臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文中，主要是利用Ge離子佈植在融熔石英(fused silica)玻璃基板上形成平面波導，並應用準相位匹配原理(QPM)在波導中產生二次諧波(SHG)倍頻光。
我們在清華大學加速器中心，利用加速器佈植Ge（劑量＝10 ions/cm ，能量＝5MeV）到融熔石英中，在表面形成一層平面波導，同時利用光譜及prism coupler做波導的分析，並量測波導模態有效折射係數和等效深度，與SRIM軟體模擬作相互驗證。
再利用本實驗室的thermal poling技術，針對不同thermal poling condition 在波導內產生二階非線性光學係數，並透過Maker fringe系統量測二階非線性強度，證實了Ge 佈植後將有助於二階非線性強度的增加。最後配合週期性UV erase的技術達到準相位匹配（Quasi-Phase Match，QPM），成功的做出經由平面波導轉換二倍頻光之倍頻元件，將波長1064nm的Nd:YAG pulse雷射光，轉換得到波長532nm的綠光。

目 錄
第一章 導論
1.1 簡介 1
1.2 基本原理 2
1.2-1 離子佈植之原理 2
1.2-2 熱極化融熔石英產生二階非線性機制 4
1.2-3 準相位匹配產生二次諧波之原理 8
第二章 離子佈植實驗及方法
2.1 實驗介紹 11
2.1.1 晶片來源 11
2.1.2 晶片清洗 12
2.1.3 實驗流程簡介 13
2.2 9SDH-2串級式加速器介紹 14
2.2.1 離子源 14
2.2.2 加速器本體系統 15
2.2.3 射束聚焦與選擇設備 15
2.2.4 真空系統 16
2.2.5 冷卻設備 17
2.3 SRIM軟體模擬數據分析 19
2.3.1 77keV模擬結果 19
2.3.2 5MeV模擬結果 20
2.4 Ge佈植後的光譜特性 23
2.4.1 不同佈植劑量的光譜特性 23
2.4.2 不同佈植能量的光譜特性 25
第三章 二階非線性特性
3.1 Thermal poling系統 27
3.2 Maker fringe量測系統 29
3.2.1 Maker fringe測量方法 29
3.3 二階非線性特性和晶片雜質含量的關係 31
3.3.1 OH含量多寡與二階非線性強度的關係 31
3.3.2 ICP化學雜質分析與二階非線性強度的關係 35
3.4 熱極化Ge離子佈植之融熔石英之二階非線性特性比較 38
3.4.1 Ge離子佈植與空片之二階非線性特性比較 38
3.4.2 不同佈植劑量之二階非線性特性比較 40
3.4.3 快速退火（RTA）後之二階非線性特性比較 41
3.4.4 不同熱極化時間之二階非線性特性比較 42
3.5 UV光抹除二階非線性特性 46
3.5.1 二階非線性強度與照UV光時間的關係 46
3.5.2 光譜吸收峰與照UV光時間的關係 47
3.6 討論 49
第四章 週期性熱極化融熔石英之製作
4.1 QPM週期計算分析 50
4.1.1 稜鏡耦合波導量測原理及方法 50
4.1.2 波導模態有效折射係數量測數據分析 53
4.1.3 波導中的準相位匹配與週期計算 56
4.2 鋁光罩製作 60
4.2.1 在融熔石英表面鍍金屬鋁 60
4.2.2 黃光製程 60
4.2.3 鋁蝕刻與清洗烘烤 62
4.2.4 討論 63
4.3 UV光抹除二階非線性強度 64
4.3.1 UV光抹除流程 64
4.4 樣品磨邊拋光 65
第五章 平面波導內第一階準相位匹配二次諧波產生之討論
5.1 光學架設與對光說明 68
5.2 二倍頻量測結果 72
第六章 結論與未來展望 76
參考文獻 77
附錄一 離子佈植操作步驟與加速器關機步驟 81
附錄二 Channel waveguide的製作 84
A2.1 SRIM軟體模擬 84
A2.2 蝕刻NiCr4結果 84
A2.3 討論 85
附錄三 mach-zehnder測量 86
A3.1 mach-zehnder干涉儀量測電光係數之原理 86
A3.2 目前使用的量測步驟 90
A3.3 mach-zehnder量測數據分析計算與改善方法 91
A3.4 討論 93

參考文獻
[1] Y. Sasaki Y.Ohmori”phase-matched sum-frequency light generation in optical fibers”Appl.Phys.Lett. 39(6),15(1981)
[2] U.Osterberg W.Margulis”Dye laser pumped by Nd:YAG laser pulses frequency double in a glass optical fiber” Optical Letters vol.11 No.8 (1986)
[3] R.A. Myers,N.Mukherjee,S.R.J. Brueck”large second-order nonlinearity in poled fused silica” optical letters vol.16 No.22(1991)
[4] P.G. Kazansky L.Dong”high second-order nonlinearities in poled silicate fibers” OPT. LETTER vol 19 No.10(1994)
[5] P.W. Leech, P.C. Kemeny and M.C. Ridgway”low loss channel waveguides fabricated in fused silica by germanium ion implantation” electronics letters vol.31 No15(1995)
[6] Thomas G. Alley, S.R.J. Brueck, R.A Myers”space charge dynamics in thermal poled fused silica”Journal of Non-Crystalline Solids 242(1998)
[7] Akihiro Kameyama, Atsushi Yokotani, Kou Kurosawa”Generation and erasure of second-order optical nonlinearities in thermally poled silica glasses by control of point defects” J.Opt.Soc.Am.B Vol.19,No.10 (2002)
[8] M.M.Fejer, G.A.Magel”quasi-phase-matched second harmonic generation:tuning and tolerances” IEEE Journal of quantum electronics Vol. 28 No.11(1992)
[9] PATRICK W.LEECH, MARK C. RIDGWAY”WAVEGUIDES FABRICATED IN FUSED SILICA BY GEMANIUM ION IMPLANTATION AT VARYING DOSES”Mat.Res.Soc.Vol.392 (1995)
