二氧化钒薄膜的热光调制研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.57MB 46 页 15积分

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摘要

为了实现调制作用，广泛采用机电的、几何光学的、物理光学的各种效应，

使光载波信号的一个或几个特征参量随被测信息改变。因此，调制过程实际上是

被测信息的感知和能量形式的变换传递过程。比较成熟的调制技术包括电光调

制、声光调制、磁光调制，相对以上几种调制方式热光调制发展较晚。这主要是

因为普通材料的热光系数较低，材料的光学常数随温度变化比较小，很难实现快

速调制。之前都是从改善加热电路或材料的结构入手来提高调制速率，但没有根

本改变因材料热光系数低而造成的调制速率低等问题。

为了根本解决上述问题，本研究基于二氧化钒薄膜在约 68℃半导体和金属

间的可逆相变，针对其相变理论和热光效应的复杂性，从洛伦兹-洛伦茨公式出

发，借鉴玻璃的热光系数推导过程，最终数值拟合得到了二氧化钒折射率和消光

系数随温度和波长变化的表达式，并与实验结果进行对比，结果表明理论计算数

值与实验数据两者较为一致。

采用磁控溅射方法制备了钒金属薄膜，并结合后退火工艺成功制备出了二氧

化钒薄膜。通过 XRD 和AFM 测量分析，其结构为多晶的二氧化钒薄膜，且具

有较好的致密度和平整度。独立建立了一套二氧化钒薄膜材料的光学特性测试系

统，测量了二氧化钒薄膜相变前后的透过率和热光调制特性。在近红外波段内，

二氧化钒薄膜相变前后透过率的改变量为 40%左右，分析和测试结果表明，所制

备的二氧化钒薄膜具有较好的热光开关和调制特性。

关键词：二氧化钒薄膜热光调制磁控溅射后退火

ABSTRACT

In order to achieve optical modulation, one or more characteristic parameters of

optical carrier are varied with modulation signal, in use of many effects including

geometrical optics, physical optics and mechanotronics. In fact, the modulation is

used to measure the signal and transport it by means of transition of different forms of

energy. There are many highly developed optical modulation technology, including

electro-optic modulation, acoustooptic modulation, magneto-optical modulation, and

thermo-optic modulation is relatively immature compared to the mentioned

techology. Because the optical constans of common material change little with

temperature variation due to the low thermo-optic coefficient of the material, it is

limited for high-speed applications. Many researchers paid attention to the

improvement of heating circuits and microstructure of the material to solve the

problem, but it seemed to make no impression on high-speed thermo-optic

modulation.

In order to get the root of the problem, vanadium dioxide thin film is proposed. It

exhibits a semiconductor-to-metal transition at a critical temperature of 68℃, but the

phase change mechanism and the accurate analytic expression of thermo-optic

coefficient is extremely complex. Based on Lorentz-Lorenz equation, we got its

temperature-dependence dispersion formula of optical constants by numerical fitting

with Sellmeier dispersion formula and thermo-optic coefficient expression of glass,

and the formula is proved to be valid by comparing theoretical data with experimental

data.

In the present work, VO2films are deposited using magnetron sputtering

deposition technique and characterized with post-annealing process. Through x ray

diffraction and atomic force microscopy analysis, it shows that the material is

polycrystalline structure and the surface is smooth, compact and symmetrical. The

infrared optical transmittance and thermo-optic modulation characteristic of the

material is measured by a self-made measurement system. In the infrared region, the

transmittance before phase transition is higher 40% than it after phase transition. In

conclusion, the vanadium dioxide thin film is proved to be for switch and

thermo-optic modulation.

Keyword: vanadium dioxide, thin films, thermo-optical modulation, magnetron

sputtering, post-annealing

III

摘要

Abstract

第一章绪论 ...................................................................................................................................... 1

§1.1 引言 ........................................................................................................................................... 1

§1.2 调制的基本原理及概念...........................................................................................................1

§1.3 调制盘调制 ............................................................................................................................... 4

§1.4 电光调制 ................................................................................................................................... 5

§1.5 声光调制 ................................................................................................................................... 6

§1.6 磁光调制 ................................................................................................................................... 7

§1.7 小结 ........................................................................................................................................... 8

第二章热光调制的基本原理及应用 ..............................................................................................9

§2.1 引言 ........................................................................................................................................... 9

§2.2 色散的数学模型....................................................................................................................... 9

§2.2.1 介电极化率和磁极化率 ........................................................................................9

§2.2.2 有效场 .................................................................................................................. 10

§2.2.3 洛伦兹-洛伦茨公式 .............................................................................................11

§2.2.4 初等色散理论 ......................................................................................................12

§2.3 玻璃热光系数的推导.............................................................................................................15

§2.4 根据热光效应制作的调制器 .................................................................................................16

§2.5 小结 ......................................................................................................................................... 18

第三章二氧化钒薄膜的理论研究 ................................................................................................20

§3.1 引言 ......................................................................................................................................... 20

§3.2 二氧化钒的基本理论.............................................................................................................20

§3.2.1 VO2晶格和电子学结构 ....................................................................................21

