硫系玻璃波导器件设计、制备及性能研究

硫系玻璃是为数不多的对红外波段透明的玻璃材料，在红外器件研究领域占有重要地位。由硫系玻璃材料制备的波导器件在气体成分及含量的检测、生物传感、中红外激光光源、全光器件及星际空间探测等领域具有广阔的应用前景。本项目拟全面开展全硫系波导（衬底与膜层材料均为硫系玻璃）的研究，主要内容包括单模脊型硫系玻璃波导结构参数设计、高性能衬底材料制备、波导膜层成膜特性研究、光刻刻蚀工艺探索、以及波导的传输与光谱特性分析等，以获得性能优良的全硫系波导并深入了解其特性。本项目的特色和意义体现在：提出了全硫系波导的研究方案，可很好的解决衬底与膜层的匹配问题；重点研究不含As等有毒成分的硫系波导，为硫系波导器件的安全应用和环境保护奠定了基础；自主研制各种组分的硫系玻璃材料，为波导的成膜特性研究提供了极大的灵活性，有利于实现衬底与膜层之间的最佳匹配。本项目的实施完成将为全硫系波导器件的开发和应用打下坚实的基础。

系统研究了Ge-Sb-Se、Ge-Ga-S、GeS2-Ga2S3-AgCl等硫系玻璃作为光波导薄膜介质材料的可能性，研究工作从玻璃系统的形成区、热稳定性、拉曼结构、相变行为、吸收和透过光谱等方面着手，获得了系列结构稳定、热稳定性较好的玻璃组分，如Ge20Sb15Se65。并建立了玻璃材料微观结构与宏观光学带隙、折射率之间的关系。利用Z-Scan技术测试了材料的非线性参数和非线性吸收系数，进一步通过银纳米颗粒的表面等离子共振吸收（Surface plasmon resonance，SPR）获得非线性增强的基质材料，研究发现通过SPR原理能使基质材料的非线性系数提高2个数量级以上。在材料优化设计基础之上，采用热蒸发和磁控制备Ge-Sb-Se、Ge-Ga-S薄膜，系统研究制备技术对成膜的特性，包括缺陷、薄膜致密性、附着力、均匀性等方面的研究，研究结果表明磁控溅射工艺获得的硫系薄膜具有致密性好、光散射损耗小、均匀性好等特点，更适合平面光波导的制作。并研究了薄膜在热处理前后的拉曼结构的差异，获得合适的热处理工艺制度以降低薄膜沉积过程中不可避免形成的结构缺陷，研究发现适当进行热处理能使薄膜的结构更加稳定，更适合于高非线性的光波导应用。利用有限差分法对硫系玻璃脊型波导进行模拟符合单模的尺寸设计，并进一步对其色散进行管理，获得了不同非线性应用的脊型光波导的结构参数。并与澳大利亚国立大学合作利用光刻加感应耦合等离子体刻蚀的方法获得了脊高为0.760微米（对应薄膜的厚度为1.36微米），脊宽分别为1、2、3、4微米的Ge20Sb15Se65光波导。搭建了锥形光纤测试耦合平台，利用截断法测得波导损耗为0.4-0.5dB/cm之间，插入损耗约为6dB。整个研究工作为进一步获得高非线性的硫系光波导器件奠定了基础。研究工作总共发表论文24篇，其中SCI或EI收录论文23篇，申请发明专利2项，其中1项已授权。