第2节
铌酸锂
——一种重要的工业材料
光电工业中最重要的合成晶体之一是铌酸锂（LiNbO3）。它的晶格布局类似于蓝宝石（Al2O3），但交替的锂离子和铌离子（而不是两个铝离子）会增加结晶轴的摆动。铌酸锂不是一种天然材料，需要人工合成，现在已得到广泛应用，例如在电视、手机和光纤通信系统中。从本质上来说，它是氧化锂和氧化铌的混合物。不幸的是，将这两种材料熔化在一起时，氧化锂和氧化铌并非各占一半，其中锂的含量偏少。这样生长出的晶体性质明显不如预期，因此，人们投入大量精力来克服由此产生的困难。这一领域问题重重，因为在光学应用方面（例如制作光波导），我们需要制作高折射率的区域来限制光束。从商业上来说，可以通过对钛（Ti）离子或质子（H）等杂质的处理来实现这一目的。化学掺杂和取代反应可以引入新化合物的多个相和扭曲的铌酸锂结构。控制铌酸锂的折射率能带来丰厚的商业利益，因此这些年有关它的研究成千上万。之所以会有如此大的精力与财力投入，最显而易见的原因就是光电子产业能带来巨大的商业回报。
但是，改变铌酸锂折射率的种种化学方法往往会降低其光电性能，并且对结构相同的晶体（如钽酸锂）无效。我个人对这个问题很感兴趣，因为我看到了利用完全基于缺陷的方法来克服这些困难的机会。这种方法不仅在铌酸锂（和钽酸锂）上取得了成功，也可用于其他数百种材料，制造光波导、波导激光器和其他光电器件，而且我们尚未找到在这些材料中制作光波导的化学途径。如今这种方法已得到广泛应用。
制造缺陷，形成光波导
制作光波导的关键步骤是将光限制在比周围介质折射率更高的路径内。铌酸锂所采用的方法非常特殊，通过掺杂钛或氢来提高折射率，但是，如前所述，这些技术降低了铌酸锂的光电性能，并且不适用于其他结构类似的材料。我所采用的另一种方法是利用缺陷，不是提高光波导材料的折射率，而是降低与光波导相邻层面的折射率，从而确定低折射率的边界。这种方法保留了光波导材料的理想特征，如果边界也是透明的，则不会降低光波导的质量。这个概念很简单，但我选择了一种几乎适用于所有光学材料的技术，它的基础是离子注入对主体晶格造成的损伤和破坏。
在注入过程中，高能粒子在沉积能量的同时开始减速。起初由于能量较高，会先出现晶格电离（对晶格造成轻微损伤，随后可以通过适度的热处理予以消除）。但在粒子运动轨迹的末端，能量传递更加高效，形成核碰撞损伤，它会破坏目标晶格。对于石英一类的透明晶体，损伤区域会变成无定形二氧化硅，折射率下降约5%（对光波导技术而言，这个下降幅度已足够大）。因此，注入离子（如氦）并造成晶格损伤，这是一种简单的方法。它不会改变近表层的高折射率，而是在离子射程的末端形成低折射率的基底，由低折射率的基底将主体分隔（图9.5）。为了确定光波导的边界，我们只需另外注入低能离子。
图9.6显示了离子注入形成的石英光波导，其注入能量为2.2MeV（百万电子伏特）的氦离子。在引导区域造成轻微的电子损伤，但氦离子造成的核碰撞损伤将石英转化为无定形二氧化硅。通过折射率分布图可以看出，小剂量的离子造成损伤和穿透，但高剂量的离子会使一个较大区域的折射率降低，从而限制光的传输，形成光波导。适度的热处理可以消除电子损伤，这是一种非常优秀的、损耗极低的波导。在图9.6中，我选择将折射率的降低率作为纵轴，它可以形象地体现一个限制光的光陷阱。在损伤区域，氦（或其他）离子不会污染波导，意识到这一点，你就会发现，这种方法的成效显著，令人赞叹。此外，这些离子仅占整个波导结构中离子总数的0.1%，甚至更少。如果使用质量更重的离子，所需浓度会更小。
▲图9.5 制作光波导的方法
注：掺杂剂扩散提高了引导区域的折射率，而注入所形成的“损伤”则降低了引导区域之下的折射率。在铌酸锂中，钛的扩散需要在高温下经过数小时才能完成，并且它会降低其光电性能。相比之下，离子注入非常迅速，甚至可以在室温下进行，并且不会改变晶体性能。
图9.6 离子注入形成的石英光波导
注：从晶体石英光波导向下延伸到核损伤区域，该区域已转化为无定形二氧化硅。注入能量为2.2MeV的氦离子。当离子剂量较小时，即每平方厘米1016个离子，离子的投影射程（Rp）清晰可见。剂量为8×1016个离子/平方厘米时，低折射率的体积会扩大。
我最初的目标已经实现，使用铌酸锂的试验取得了成功。其反应基本上与石英相同，但对于更加复杂和非化学计量的目标成分，电子能量传递会导致一些永久性的微小变化，这些变化因沿不同结晶轴的光的折射率差异而有所不同，但它不会降低材料的品质。如图9.7所示，在表面以下不同深度制作光波导都很容易，但通过化学扩散制作光波导则无法做到这一点。此外，许多重要的光电子材料具有相变，因此无法使用高温扩散掺杂的方式。
图9.7 铌酸锂中一对掩埋式光波导
注：用两种不同的氦离子能量来制作一对掩埋式光波导。中间的阻隔是可控的，从而使两个光陷阱在引导时发生耦合。
该方法真正的重要价值在于，我们可以在数百种材料中制造光波导，而人们尚未找到或开发出在这些材料中制造光波导的其他途径。这些材料已被用于众多光电器件中，如波导激光器、用于使激光器频率加倍的系统（产生二次谐波）、路由交换，以及许多更加复杂的光电器件。总的来说，基本原理并不复杂，重要的是控制缺陷。
现在用离子束治疗癌症也遵循了同样的策略，在高能离子运动轨迹的末端，即肿瘤埋藏的深处，离子积蓄了大量破坏性能量。但在这个过程中，组织的电离会造成一些问题，我们需要权衡利弊。