Моделирование и получения планарных волноводов в градиентных PPLN

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический факультет

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ ВОЛНОВОДОВ В ГРАДИЕНТНЫХ PPLN

Работу выполнил

Нестеренко Михаил Владимирович

Краснодар 2015

Содержание

Введение

1. Оптические волноводы

1.1 Основные оптические эффекты, приводящие к волноводному распространению электромагнитной волны

1.2 Планарные волноводы с градиентным профилем показателя преломления

2. Особенности состава и строения кристаллической решетки LiNbO₃

3. Самовоздействие световых пучков в фоторефрактивной среде

3.1 LiNbO₃ как интегрально-оптическая схема

4. Планарные оптические волноводные структуры и методы их формирования

4.1 Кристаллохимическое описание стекол

4.2 Получение планарных волноводов методами диффузии

4.2.1 Изготовление ОВ методом термическая диффузия

4.2.1.1 Планарные ОВ Ti:LiNbO₃ для интегральной и нелинейной оптики

4.2.1.2 Планарные ОВ Zn:LiNbO₃ для интегральной и нелинейной оптики

4.2.1.3 Формирование планарных волноводов Zn:LiNbO₃

4.3 Метод, формирования, стационарных оптических волноводов протонным обменом

4.4 Метод формирования стационарных оптических волноводов ионной имплантацией

4.5 Метод формирования стационарных оптических волноводов методом, использующий электрооптический эффект

5. Провидение эксперимента и полученные результаты

5.1 Результаты эксперимента

5.1.1 Исследование УФ края полосы собственного поглощения кристалла

5.1.2 Исследование спектров пропускания ниобата лития

5.2 Связь градиента концентрации ионов лития показателем преломления

5.3 Экспериментальный образец

Заключение

Список использованных источников

Введение

В настоящее время в связи с интенсивным развитием современной интегральной и волоконной оптики, появляются большие возможности для применения фоторефрактивных кристаллов и оптически индуцированных волноводных элементов в них, в качестве основы датчиков физических воздействий и устройств управления световыми потоками в системах оптической связи [1]. Волноводные элементы могут быть сформированы посредством использования эффектов пространственного самовоздействия и взаимодействия световых пучков в планарных оптических волноводах в фоторефрактивных кристаллах. Практический интерес к формированию таких элементов в подобных волноводах обусловлен рядом специфических свойств волноводных световых полей и возможностями управления фоторефрактивной оптической нелинейностью волноводных элементов. Так, в оптических волноводах возможно одновременное распространение нескольких направляемых мод, что позволяет реализовать эффекты многоволновых взаимодействий [2]. В волноводных структурах возможно отличие количественных и качественных характеристик эффектов индуцирования светом оптических элементов, термооптической и фоторефрактивной модуляции световых полей в сравнении с их характеристиками в объемных средах. При этом перспективной является возможность реализации, например, элементов для расщепления световых пучков на основе планарных оптических волноводов, сформированных в фоторефрактивных кристаллах. К перспективным методам формирования таких волноводов можно отнести метод ионной имплантации, который позволяет создавать на основе подобных кристаллов полностью идентичные серии оптических элементов [2-6].

Материал, который представляет, наибольший интерес в плане создания измерительных и управляющих оптических элементов, относится кристалл ниобата лития (LiNbO₃), обладающий уникальным набором физических свойств [7]. Благодаря сильному фотовольтаическому эффекту, фоторефрактивный отклик в LiNbO₃ не требует внешнего электрического поля. Кроме того, в настоящее время пластины LiNbO₃ коммерчески доступны и разработаны технологии промышленного производства пластин LiNbO₃ больших размеров. К достоинствам этого материала также можно отнести длительное время хранения оптически индуцированных элементов (до нескольких лет) и развитые методы создания на его основе оптических волноводов: посредством термической диффузии, ионного обмена, ионной имплантации. Легирование LiNbO₃ специально подобранными примесями и изменение стехиометрии может приводить к существенной модификации физических свойств материала: оптического поглощения, удельной проводимости, фоторефрактивной чувствительности. Таким образом, пластины LiNbO₃ и планарные волноводные структуры, сформированные методом ионной имплантации на их основе, представляют практический интерес, в связи с возможностью реализации оптических элементов измерения параметров. и коммутации световых пучков.

1. Оптические волноводы

Оптические волноводы представляют собой протяженные структуры, внутри которых могут распространяться электромагнитные волны в видимой и инфракрасной областях спектра. Оптический волновод представляет собой в простейшем случае диэлектрический стержень круглого сечения (волокно) или прямоугольного сечения с поперечным размером, сравнимым с длиной волны. Несмотря на такую простоту, распространение электромагнитной волны в подобной структуре существенно отличается от распространения в свободном пространстве или в диэлектрическом стержне с поперечным размером, много большим длины волны.

