電阻以及透明導(dǎo)電膜等方面具有廣泛的應(yīng)用，這大部分應(yīng)用僅需要多晶材料，而最近成功生長(zhǎng)出大體積高質(zhì)量的單晶氧化鋅晶體使得生產(chǎn)藍(lán)光及紫外發(fā)光器件和高功率晶體管成為可能。氧化鋅作為光發(fā)射器的最大的優(yōu)點(diǎn)就具有較大的激子結(jié)合能(Eb=60MeV)，氧化鋅的激子結(jié)合能是氮化鎵材料的三倍，并且氧化鋅與其他材料

3、如硅、砷化鎵、硫化鎘以及氮化鎵相比，具備很強(qiáng)的抗輻照能力，這種特性使得氧化鋅在航空領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)和潛在的應(yīng)用。氧化鋅中光學(xué)泵浦紫外激光在低溫和高溫條件下均已實(shí)現(xiàn)，雖然電致激光效率還需要通過(guò)生長(zhǎng)高質(zhì)量的p型ZnO材料的方式來(lái)有進(jìn)一步提高。氧化鋅和氮化鎵在光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)以及帶隙(在常溫下氧化鋅為3.4eV，氮化鎵為3.5eV)和晶格常數(shù)都非常的類似，所以在過(guò)去的幾年里很多科研人員預(yù)測(cè)氧化鋅很可能成為下一代最主要的光電子材料。而且氧化鋅晶體具

4、有60MeV激子束縛能，是氮化鎵的兩倍，在室溫下基于氧化鋅材料的紫外激光或紫外激光二極管和探測(cè)器具有更高的工作效率。
　　 由于光波導(dǎo)具有非常重要的使用價(jià)值，人們一直探索著各種方法來(lái)制備高性能的光波導(dǎo)，目前常用來(lái)制備光波導(dǎo)的方法有外延生長(zhǎng)、擴(kuò)散、離子交換和離子注入等。外延生長(zhǎng)技術(shù)的基本原理就是在低折射率的襯底材料上生長(zhǎng)一層高折射率的薄膜，但這種技術(shù)有自身的不足，最主要的缺點(diǎn)就是在外延薄膜和襯底材料的交界面上由于晶格不匹配而導(dǎo)致散

5、射損耗比較大。擴(kuò)散或離子交換的原理是用化學(xué)方法使襯底表面的折射率升高，這就使波導(dǎo)區(qū)域受到污染，擴(kuò)散過(guò)程中波導(dǎo)層中出現(xiàn)其它雜質(zhì)離子或者離子交換過(guò)程中襯底的組分發(fā)生變化必然會(huì)影響襯底材料的晶格結(jié)構(gòu)。而離子注入技術(shù)會(huì)克服以上缺點(diǎn)。
　　 離子注入技術(shù)是材料表面改性的一種有效方法，它可以精確控制摻雜離子的橫向和縱向濃度分布，而且材料改性可以在任何需要的溫度下進(jìn)行。離子注入可以使得離子射程末端的晶格部分損傷，從而形成一個(gè)折射率比襯底折射率

6、低的光學(xué)位壘層，光學(xué)位壘層和材料表面包裹的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光就可以在其中進(jìn)行傳播。離子注入可以在各種非線性材料、電光材料及激光材料中形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　 由于稀土離子，特別是Tm3+離子摻雜的材料在集成光學(xué)或光通信系統(tǒng)中具有很廣泛的應(yīng)用潛力，近幾年來(lái)一直受到人們的關(guān)注。三價(jià)Tm3+離子具有未填滿的4f殼層，4f電子被已填滿的5s和5p殼層電子所屏蔽，所以基質(zhì)材料晶格場(chǎng)對(duì)4f電子的影響很小，使得Tm3+離子的光譜與自由電

7、子光譜類似，可以得到非常尖銳的譜線躍遷。Tm3+能級(jí)系統(tǒng)因其獨(dú)特的四能級(jí)結(jié)構(gòu)及其光譜特性，得到了研究人員的普遍關(guān)注。
　　 本論文首次報(bào)道了用離子注入的方法在氧化鋅晶體上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光束在氧化鋅晶體表面?zhèn)鞑ゲ⒀芯苛斯獠▽?dǎo)的各種特性。此外，還在氧化鋅晶體上實(shí)現(xiàn)了稀土離子摻雜，分析了摻雜材料的熒光效應(yīng)和熱退火性質(zhì)。本文的主要結(jié)果如下:
　　 (1)氧化鋅是一種重要的光電晶體材料，它具有性能優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)特性。O+

8、離子是通過(guò)離子注入的方法制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的常用離子，本論文首次報(bào)道了用O+離子注入的方法在氧化鋅晶體上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過(guò)能量為2MeV、4MeV和6MeV的O+離子注入可以在氧化鋅晶體上實(shí)現(xiàn)光的傳輸。用端面耦合法和棱鏡耦合技術(shù)在633nm激光波長(zhǎng)下分析了光波導(dǎo)的光學(xué)特性，結(jié)果顯示所形成的光波導(dǎo)的TE偏振光的第一個(gè)模式下降峰比較尖銳，說(shuō)明波導(dǎo)對(duì)光波的限制非常好，是真正的傳播模式。用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測(cè)試了O+離子注入造成的氧化鋅材

