光电子技术是继微电子技术之后兴起的一门高新技术,并与微电子技术共同构成了信息技术的两大支柱,包括光纤技术和集成光学等重要分支。光波导不仅提供了光纤技术的基本理论,同时也是集成光学的基础元件,因而引起了人们的极大关注。目前,常用的制备光波导结构的方法主要有金属扩散、离子交换、离子注入与薄膜生长等。其中,薄膜生长又包括溅射、外延、热蒸发以及脉冲激光沉积(PLD)等技术。与其它薄膜生长技术相比,PLD具有能够保持靶材与薄膜组分一致的优点,在多元氧化物薄膜制备方面有着独特的优势。另外,离子注入技术作为一种成熟的材料表面改性技术已经成功地在多种光学材料上实现了光波导结构。本论文采用PLD和离子注入这两种技术制备了硅酸镓镧光波导结构。硅酸镓镧(简称LGS)晶体是一种集压电、电光及激光等性质为一体的多功能晶体。目前对于LGS的研究主要集中于大尺寸、高质量光学级单晶的生长以及压电、电光等性质方面,对LGS薄膜以及波导特性的研究较少。仅有少数研究者采用液相外延法、溶胶凝胶法以及射频溅射法等进行LGS薄膜的制备及其结构、形貌等性质的研究；对波导特性的研究只有关于O离子注入LGS晶体形成波导结构的报道。因此进行LGS光波导结构的制备及特性研究具有一定的科学意义和潜在的实用价值。本文在LGS晶体生长及热学、光学性质的研究基础上,采用PLD技术在不同的衬底材料上制备了LGS薄膜光波导结构,利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及荧光光谱仪(PL)等多种技术手段对薄膜的结构、形貌进行了表征,采用棱镜耦合法测量了薄膜光波导结构的波导特性。另外,利用H离子注入LGS晶体制备了平面光波导,采用棱镜耦合法测试了光波导的暗模特性,应用端面耦合法得到了光波导的近场出光图以及传输损耗；并在折射率分布拟合和离子注入过程模拟的基础上对光波导的形成机理进行了分析。主要工作如下：(1)LGS与Nd:LGS晶体的生长及性质研究1、采用纯度为99.99%的La2O3, Ga2O3和SiO2原料通过固相法合成了晶体生长所用的多晶料,利用提拉法生长了LGS晶体。并在上述原料中添加合适比例的Nd2O3,采用相同的方法生长了掺杂浓度为1at%的Nd:LGS晶体。2、采用差热扫描量热计测试了LGS晶体的比热,室温下的值为0.48J／g℃；利用热机械分析仪测量了LGS晶体在30℃-500℃范围内不同方向上的线性热膨胀系数,α11=5.92×10-6／℃,α33=4.01×10-6／℃；用激光脉冲法测定了LGS晶体Z向的热扩散系数,室温下的值为0.792mm2／s。3、采用UV／VIS／NIR光谱仪测量了LGS和Nd:LGS晶体的吸收谱。LGS晶体在580-2500nm波长范围内的透过率为～81.8%,Nd:LGS晶体在此范围内的透过率为-80.9%。Nd:LGS晶体除了在808nm处有一个半峰宽为21nm的强吸收峰,在882nm处还有一个稍弱的吸收峰。利用棱镜耦合法测得了LGS晶体在633nm波长下的折射率：ne=1.9112,no=1.8995。(2) SiO2/Si(100)衬底上LGS薄膜的制备及性质研究利用PLD技术在SiO2/Si(100)衬底上成功制备了LGS薄膜光波导结构,研究了氧压、生长及退火温度等因素对薄膜结构、形貌及波导特性的影响。1、氧压的影响。XRD结果表明LGS薄膜的(300)和(220)衍射峰强度随着氧压的升高而逐渐增加,这应该与较高氧压时较小的沉积速率有关。采用TEM观察了薄膜的微结构,发现氧压为20Pa时制备的薄膜中存在非晶部分。形貌分析表明制备的薄膜表面平整无裂纹,与衬底的结合紧密无开裂。PL光谱结果表明在较高氧压下生长的薄膜中,Ga离子似乎更倾向于占据氧八面体空位。2、生长及退火温度的影响。室温生长的无定形态薄膜经过800℃以上的高温退火显示出典型的多晶结构,并且表面的裂纹继续发展使得薄膜裂成碎片。