Интерес к оптическим волноводам возник в начале 60-х годов XX века после создания первых полупроводниковых лазеров. Оказалось, что излучение в области p-n-перехода лазера распространяется подобно тому, как СВЧ-электромагнитная волна распространяется в СВЧ-волноводе. Это послужило толчком к развитию теории планарных оптических волноводов и интегральной оптики. Дальнейшее развитие последней позволило создать оптические устройства для обработки информации, которые способны конкурировать с аналогичными устройствами интегральной электроники.

Основным достоинством интегрально-оптических является их высокое быстродействие. Уже созданы интегрально-оптические переключатели с временем переключения менее 100 фс. Такое быстродействие недостижимо для устройств обычной полупроводниковой электроники. Возможность передачи и обработки больших объемов информации определяет бурное развитие интегральной оптики в настоящее время.

При обработке электрических сигналов оптическими методами, в ряде случаев, удается получить выигрыш - за счет упрощения конструкции устройства, увеличения быстродействия и уменьшения мощности управления. Достоинства оптических методов обработки информации иллюстрирует рис. 1.

На нем показаны сравнительные характеристики электронных полупроводниковых переключателей (ПЭП), электронных переключателей на основе джозефсоновских переходов (ДП), оптоэлектронных переключателей (ОЭП) и полностью оптических переключателей (ПОП). Сопоставление производится по мощности (энергии) переключения и времени переключения (быстродействию).

Рисунок 1 - Сравнительные характеристики полупроводниковых электронных переключателей (ПЭП), электронных переключателей на основе джозефсоновских переходов (ДП), оптоэлектронных переключателей (ОЭП) и полностью оптических переключателей (ПОП). Прямыми линиями показаны энергии переключения

Из рисунка видно, что характеристики оптоэлектронных переключателей сравнимы с характеристиками полупроводниковых электронных переключателей, однако, проигрывают джозефсоновским переключателям по уровню мощности управления. В то же время, быстродействие полностью оптических переключателей в 102-103 раз выше, чем быстродействие переключателей других типов. Благодаря высокому быстродействию полностью оптические переключатели являются наиболее перспективными устройствами для волоконно-оптических линий связи будущего, оптических компьютеров и систем обработки информации. Однако, быстродействие полностью оптических переключателей обеспечивается за счет относительно высокой мощности управления. Поэтому, в настоящее время, основная тенденция научных исследований и разработок (стрелка на рис. 1) уменьшение мощности управления таких устройств

Так как в устройствах интегральной оптики носителями сигналов являются электромагнитные волны оптического диапазона, то при разработке интегрально-оптических устройств используются оптические материалы, обеспечивающие распространение оптических сигналов без потерь, а также материалы, позволяющие управлять оптическими сигналами.

Общей характеристикой оптических волноводов для интегральной оптики является то, что показатель преломления материала сердцевины волновода больше, чем показатель преломления окружающей среды.

Оптические волноводы можно классифицировать по двум основным параметрам: по геометрии волновода и по профилю показателя преломления в поперечном и продольном направлениях. По геометрическим характеристикам волноводы делятся на две группы: регулярные и нерегулярные волноводы. К регулярным относятся волноводы, имеющие равномерную и гладкую границу между сердцевиной волновода и окружающей средой, а также отсутствие модуляции показателя преломления в продольном направлении.

Основным типам регулярных оптических волноводов являются планарные волноводы. Планарные волноводы используются в интегральной оптике для передачи оптических сигналов и для построения устройств управления оптическими сигналами: оптических переключателей, модуляторов, коммутаторов и т.д.

По профилю пространственного распределения показателя преломления в поперечном сечении планарные волноводы делятся на две группы: со ступенчатым профилем показателя преломления и с градиентным профилем (альфа-профиль). Во второй группе волноводов показатель преломления плавно изменяется от центра волновода к его границе по определенному закону. Наиболее часто используются волноводы с параболическим профилем показателя преломления. В некоторых случаях используются волноводы с многослойным тонкопленочным покрытием. Такие волноводы представляют собой промежуточную группу между волноводами со ступенчатым профилем и волноводами с альфапрофилем. Для модовой селекции используются волноводы с анизотропным показателем преломления. Такие волноводы изготавливаются из оптически анизотропных материалов, показатель преломления которых зависит от ориентации светового луча относительно оптической оси среды. Для изготовления устройств управления оптическими сигналами в интегральной оптике используются материалы с управляемым показателем преломления. В основе модуляции показателя преломления под действием внешнего управляющего сигнала наиболее часто используются электооптический, акустооптический, термооптический, магнитооптический и нелинейно- оптические эффекты.

