光电子器件的集成化和小型化是未来发展的趋势,光波导是其基本结构。基于波导结构的波导激光、光波导放大器,基于波导倍频和光学参量振荡的相干激光源以及光折变波导中的空间光孤子等,是国际上的研究热点。光波导的尺度与工作波长在同一个量级上(微米),因而光的行为与体材料中光的行为不同,其制备往往涉及薄膜生长、刻蚀、光刻等微纳米加工技术。在光波导中,光被束缚在折射率高的区域内以稳定的模式传输,不发散。此外,光波导可以利用材料本身的电光效应、声光效应和非线性效应等性质实现对光的调制,进而实现不同功能的光学器件。有关光波导的研究涉及光学、激光、晶体材料科学、固体物理学、非线性光学、微电子学等多个学科。离子注入作为一种材料改性技术被广泛地应用于金属、绝缘体、磁性材料、非晶和表面物理、化学、医学、冶金等各个领域。它已经发展成为一种比较成熟的波导制备方法,在许多光学晶体、陶瓷、聚合物以及玻璃上形成了光波导结构。其优点在于：可控性好；波导形成机理比较统一,因而适用范围广泛。离子注入,结合光刻、刻蚀等工艺,可以形成条形或脊形光波导。目前在光波导的制备方面,离子注入一般可分为轻离子(H和He)注入和重离子(例如C、O、Si、Ar、Cu等)注入。离子能量一般在0.2MeV-6.0MeV之间。轻离子和重离子的剂量分别在1016ions/cm2和1013ions/cm2-1014ions/cm2量级上。所以相对而言,重离子注入一般能节省大量的注入时间。目前,快重离子(一般指能量在20MeV-数GeV的重离子)辐照作为一种新兴的波导制备方法得到了越来越多的研究。其不仅辐照剂量更低(约1012ions/cm2),而且在形成波导的机理上与低能离子注入也不相同。离子注入过程往往应用基于Monte-Karlo的SRIM (The Stopping and Range of ions in matter)软件来模拟,它可以计算出离子的射程、离散、分布、电子能量损失分布和核能量损失分布等。对于离子注入后的样品,一般测试其晶格损伤、波导特性、光学性质的变化以及波导中激光、倍频效应等。波导特性包含波导模式的有效折射率、模式的场分布、折射率分布和损耗等,一般能够在棱镜耦合以及端面耦合实验装置上测量得到,或者在此基础上分析得到,并可以通过退火的办法对它们进行优化。RSoft是一个光电子器件的模拟和设计软件,这里应用于波导导模的计算以及基于波导的光学结构的模拟,它包含基于finite-difference beam-propagation method的BeamPROP,基于finite-difference time-domain的FullWA VE,基于plane-wave expansion用于计算光子晶体能带结构的BandSOLVE等计算工具。本文所用材料为铌酸锂(lithium niobate,LiNbO3,LN)。铌酸锂晶体具有优良的电光、声光、光折变、压电、铁电以及光生伏打效应；其双折射率差值大,非线性系数大；具有良好的机械稳定性,容易生长；实施不同元素掺杂之后能够呈现出不同的特性；因而得到了广泛的研究和应用。然而铌酸锂是一个典型的非化学计量比晶体。其同成分点一般在Li/Nb=48.3/51.7-48.6/51.4之间。Li原子的缺失给晶格引入大量的本征缺陷。在近化学计量比铌酸锂(stoichionmetric lithium niobate, SLN)中,Li/Nb比可以达到49.9/50.1。SLN消除了同成分铌酸锂晶体中缺陷的不利影响,改善了晶体的许多性能。本文的工作围绕离子注入或者离子辐照铌酸锂光波导展开,主要包含三方面内容：离子注入铌酸锂的晶格损伤；离子注入或离子辐照光波导的制备；基于波导结构的应用,包括PPLN波导中的倍频效应以及铌酸锂脊形光波导上光子晶体的制备。具体如下：4.0MeV0离子注入铌酸锂在不同的剂量下呈现出不同的晶格损伤分布。