9、料表面附近的晶格損傷。建立了一個(gè)理論計(jì)算模型分析了自發(fā)激發(fā)、摩爾極化和電光系數(shù)等因素對(duì)氧化鋅折射率改變的影響，并用這個(gè)理論模型重構(gòu)了氧化鋅平面波導(dǎo)的折射率分布。
　　 (2)He+離子也是通過(guò)離子注入的方法制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的常用離子，用不同能量不同劑量的He+離子注入到氧化鋅晶體中形成了光波的傳輸限制。用計(jì)算機(jī)程序模擬了He+離子注入到氧化鋅晶體的過(guò)程，用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測(cè)試了He+離子注入引起的氧化鋅晶格損傷，用棱鏡耦

10、合技術(shù)和端面耦合技術(shù)分析了光波導(dǎo)的光學(xué)特性，并用光束傳播法研究了光波導(dǎo)中的傳播模式的場(chǎng)強(qiáng)分布，結(jié)果表明對(duì)于500KeV的低能量注入，僅可以產(chǎn)生一個(gè)傳播模式且大部分光波已滲透到襯底中;而對(duì)于2MeV的較高能量注入可以產(chǎn)生多個(gè)模式，TE偏振光的第一個(gè)傳播模式的場(chǎng)強(qiáng)大都被限制在光波導(dǎo)區(qū)域。重構(gòu)的折射率分布顯示He+離子注入后使得氧化鋅晶體表面折射率減小，核能量損失而非電子能量損失在氧化鋅折射率改變中起到主要作用。
　　 (3)在室溫條

11、件下用能量為6MeV注入劑量分別為5×1013ions/cm2，5×1014ions/cm2和5×1015ions/cm2的Si+離子注入到表面光學(xué)拋光的ZnO晶體中形成了平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光波導(dǎo)的厚度為2.4μm左右。用棱鏡耦合法633nm的激光波長(zhǎng)下分析了不同Si+離子注入劑量的暗模特性，研究了注入劑量與波導(dǎo)的模式特性及樣品表面折射率之間的關(guān)系。利用計(jì)算機(jī)程序模擬了Si+離子注入到樣品的整個(gè)過(guò)程，得到了注入后Si+離子在氧化鋅晶體中的

12、濃度分布、電子能量損失以核能量損失。用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測(cè)試了Si+離子注入引起的氧化鋅表面區(qū)域的晶格損傷。
　　 (4)在室溫下用能量500KeV不同劑量的稀土Tm+離子注入到氧化鋅晶體中，用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測(cè)試了Tm+離子注入引起的氧化鋅晶格損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶格損傷分布與Tm+離子的濃度分布非常的吻合，在Tm+離子的注入劑量為3×1015ions/cm2時(shí)晶格損傷已基本達(dá)到飽和，說(shuō)明氧化鋅晶格具有很強(qiáng)的抗損傷

13、能力。離子注入后為了激活Tm+離子的光學(xué)特性我們對(duì)樣品分別進(jìn)行了從800℃到1050℃的高溫退火，結(jié)果顯示800℃的高溫退火對(duì)Tm+離子的濃度分布和氧化鋅的晶格恢復(fù)均沒(méi)有影響，而在950℃退火后Tm+離子有向表面擴(kuò)散的現(xiàn)象發(fā)生，而在1050℃后低劑量注入造成的晶格損傷已基本完全恢復(fù)。在室溫條件下用紫外激光進(jìn)行泵浦測(cè)試了Tm+離子注入后的熒光特性，樣品經(jīng)800℃退火30分鐘后，Tm+離子從3H4能級(jí)到3H6能級(jí)得躍遷的給出了794nm熒光

14、譜線，隨著注入濃度的增加，3H4→3H6的躍遷熒光峰越來(lái)越弱，具有明顯的濃度猝滅效應(yīng)。在襯底材料上和注入后的樣品上均探測(cè)到了氧化鋅本身的寬光譜發(fā)射峰，隨著離子注入劑量的增加紅光光譜會(huì)因注入缺陷的影響產(chǎn)生紅移現(xiàn)象。
　　 (5)用能量為500KeV的Tm+離子和能量為4.0MeV的O+離子共同注入到氧化鋅晶體中形成了具有稀土摻雜的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)分析了Tm+離子在氧化鋅晶體中的濃度分布，并與理論計(jì)算的濃

15、度分布作比較，經(jīng)過(guò)熱退火后發(fā)現(xiàn)Tm+離子有向晶體表面擴(kuò)散的現(xiàn)象。用棱鏡耦合法測(cè)試了O+離子和Tm+離子共注入形成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特性，共得到兩個(gè)波導(dǎo)模式。用計(jì)算機(jī)程序重構(gòu)了波導(dǎo)區(qū)域的折射率分布，模擬結(jié)果顯示在波導(dǎo)區(qū)折射率增加而在離子注入的末端會(huì)形成一個(gè)折射率下降的光學(xué)位壘。
　　 本文中的實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果為以后進(jìn)一步研究氧化鋅材料提供了重要基礎(chǔ)，在氧化鋅材料上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使得光波可以在氧化鋅中的傳輸并提高傳輸效率，為拓寬氧化鋅