Материал оптического волновода может обладать усилением. Волноводы с усиливающей средой используются в волноводных и волоконных лазерах и усилителях.

1.1 Основные оптические эффекты, приводящие к волноводному распространению электромагнитной волны

Основным свойством оптического волновода является способность каналировать электромагнитную энергию оптического диапазона. В лучевом приближении это свойство волновода иллюстрирует рис. 2



Рисунок 2 - Каналирование луча в оптическом волноводе

Волновод на рисунке представляет собой трехслойную структуру из материалов (1…3) с разными оптическими свойствами. В случае каналирования луч распространяется по центральному слою 2.

Очевидно, что такое распространение луча возможно при условии его отражения от границ между средами. Поэтому, рассмотрим законы оптики, описывающие отражение и преломление света на границе между двумя средами с показателями преломления n1 и n2 (рис. 3)

Из граничных условий можно вывести следующие выражения, описывающих свойства лучей при отражении и преломлении:

1. и3 = и1 (Угол падения равен углу отражения)

2. sin и2/sin и1 = n1/n1 (Закон Снеллиуса)

3. Законы Френеля

Рассмотрим подробнее законы Френеля для компонент электрического поля волны. Амплитуды электрического поля падающей (Е1), отраженной (Е3) и преломленной (Е2) волн связаны следующими соотношениями:

, (1)

для случая, когда вектор электрического поля (Е) перпендикулярен плоскости падения излучения (TE-поляризация: Ey, Hx, Hz, где E и H - векторы электрического и магнитного полей) и соотношениями [4]:

, (2)

Рисунок 3 - Отражение и преломление света на границе двух сред

для случая, когда вектор электрического поля (Е) параллелен плоскости падения излучения (TМ-поляризация: Ex, Ez, Hy).

Коэффициенты отражения (R) и пропускания (T) могут быть определены по следующим формулам:

, (3)

Рассмотрим важный для оптических волноводов случай, при котором излучение полностью отражается от границы двух сред (R = 100%).

Данная ситуация реализуется при угле падения большем критического угла ис. Критический угол падения определяется из выражения:

sin иc = n2/n1.

Из приведенного выражения следует, что эффект полного внутреннего отражения может возникать лишь при выполнении условия n1 > n2. Это условие также является необходимым для каналирования излучения в большинстве диэлектрических волноводов.

При распространении электромагнитных волн в тонких пленках и слоях может возникать явление интерференции. В случае оптических волноводов интерференция оказывает решающее влияние на характер распространения волны. Поэтому для понимания процессов, происходящих в оптических волноводах, необходимо рассмотреть основные закономерности интерференции двух электромагнитных волн.

Амплитуда плоской электромагнитной волны описывается выражением:

E(r, t) = E0(r) exp (-iщt) exp [д(r, t)], (4)

где r - координата;

t - время;

щ - круговая частота излучения;

д - фаза волны. При интерференции двух электромагнитных волн одинаковой поляризации происходит сложение их амплитуд:

E = E1 + E2. (5)

Интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны. Квадрат суммарной амплитуды двух электромагнитных волн можно записать в виде:

Учитывая исходное выражение для амплитуды поля и пренебрегая быстроизменяющимся членом exp(-iщt) суммарную интенсивность можно представить в виде:

= + + 2 cos (д₁ - д₂) (6)

Таким образом, при интерференции двух электромагнитных волн суммарная интенсивность зависит от интенсивности каждой волны и разности их фаз. При д₁ - д₂ = 0, 2р, 4р … суммарная интенсивность достигает максимума:

= + + 2 (7)

Из данного выражения видно, что при одинаковой интенсивности падающих волн ( = ) интенсивность волны в максимуме возрастает в четыре раза. При д₁ - д₂ = р, 3р, 5р … интенсивность становится минимальной:

= + 2 (8)

В оптических волноводах интерференционные эффекты приводят к резонансному распространению электромагнитных волн и формированию волноводных мод. Кроме того, явление интерференции широко используется в волноводных оптических переключателях, предназначенных для управления оптическими сигналами, и в волоконно-оптических датчиках. Примером являются волноводные интерферометры Маха-Цендера, которые широко используются в этих устройствах.