低剂量(6×1014ions/cm2)下铌酸锂的晶格损伤分布与SRIM基于核能量损失计算得到的空位浓度分布相吻合；而高剂量(2×1015ions/cm2,4×1015ions/cm2)O离子注入铌酸锂中存在一个非晶表层,且非晶表层的厚度随剂量的增加而增加。这个效应被归因于4.0MeV O离子的电子能量损失,并应用thermal spike模型来描述。由于非晶铌酸锂的折射率比铌酸锂结晶态的折射率低,因而离子注入形成的光波导被折射率降低的非晶表层覆盖。则波长比非晶层厚度小的光波便很难通过棱镜耦合的方式从样品的表面耦合进波导中去。波导区的晶格损伤由卢瑟福背散射和沟道技术测量得到。在前人工作基础上,利用晶格损伤和折射率变化的关系式,计算得到了铌酸锂波导的折射率分布,它与波导的暗模特性曲线相符。通过背散射谱以及损伤分布的比较,70MeV Ar离子辐照在很低的剂量(1×1012ions/cm2)下在质子交换铌酸锂中引起了一定的重结晶效应,即辐照导致了质子交换层损伤的降低以及质子交换层厚度的增宽。在辐照过程中,原质子交换层下面的Li原子沿着与Ar离子入射方向相反的方向移动,补充了原质子交换层中缺失的Li原子。这种效应被归因于快重离子在晶体中大量的电子能量沉积。然而实验表明,6.0MeV的O离子辐照在不同剂量(2×1012ions/cm2,2×1013ions/cm2,6×1014ions/cm2)下都没有能在质子交换铌酸锂中产生相似的效应。相反,6.0MeV O离子注入在低剂量(6×1014ions/cm2)下就能致使整个质子交换层非晶化。因此结合质子交换和低剂量的O离子注入可以在铌酸锂中形成表面损伤层深度可调的埋层光波导。低剂量(2×1012ions/cm2)200MeV Ar离子辐照在SLN晶体中形成了光波导结构。由于辐照深度较大,波导较厚,因此模式很多。暗模特性曲线表示辐照后的样品在1539nm波长支持9个模式,说明波导具有在更长波长(中红外波段)支持导模的潜力。背散射谱显示,经过Ar离子辐照之后,SLN晶体表面的晶格几乎没有损伤。铌酸锂拉曼谱的峰值及其宽度与铌酸锂中Li/Nb比有关。经过比较Ar离子辐照区、SLN衬底以及CLN晶体的拉曼谱,结果表明Ar离子辐照没有改变辐照层中的Li/Nb比,显示出离子注入或者离子辐照在SLN波导制备中的优越性。在极化周期为5μm的周期极化铌酸锂(PPLN)波导中实现了从980nm到490nm波长的倍频。结合光刻,6.0MeV O离子注入在PPLN中形成了平面和条形光波导,剂量为6×1014ions/cm2。暗模特性曲线表明注入后的PPLN样品在1539nm波长下有一个导模,确保了样品在980nm波长下一定支持模式。在倍频实验中,PPLN波导的温度由oven控制。测量并计算了波导以及衬底中的温度调谐曲线。测量结果显示,相同温度下,波导中倍频光波长比衬底中倍频光波长大。计算结果与之相符。在150℃时,在平面波导中所获得的倍频转换效率为4%/(W·cm2)。倍频光的光强可达0.81mW。在110℃时,在条形光波导中获得的倍频转换效率为34.5%/(W.cm2)。获得倍频光的最大光强为1.11mW。背散射谱显示注入后PPLN样品表面的损伤很低。经过HF酸和硝酸混合溶液的腐蚀,样品的表面上显露出铁电畴的边界,说明铁电畴的周期性结构没有遭到氧离子注入的破坏,非线性效应很好地保留了下来。二维光子晶体的能带结构以及对称分布的光子晶体平板的投影能带图通过平面波展开方法计算得到。基于质子交换铌酸锂脊形光波导的光子晶体平板的透射谱通过有限时域差分的方法计算得到。计算表明光子晶体平板具有与相应二维光子晶体相似的特征,因而通常情况下应当以二维光子晶体的能带结构为基础来进行设计。结合光刻掩模以及Ar离子刻蚀在质子交换铌酸锂上形成了脊形光波导。应用聚焦离子束设备在质子交换铌酸锂脊形光波导上制备了filter和光栅结构,并在铌酸锂上测试了二维周期孔洞的刻蚀情况。对于周期为450nm的filter,最大刻蚀深度达到2.5μm；对于周期为540nm的二维孔洞,最大刻蚀深度达到1.8μm。