§3.2.2 相变机制的两种物理解释：Peierls 机制和 Mott-Hubbard 机制 ................23

§3.3 二氧化钒热光效应.................................................................................................................27

§3.4 小结 ......................................................................................................................................... 30

第四章 VO2热光调制特性研究 .................................................................................................... 32

§4.1 引言 ......................................................................................................................................... 32

§4.2 二氧化钒的制备..................................................................................................................... 32

§4.2.1 衬底材料的清洗 ..................................................................................................32

§4.2.2 磁控溅射镀膜 ......................................................................................................33

§4.2.3 后退火制备二氧化钒薄膜 ..................................................................................35

§4.3 二氧化钒薄膜的微结构表征 .................................................................................................35

§4.4 二氧化钒薄膜的热光特性测试 .............................................................................................37

第五章结论 .................................................................................................................................... 41

参考文献.......................................................................................................................................... 42

致谢 .................................................................................................................................................. 46

第一章绪论

§1.1 引言

光调制指的是以光波作为信息载体，通过改变光载波的一个或几个特征参数

的过程。广义的光调制泛指将信息直接加载到光载波中，比如物体燃烧所辐射的

光中必然包含着该物质的特征谱线，地面物体反射太阳光的光谱中也包含着该物

体的相位信息等，所以从该意义上讲，所有的光学现象都属于光调制[1]。狭义的

光调制类似于无线电通讯中的调制过程，即指通过改变光波振幅、强度、相位或

频率、偏振等参数使之携带信息的过程。调制的目的是对所需处理的信号或被传

输的信息作某种形式的变换，使之便于处理、传输和检测。在无线电通信领域中

早已应用了调制和解调技术。然后通过解调技术，从已调制信号中恢复原始信号，

解调即通常所说的信息检测。光调制是光电系统中的一个重要环节，在现实生活

中也有着广泛的应用。

光的调制方法多种多样，应用最早的是通过调制盘对光的强度（能量）进行

调制，该方法到现在依然还有广泛的应用领域。逐渐发展成熟的还有电光、声光、

磁光等调制技术，它们通过电场、声场、磁场对光的作用来实现对光振幅、相位

及频率等参数的调制。

如果按调制是在光源内部还是在光源外部来进行分类，还可将调制分为内调

制和外调制两类。所谓内调制是指将欲传输的信号直接加载于光源，以改变光源

的输出特性来实现调制。其中最简单的是对半导体激光器的驱动电源用调制信号

直接控制，从而实现对所发射激光的强度进行调制的目的。另一种内调制方法是

把调制元件放在激光器的谐振腔内，用欲传输的信号控制调制元件物理性质变

化，从而改变光腔参数，以达到调制激光输出的目的。

外调制是在光源的外光路上放置调制器，将欲传输的信号加载于调制器上，

当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生变化，从而实现了信号的调制。

§1.2 调制的基本原理及概念

与无线电通信技术中利用无线电波作为传输语言或图像的载波相似，在光电

技术中用光波作为传递信息的载波。由于光波频率较之无线电频率高，所以用光

波传递信号的容量大。此外，由于光波传输具有方向性，因此用光波传输信息还

具有保密性好，抗干扰能力强等优点。

调制就是使载波的某一参量（例如其幅度、频率、相位等）按欲传输信号规

二氧化钒薄膜的热光调制研究

律变化的过程[2]。调制不仅可以使光信号携带信息，从而具有与背景噪声不同的

特性，便于抑制背景光的干扰，而且可以抑制系统中各环节的固有噪声和外部电

磁场的干扰，因此采用调制的光电系统在信号的传输和探测过程中，具有更高的

探测能力。

光波的调制形式很多，可以分为三种：模拟调制、脉冲调制和数字调制。在

模拟调制形式中，信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏转。因此，在

任何时刻，信息信号的幅度与波参数的幅度之间都有一一对应的关系。模拟调制

包括调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种方式，其中调频和调相又成为

调角，典型的调幅过程如图 1.1 所示。

图1.1 典型的模拟调制图形

脉冲调制和数字调制则是对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，而用脉冲

序列载波，如图 1.2 所示。在脉冲调制中，脉冲序列的某一参量随低频调制信号

的变化而变化。脉冲调制主要有脉冲调幅（PAM）、脉冲调宽（PWM）、脉冲调

频（PFM）和脉冲调位（脉冲调相或脉冲时间调制 PPM）等形式。

调制信号

载波信号

调幅波

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I摘要为了实现调制作用，广泛采用机电的、几何光学的、物理光学的各种效应，使光载波信号的一个或几个特征参量随被测信息改变。因此，调制过程实际上是被测信息的感知和能量形式的变换传递过程。比较成熟的调制技术包括电光调制、声光调制、磁光调制，相对以上几种调制方式热光调制发展较晚。这主要是因为普通材料的热光系数较低，材料的光学常数随温度变化比较小，很难实现快速调制。之前都是从改善加热电路或材料的结构入手来提高调制速率，但没有根本改变因材料热光系数低而造成的调制速率低等问题。为了根本解决上述问题，本研究基于二氧化钒薄膜在约68℃半导体和金属间的可逆相变，针对其相变理论和热光效应的复杂性，从洛伦兹-洛伦茨公...

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