1.2 Планарные волноводы с градиентным профилем показателя преломления

Оптические волноводы, имеющие градиент показателя преломления в поперечном сечении, широко используются в и интегральной оптике. В общем случае, профиль показателя преломления можно описать выражением:

(9)

где n₁ - показатель преломления на оси волновода;

n₂ - показатель преломления оболочки;

Д = const; f(x) - функция, задающая градиент профиля показателя преломления;

2а - ширина сердцевины. Наиболее часто используется экспоненциальный либо степенной профиль показателя преломления. В случае степенного профиля («альфа-профиля») функция f(x) имеет следующий вид:

f(x) = (x/a)^б. (10)

В зависимости от показателя степени б могут быть реализованы различные профили показателя преломления: линейный (б = 1), параболический (б = 2) и другие (рис. 4, а). Случай б = ? соответствует ступенчатому профилю показателя преломления.

Рисунок 4 - а - альфа-профили планарного волновода; б - параболический профиль показателя преломления

Рассмотрим свойства прямоугольного волновода с альфа-профилем показателя преломления на примере планарного волновода с параболическим распределением показателя преломления (б = 2). Профиль показателя преломления в таком волноводе показан на рис. 3, б. Анализ свойств волновода будет проведен в рамках лучевого приближения [6].

Из рис. 4, б становится понятным определение параметра Д:

(11)

V² = 2a² k². (12)

Уравнение траектории лучей в двумерной среде с показателем преломления n(x) имеет вид

 (13)

После подстановки в него выражения для n(x) уравнение примет вид

(14)

Здесь u² = a² (k² n1² - в²). Решение данного уравнения с граничным условием x (z = 0) = x₀ приводит к выражению:

(15)

Из данного выражения видно, что в волноводе с параболическим профилем показателя преломления траектория луча имеет периодический характер. Причем период осцилляций равен 2рa2в/V, а максимальная амплитуда осцилляций равна ua/V.

Рисунок 5 - Траектории лучей в волноводе с параболическим профилем показателя преломления

Траектории двух лучей в таком волноводе для разных значений x₀ показаны на рис. 5. Из него видно, что вблизи границы сердцевины волновода происходит не скачкообразное, а плавное изменение траектории лучей. Кроме того, вдоль оси z происходит периодическая фокусировка лучей, т. е. волновод обладает свойствами линзоподобной среды. Выражение для времени распространения луча имеет вид:

(16)

Здесь c - скорость света в вакууме;

L - длина отрезка волновода. При использовании параксиального приближения (в ? kn₁) выражение для времени распространения примет вид

(17)

В данное выражение не входят параметры лучей, т.е. время распространения одинаково для всех лучей в волноводе. Это означает, что в таком волноводе нет межмодовой задержки (см. рис. 5), приводящей к искажению оптических сигналов. Данный эффект имеет простое объяснение. Лучи, которые распространяются вблизи оси волновода, проходят меньший путь, чем лучи, которые распространяются с большей пространственной амплитудой. В то же время лучи вблизи оси волновода находятся в среде с более высоким показателем преломления, т. е. имеют меньшую скорость, чем скорость лучей, достигающих границы волновода. Меньшая скорость распространения компенсирует меньший путь, приводя к выравниванию времени распространения лучей с разными траекториями. Отсутствие межмодовой задержки является важным свойством волноводов с параболическим профилем показателя преломления.

Рисунок 6 - Зависимость нормированной константы распространения от нормированной частоты для волновода с параболическим профилем показателя преломления

Характеристическое уравнение планарного волновода с параболическим профилем показателя преломления может быть получено как в лучевом приближении, так и решением волнового уравнения приближенными методами. Характеристическое уравнение имеет вид

u² = V(2N + 1), N = 0, 1, 2,.... (18)

На рис. 5 показана зависимость нормированной константы распространения b = 1 - [(2N + 1)/V] от нормированной частоты V. Необходимо отметить, что обращение нормированной константы распространения в ноль (b = 0) в данном случае не соответствует реальному условию отсечки моды [6]. Это связано с тем, что при приближенном анализе волновода данного типа предполагается, что среда с параболическим профилем показателя преломления не ограничена в направлении x. В реальных волноводах среда ограничена оболочкой, поэтому данный результат для таких волноводов непригоден.

Ниже приведены распределения компонент поля ТЕ- и ТМ-мод для планарного волновода с параболическим профилем показателя преломления. Распределения получены методом приближенного решения волнового уравнения:

ТЕ-моды:

Ex = Ez = Hy = 0;

;

;

(19)

где = 2a²/V;

H_N - функция Эрмита:

, N = 0,1,2,…. ; (20)

Ey = Hz = Hx = 0;

;

; (21)

N = 0,1,2,…. ; (22)

В данном случае w₀ задается выражением

(23)

Отметим, что распределения полей ТЕ- и ТМ-мод при 2Д << совпадают.