[10] G. Bonfrate V.Pruneri, P.G..Kazansky” periodical UV erase of the nonlinearity for quasi-phase-matching in optical fibers” CLEO (2000)
[11] Huai-Yi Chen, Jin-Sheng Sue, Yi-Hsuan Lin, and Shiuh Chao ”Quasi-phase-matched second-harmonic generation in ultraviolet-assisted periodically poled planar fused silica” OPTICS LETTERS Vol. 28, No. 11(2003)
[12] 莊達人”VLSI製造技術”(2000)
[13] 蘇錦昇”在週期性極化融熔石英玻璃基板上利用第一階準相位匹配原理製作二次諧波綠光倍頻元件”碩士論文(2002)
[14] 林毅軒”玻璃利用真空poling產生二階非線性光學係數之特性探討”碩士論文(2003)
[15] 賴仲彥”以溝道分析技術探討矽自我佈植之輻射損傷研究”碩士論文(1999)
[16] 陳淮義”熱極化融熔石英玻璃平面基板之非線性特性探討與準相位匹配倍頻產生元件之研製”博士論文(2003)
[17] ERIC W.”HANDBOOK of optics”
[18] M.Essid, J.L.Brebner, J.Albert, K.Awazu ”Ion Implantation induced photosensitivity in Ge-doped silica:Effect of induced defects on refractive index changes” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 141(1998)616-619
[19] P.K.Tien,R.Ulrich, and R.J.Martin ”modes of propagating light waves in thin deposited semiconductor films”applied physics letters vol.14 number.9(1969)
[20] Yu Lu, Zhong-Yang Cheng, Seung-Eek Park, Shi-Fang Liu, Qiming Zhang”linear electro-optic effect of 0.88Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.12PbTiO3 single crystal”J,Appl.Phys.Vol.39 p141-145(2000)
[21] A.C.Liu, M.J.F.Digonnet, G..S.Kino” electro-optic phase modulation in a silica channel waveguide” optics letters.vol.19 No.7 (1994)
[22] Xue-Ming Liu, Ming-De Zhang” theoretical study for thermal electric field poling of fused silica”JJAP vol.40 p4069-4076(2001)
[23] D.Faccio, A.Busacca, D.W.J.Harwood, G..Bonfrate, V.Pruneri, P.G. Kazansky”effect of core-cladding interface on thermal poling of germano-silicate optical waveguides” optics communication p187-190(2001)
[24] Okihiro Sugihara, Tomoyuki Hirama, HisashiFujimura, Naomochi Okamoto”second-order nonlinear optical properties from poled silicate channel waveguide”Optical Review vol.3,No.3 p150-152(1996)
[25] Paulf.Goldsmith”Guassian Beam Transformation with cylindrical lenses”IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION” Vol.AP34, No.4, (1986)
[26] Peter G..Kazansky,Philip St.J.Russel,Hiromichi Takebe”Glass Fiber Poling and Applications” Journal of lightwave technology,vol.15 No8(1997)
[27] Leanne J.Henry”correlation of Ge E’ defect sites with second-harmonic generation in poled high-water fused silica” optics letters vol.20 No 15(1995)
[28] Akihiro Kameyama, Atsushi Yokotani”identification of defects associated with second-order optical nonlinearity in thermally poled high-purity silica glasses” Journal of applied physics Vol 89 No9(2001)
[29] Akihiro Kameyama, Atsushi Yokotani, Kou Kurosawa ”generation and erase of second —order optical nonlinearities in thermally poled silica glasses by control of point defects”J.Opt.Soc.Am.Bvol.19,No10(2002)
[30] Huai-Yi Chen, Jin-Sheng Sue, Yi-Hsuan Lin, Chin-Shun Tsai, Pao-Tung Wu, Shiuh Chao” Thermal poling and ultraviolet erasure characteristics of type-III ultraviolet-grade
fused silica and application to periodic poling on planar
substrates”JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOL 94, No 4(2003)
[31] N.P. Bansal”handbook of glass properties”(1986)