專利名稱：SiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及SiO2襯底上Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜器件及制備，并用于1.064μm和1.342μm激光發(fā)射。
背景技術(shù)：
Nd∶YVO4晶體最早是由MIT林肯實驗室的J.R.Oconnor于1966年發(fā)明的。這種晶體早期的研究由于晶體生長的困難而受到阻礙，一度曾被人們放棄，直到八十年代中后期，它的晶體結(jié)構(gòu)和光譜特性搞清楚后，并用提拉法(Czochralskimethod)生長出φ25×75mm大小的晶體，人們才重新對它產(chǎn)生興趣。
Nd∶YVO4晶體是一種性能優(yōu)良的激光基質(zhì)晶體，具有低激光閾值、高斜率效率、大的受激發(fā)射截面，在很寬的波長范圍對泵浦光有較大的吸收、高抗光傷能力、良好的機械、物理性質(zhì)、大的雙折射率等特點，可以用來制作光隔離器、環(huán)狀鏡等偏振器件，也適于制作激光二極管(LD)泵浦的全固態(tài)激光器，有著廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。
激光脈沖沉積(PLD)是應(yīng)用最廣泛的薄膜生長方法之一，已經(jīng)成為制備具有復(fù)雜組分的薄膜材料的重要手段。PLD法生長的薄膜質(zhì)量較好，在光波導(dǎo)、光調(diào)制、SAW領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，因此本發(fā)明采用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)來制備光波導(dǎo)薄膜，用于研制波導(dǎo)激光器和有源集成光波導(dǎo)器件。發(fā)明的原理與概述Nd∶YVO4的能級結(jié)構(gòu)和其他摻Nd離子的YAG、YLF等激光晶體的能級結(jié)構(gòu)大致相同。圖1是Nd∶YVO4的能級結(jié)構(gòu)圖。
主能級(manifolds)用光譜項2S+1LJ表示，每一子能級被晶格場分裂(Stark-splitting)成(J+1)/2個子能級，子能級位置因不同基質(zhì)而有差別，但每能級的權(quán)重中心(Center of gravity)大致相同。激光躍遷過程用粗線表示，泵浦光譜線用細線表示，無輻射弛豫過程用波浪線表示。
泵浦光有880nm和810nm附近的兩條譜線，LD泵浦的譜線是810nm，泵光把粒子從基態(tài)泵浦到4F5/2能級，但粒子在此能級上的壽命非常短(τ～10-10s)可以通過特別快地弛豫過程無輻射地落在亞穩(wěn)態(tài)4F3/2能級上。亞穩(wěn)態(tài)能級相對長的壽命(τ～10-4s)提供了可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的機理。四條主要發(fā)射譜線是4F3/2→4I15/2，4F3/2→4I13/2，4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I9/2，對應(yīng)的輻射波長分別為1.839m，1.342μm，1.064μm和0.914μm，其中室溫下1.064μm譜線是發(fā)射截面最大、增益最強的一條譜線，占絕對優(yōu)勢，1.342μm次之，最弱的是1.839μm和0.914μm。能級圖的右邊給出了主能級的Stark分裂的各個子能級及相應(yīng)能級大小。精確的輻射躍遷發(fā)生在各個不同的子能級之間，如0.914μm的譜線對應(yīng)的能級躍遷是從4F3/2的E3＝11365.2cm-1能級到下能級4I9/2的E0＝439.0cm-1，Nd∶YVO4基態(tài)的能級Stark分裂只有439cm-1。所以914nm躍遷通常稱為準三能級(quasi-three-level)躍遷。
圖1 Nd∶YVO4晶體的能級結(jié)構(gòu)Nd∶YVO4有很強吸收截面和寬的吸收帶寬，圖2給出了用B10-RAD傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)測得Nd∶YVO4晶體的吸收譜。
三個主吸收峰分別在750，810和880nm附近，其中在810nm附近吸收最強，最強值對應(yīng)的吸收光波長是808.7nm，吸收帶寬大約為20nm。Nd∶YVO4的吸收系數(shù)與晶體Nd離子濃度摻雜密切相關(guān)，由于不同晶體生長條件和環(huán)境不同，再加上不同測試方法本身的誤差，很難給出它們之間確切的關(guān)系式，文獻中也未曾報道。
圖2 Nd∶YVO4晶體的吸收譜，圖3 Nd∶YVO4晶體的熒光發(fā)射譜圖3給出了Nd∶YVO4晶體的熒光發(fā)射譜線，激發(fā)源是最大輸出功率為10W的半導(dǎo)體激光器(SDL-3450-P5)，在25℃中心波長為808nm，通過調(diào)節(jié)LD的控制溫度使其發(fā)射波長定在808.7nm，與Nd∶YVO4吸收峰相吻合。
