离子辐照红外波段波导结构制备和特性研究

Optical waveguides are the key element of the integrated photonic devices. Ion irradiation, through the formation of lattice damage and defects, can change the refractive index at certain regions in the target materials, and is an effective way to produce waveguide structures. Based on the former experience and achievements on ion-irradiated optical waveguide, we will carry out research on waveguide structures in infrared wavelength region in this project; expand applications of the popular optical crystal LN, SLN and KTP in infrared region; explore the waveguide-formation conditions in infrared materials ZnS and ZnSe and the waveguides' properties; investigate the mechanism behind the infrared waveguide structures formed by ion irradiation; reveal the process: swift heavy ion irradiation induces amorphous ion track, and then forms waveguide structure. This project will promote practical usage of waveguide-based integrated photonic devices in the infrared region; at the same time it will expand applications of the nuclear technology in material science and optics.

光波导是光电子集成器件的基本结构。离子辐照，通过损伤和缺陷的产生，诱导材料表面特定区域的折射率发生变化，是形成光波导的有效方法。本项目利用离子辐照技术制备波导的特点和优势，结合已有的研究成果和经验，开展红外波段波导结构的相关研究，利用离子辐照技术形成一种制备红外波段波导结构的有效方法，拓展LN、SLN、KTP等常用光学晶体在红外波段的应用，探索ZnS、ZnSe等红外材料波导结构的形成与特性，深入探讨离子辐照红外波段波导结构的形成机理，揭示快重离子辐照导致非晶离子径迹形成波导结构的机理，为红外波段的光子集成提供研究基础。本项目的研究不仅为基于波导结构的红外波段光电子器件的应用打下基础，还可以拓宽核技术在材料和光学领域的应用。

本项目利用离子辐照技术形成了一种制备红外波段波导结构的有效方法，在多种光学晶体上制备形成了红外波段的波导结构，分析了波导导模特性，研究了光波的传输过程，波束的空间能量分布以及传输损耗。利用显微照相、AFM等对波导层的尺度进行表征，利用微区拉曼光谱对波导层的微结构变化进行了表征，同时利用RBS/C表征其注入后的晶格损伤与形成的缺陷、测试辐照前后晶体材料的透过率、荧光谱以及非线性系数等参数，研究辐照对它们的影响，并研究了退火对于波导结构的优化特性。研究表明得到的波导结构可以有效的约束近红外波段光波的传输。并对其形成机理进行了探讨，在中等能量的注入条件下其形成机理与晶体的晶格对称以及晶体的双折射特性密切相关，而快重离子辐照所需剂量明显降低，其电子能量损失起到至关重要的作用。为红外波段的光子集成提供研究基础。本项目的研究不仅为基于波导结构的红外波段光电子器件的应用打下基础，还可以拓宽核技术在材料和光学领域的应用。.项目执行期间共发表SCI收录论文21篇，其中已经发表了19篇，已经接收在线2篇，项目组成员和研究生参加国际学术会议22人次，其中境外15人次，邀请海外专家访问3人次。毕业博士研究生4人，博士学位在读5人。 .