而400℃生长的薄膜经过1000℃退火后沿(200)和(400)晶面择优取向,并且晶粒颗粒尺寸逐渐增大,表面无裂纹。在高温退火样品的TEM图像中发现薄膜与衬底相互扩散反应的现象。分析认为这应该是La203与Si02在高温下反应生成了LaxSiyOz的缘故。3、1000℃的退火温度对不同氧压下生长的薄膜的影响。虽然不同氧压下生长的薄膜表现出了一致的结晶取向,但是经过1000℃的高温退火后,与20Pa制备时的薄膜相比,较低氧压下(5Pa,10Pa)制备的薄膜取向性较差。形貌分析也表明较高氧压下制备的薄膜经过退火之后晶粒生长比较充分。薄膜的最初生长条件直接影响了退火后的薄膜结构。如果想要通过退火得到较高结晶质量的薄膜,则应该在最优的沉积条件下进行薄膜生长。4、波导特性的研究。利用棱镜耦合法分别测试了氧压为5Pa,20Pa时生长并经过750℃退火的薄膜波导的暗模特性图,在有效折射率的基础上得到了薄膜的折射率和厚度。结果表明在测试范围内,退火前后的薄膜都观察到了有效折射率大于衬底折射率的模式,表明采用PLD成功的制备了LGS薄膜波导结构。薄膜的折射率随着结晶质量的提高逐渐接近LGS晶体的折射率。(3)蓝宝石衬底上LGS薄膜的制备及性质研究利用PLD技术在蓝宝石衬底上制备了LGS薄膜,研究了不同退火温度下的薄膜结构、形貌及其波导特性。温度为400℃,氧压为20Pa时生长的无定形态LGS薄膜,在经过1000℃退火之后呈现多晶结构,但同时伴有杂相Ga203和LaxAlyOz的生成。未经退火的薄膜表面平整无裂纹,粗糙度为2.73nm。利用棱镜耦合法测得LGS薄膜光波导的暗模特性图,并计算出薄膜的折射率和厚度,观察到薄膜具有有效折射率大于衬底折射率的导模。未退火时的薄膜寻常光折射率no=1.8030,异常光折射率ne=1.8114。经过750℃的退火后no=1.8915,ne=1.8926,与体单晶折射率更为接近。(4)石英玻璃衬底上LGS薄膜的制备及性质研究利用PLD技术在石英玻璃衬底上制备了LGS薄膜,研究了不同退火温度下的薄膜结构、形貌及波导特性。温度为400℃,氧压为20Pa时在石英玻璃衬底上制备的LGS薄膜为无定形；即使经过1000℃的退火也没有明显的衍射峰出现。未经退火的薄膜表面平整无裂纹,粗糙度为3.29nm；在经过1000℃退火之后薄膜表面出现裂缝,这是由薄膜与衬底的热膨胀系数相差较大引起的。利用棱镜耦合法测得LGS薄膜波导结构的暗模特性图,并计算出薄膜的折射率和厚度。未退火时的薄膜寻常光折射率为no=1.7883,异常光折射率ne=1.8023。经过750℃的退火后no=1.8197,ne=1.8206,依然与体单晶折射率相差较大,这是由石英玻璃衬底上较差的薄膜结晶质量造成的。(5)H离子注入LGS及Nd:LGS晶体形成光波导结构应用H离子注入Z切LGS晶体形成了平面波导结构,注入能量为500keV,剂量为9.6×1016ions/cm2。采用棱镜耦合法得到了波导的暗模特性图；利用RCM模拟了波导的折射率分布曲线,并结合SRIM拟合得到的离子注入过程中电子及核损伤随注入深度的关系曲线,分析了波导形成的机理。对于寻常光no来说形成了折射率降低的光学位垒,而异常光ne则同时存在折射率增加的势阱和光学位垒。分析认为位垒的折射率降低主要是由核能量损失引起的晶格损伤造成的；而波导区折射率增加则可能是近表面区域的大量电子能量沉积导致的。利用端面耦合法得到了波导的近场出光图,并用基于有限差分光束传播法的BeamPROP软件进行了近场光强分布模拟,所得结果一致。利用Back-Reflection端面耦合法得到了不同温度下的波导传输损耗,结果表明随着退火温度的升高及退火时间的增加,波导的传输损耗逐渐降低。在200℃—800℃范围内的退火使得波导有效折射率随着退火温度的增加逐渐向衬底的折射率靠近。利用能量为500keV,剂量为9.6×1016ions/cm2的H离子注入Z切Nd:LGS晶体形成了光波导结构,使用端面耦合法得到了波导的近场光强分布。