從圖中我們可以看出Nd∶YVO4在1.06μm有很強的增益，它的有效發(fā)射截面大約為20×10-19cm2，是YAG的3～4倍。正如前面所說的，高的發(fā)射截面可導(dǎo)致低的激光閾值，所以Nd∶YVO4晶體很適合于中小功率的激光器件，Nd∶YVO4在1.064μm的線寬大約為0.8nm，比YAG的0.6nm稍寬一些。Nd∶YVO4的熒光壽命決定了它的能量儲存的大小，與Nd離子的摻雜也有密切的關(guān)系。根據(jù)文獻中熒光壽命與摻雜濃度的關(guān)系曲線，給出四種不同濃度摻雜時Nd∶YVO4的上能級壽命(見下表)。
表1 摻雜濃度與Nd∶YVO4上能級壽命可以看出隨著濃度摻雜的提高，熒光壽命在減小。迄今為止，有關(guān)生長Nd∶YVO4薄膜的研究不多，在M.B.Korzenski等人的文章中研究了在藍寶石襯底上生長Nd∶YVO4薄膜，討論了溫度和氧壓對薄膜表面形貌和結(jié)構(gòu)的影響，但沒有提出利用Nd∶YVO4薄膜來研制波導(dǎo)激光器和有源集成光波導(dǎo)器件，也沒有在利用PLD方法在玻璃(SiO2)襯底上生長Nd∶YVO4有源光波導(dǎo)薄膜的報導(dǎo)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是利用是Nd∶YVO4的能級激光躍遷，亞穩(wěn)態(tài)能級相對四條主要發(fā)射譜線是4F3/2→4I15/2，4F3/2→4I13/2，4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I9/2，對應(yīng)的輻射波長分別為1.839μm，1.342μm，1.064μm和0.914μm，其中室溫下產(chǎn)生較強的1.064μm譜線和1.342μm譜線。尤其是使用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在玻璃(SiO2)襯底上制備而成Nd:YVO4光波導(dǎo)薄膜器件，用807-810nm的泵浦光激發(fā)薄膜時能得到1.064和1.342μm的紅外光。
本發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的SiO2襯底上Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜器件及制備，其特征SiO2襯底上生長Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜，薄膜沿晶軸取向，有良好的光波導(dǎo)特性，TE和TM模式的導(dǎo)波均可以在其中傳輸。同時薄膜還具有優(yōu)良的吸收和發(fā)射性質(zhì)，即能用807-810nm的泵浦光激發(fā)薄膜時能得到1.064和1.342μm的紅外光。
本發(fā)明鍍膜方法有多種，包括真空蒸發(fā)、離子束濺射、磁控濺射、化學氣相沉積CVD等在玻璃(SiO2)襯底上制備的Nd:YVO4光波導(dǎo)薄膜。
通過脈沖激光沉積方法(PLD)在玻璃(SiO2)襯底上制備的光波導(dǎo)薄膜，以摻雜的YVO4晶體或陶瓷為靶材(包括Er∶YVO4、Tm∶YVO4等)，具有良好的光波導(dǎo)傳輸和吸收、發(fā)射特性。也可以摻稀土元素(如Nd，Er等)晶體或陶瓷為靶材(包括Nd∶YAG、Nd∶YLF、Nd∶YAP等)，在玻璃(SiO2)襯底上制備的光波導(dǎo)薄膜，具有良好的光波導(dǎo)傳輸和吸收、發(fā)射特性。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.在玻璃襯底上成功實現(xiàn)了a軸取向Nd∶YVO4薄膜的生長，所使用的PLD生長工藝比較成熟，方法簡單易行，具有很強的可操作性。
2.玻璃襯底不僅價格低廉，而且易于獲得，能極大的降低生產(chǎn)成本。
3.制備的Nd∶YVO4薄膜具有良好的光波導(dǎo)和發(fā)射特性，用808.7nm的泵浦光激發(fā)薄膜能獲得1064nm的熒光，因此可以廣泛的用于集成光學中的有源光波導(dǎo)器件。
4.在適當條件下氧化單質(zhì)硅的表面可以得到SiO2薄層，因此本發(fā)明完全可以與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容，具有廣闊的應(yīng)用前景。
四
圖1 Nd∶YVO4晶體的能級結(jié)構(gòu)圖2 Nd∶YVO4晶體的吸收譜，圖3 Nd∶YVO4晶體的熒光發(fā)射譜圖4 (a)Nd∶YVO4晶體靶材(b)制備所得樣品的XRD衍射5 Nd∶YVO4/SiO2薄膜得光波導(dǎo)模式圖(a)TE模式(b)TM模式Nd∶YVO4晶體有優(yōu)良的吸收和發(fā)射特性，
圖6 (a)測量原理圖(b)Nd∶YVO4薄膜的激發(fā)譜，圖6是用OPO可調(diào)諧激光器作為泵浦光源激發(fā)Nd∶YVO4薄膜所得熒光發(fā)射譜，泵浦光波長選為808.7nm。
五具體實施例方式
應(yīng)用例在玻璃(SiO2)襯底上制備Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜本發(fā)明利用PLD方法在玻璃(SiO2)襯底上生長Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜。采用的生長條件是襯底溫度700-800℃，氧壓50Pa，重復(fù)頻率5Hz。生長工藝如下(1)襯底清洗將襯底先后浸入酒精溶液和丙酮溶液中放在超聲波清洗器中清洗半小時。
(2)樣品安裝將靶固定和清洗潔凈的襯底固定在相應(yīng)的樣品架上，調(diào)整襯底和靶的距離到合適的位置，用檔板將襯底和靶隔開。關(guān)閉真空室。
(3)系統(tǒng)抽真空打開高真空閥，開啟機械泵，系統(tǒng)真空度達到最低值時(約0.1MPa)，打開分子泵的冷卻水并啟動真空泵，約半小時后，系統(tǒng)真空度可達到3×10-2Pa。
(4)襯底加熱設(shè)定加熱器升溫程序，升溫速率控制在20℃/分鐘左右，升溫至薄膜生長的溫度。生長的溫度范圍700-800℃。
(5)激光器預(yù)熱打開激光器的冷卻水并啟動激光器電源，預(yù)熱10分鐘。
(6)通入氧氣加熱器到達設(shè)定溫度時，打開氧氣瓶總閥，調(diào)節(jié)輸出壓力為50Pa。然后關(guān)閉分子泵，待分子泵停止后，開啟流量計，通入氧氣，關(guān)小高真空閥，調(diào)節(jié)流量計，使系統(tǒng)真空度達到所需的壓強。約15分鐘后開始生長Nd∶YVO4薄膜。
(7)沉積過程開啟激光器，調(diào)節(jié)重復(fù)頻率和工作電壓，調(diào)節(jié)反射鏡使激光照射在Nd∶YVO4靶面上，并調(diào)節(jié)聚光透鏡使激光照射在靶面上的光斑盡可能小。然后移開檔板，開始沉積。沉積到所需的時間時，關(guān)斷激光器。停止加熱襯底，使襯底自然冷卻至常溫。冷卻過程中，繼續(xù)保持氧氣氣氛。
(8)關(guān)機分子泵關(guān)閉20分鐘后，關(guān)閉冷卻水。激光器關(guān)斷20分鐘后，關(guān)閉激光器總電源，關(guān)閉激光器冷卻水。當加熱器降溫至100℃以下時，關(guān)閉氧氣瓶總閥，抽去壓力表頭的剩余氣體，關(guān)閉流量計，關(guān)閉高真空閥，關(guān)閉機械泵。為了減少真空系統(tǒng)暴露于大氣的時間，待下次打開真空室取出樣品。
用X射線衍射(XRD)測量樣品結(jié)果如下圖4
可以看出制備所得薄膜是(200)取向(即沿a軸)，與晶體靶材的取向一致。圖5為薄膜的光波導(dǎo)模式圖，表明制備的Nd∶YVO4薄膜有良好的光波導(dǎo)性質(zhì)。
圖5 Nd∶YVO4/SiO2薄膜得光波導(dǎo)模式圖(a)TE模式(b)TM模式，Nd∶YVO4晶體有優(yōu)良的吸收和發(fā)射特性，圖6是用OPO可調(diào)諧激光器作為泵浦光源激發(fā)Nd∶YVO4薄膜所得熒光發(fā)射譜，泵浦光波長選為808.7nm。
在圖6的激發(fā)譜中，最強的激發(fā)位于1064.3nm，說明用波長為808.7nm的泵浦光激發(fā)Nd∶YVO4薄膜能得到1064.3nm的熒光，與Nd∶YVO4晶體的激發(fā)譜符合的較好，表明制備的薄膜有優(yōu)良的吸收和發(fā)射特性，可以用于集成光學中的有源光波導(dǎo)器件。
權(quán)利要求
1.SiO2襯底上Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜器件，其特征SiO2襯底上生長Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜，薄膜沿晶軸取向，用807-810nm的泵浦光激發(fā)薄膜時能得到1.064和1.342μm的紅外光。
2.SiO2襯底上Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜的制備，其特征是使用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在玻璃(SiO2)襯底上制備的Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜，以摻雜的YVO4晶體或陶瓷為靶材(包括Er∶YVO4、Tm∶YVO4等)，通過脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在玻璃(SiO2)襯底上制備的光波導(dǎo)薄膜；生長條件是襯底溫度700-800℃，氧壓50Pa；生長工藝如下(1)襯底清洗(2)樣品安裝將靶固定和清洗潔凈的襯底固定在相應(yīng)的樣品架上，(3)系統(tǒng)抽真空(4)襯底加熱設(shè)定加熱器升溫程序，升溫速率控制在20℃/分鐘左右，升溫至薄膜生長的溫度，生長的溫度范圍700-800℃。
3.由權(quán)利要求2所述SiO2襯底上Nd∶YVO4光波導(dǎo)薄膜的制備，其特征是以摻Nd稀土元素晶體或陶瓷為靶材，包括Nd∶YAG、Nd∶YLF、Nd∶YAP，在玻璃(SiO2)襯底上制備的光波導(dǎo)薄膜。
全文摘要
SiO
文檔編號H01L21/02GK1487636SQ03152810
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者李錕, 祝世寧, 王飛燕, 朱永元, 閔乃本, 李 錕 申請人:南京大學