2. Особенности состава и строения кристаллической решетки LiNbO₃

Основной особенностью фазовой диаграммы ниобата лития (рисунок 7) является несовпадение пика конгруэнтной кристаллизации, который обычно находится в диапазоне 48,3-48,65 мол.% Li₂O и имеет достаточно пологие склоны в диапазоне ±2 мол.%, со стехиометрией соединения LiNbO₃ ().

Рисунок 7 - Фрагмент фазовой диаграммы системы Nb₂O₅-Li₂O

Вследствие этого у кристаллов конгруэнтного состава () наблюдается нарушение трансляционной инвариантности в катионной подрешетке (Li⁺-Nb⁵⁺-вакантный октаэдр) в виде доменов с увеличенными плотностью и объёмом кристаллической решетки в областях с дефицитом Li₂O. Домены такого типа могут достигать размеров 5-10 периодов трансляции, а их концентрация - значения 10²⁰ см^-3. Характерным проявлением дефектов решетки явление смещения ионов ниобия на позицию ионов лития (антиструктурный Nb_Li-дефект).

Технология выращивания кристаллических заготовок такого состава позволяет получать достаточно большие образцы с высоким оптическим качеством. Однако кристаллы конгруэнтного ниобата лития отличаются высокой степенью фоторефрактивности и низкой лучевой стойкостью, что сильно ограничивает их применение в лазерной технике. Для улучшения этих характеристик в кристаллическую решетку конгруэнтного кристалла добавляют малые концентрации (<1 мас.%) катионов с ионным радиусом, который сопоставим с радиусом ионов лития и ниобия: Mg²⁺, Zn²⁺, Gd³⁺, B³⁺ и др. Эти катионы имеют высокий коэффициент вхождения в октаэдрические вакансии, почти не искажая структуру кристаллической решетки. Ионы с переменной нестабильной валентностью, такие как Cu²⁺- Cu³⁺ и Fe²⁺- Fe³⁺, резко повышают оптическое поглощение и степень фоторефрактивности.

Кристаллы, полученные из шихты с немного повышенным содержанием Li₂O, имеют близкий к стехиометрическому состав () элементарной ячейки. В идеальных условиях кристаллы такого состава должны обладать наиболее совершенным строением кристаллической решетки. Однако из-за высокой степени разупорядоченности ячейки (большое количество вакансий, взамозамещение ионов и т.д.), неравновесности процесса кристаллизации, а также пологой кривой раздела границы фаз, из-за которой небольшие флуктуации температуры вызывают значительные флуктуации состава, рост кристаллов с данной структурой сопровождается значительным дрейфом значений размеров кристаллической решетки вдоль длины заготовки. Подобные неоднородности зачастую приводят к внутренним механическим напряжениям, растрескиванию кристалла и неоднородности показателя преломления кристалла вдоль его длины. С другой стороны, стехиометрические кристаллы небольших размеров отличаются более высокой лучевой стойкостью и менее подвержены явлению фоторефрактивности из-за высокой структурной упорядоченности соседних ячеек.

Дальнейшее повышение концентрации Li₂O () еще более снижает подверженность кристаллов наведенным термооптическим искажениям, однако резко ухудшает оптическое качество кристалла из-за увеличения количества неоднородностей.

Следует отметить, что изменение в широком диапазоне значений практически не влияет на величину оптической прозрачности кристалла. Под действием лазерного излучения электроны мигрируют по энергетическим уровням соседних вакансий, не вызывая избыточного поглощения; однако именно эта особенность лежит в основе физического механизма фоторефрактивного эффекта.

3. Самовоздействие световых пучков в фоторефрактивной среде

В данном разделе проведен обзор методов легирования фоторефрактивными примесями поверхности и формирования планарных оптических волноводов в LiNbO₃, а также рассмотрены некоторые нелинейно-оптические эффекты и явления, которые наблюдаются в фоторефрактивных кристаллах, и показаны перспективы их применения. Так же будет рассмотрено использование ниобата лития в интегрально-оптической схеме.

3.1 LiNbO₃ как интегрально-оптическая схема

С прикладной точки зрения LiNbO₃ представляет интерес в связи с возможностью индуцирования канальных ОВ для распространения инфракрасного излучения, и на их основе, создания различных элементов переключения и переадресации световых сигналов, эшелонных мультиплексоров и других элементов передачи информации. Кроме того, для многоканальных систем с высококачественными источниками требуются узкополосные фильтры [12]. В работе [13] было отмечено, что во многих направлениях техники используются интерферометры воздушного типа, но в последнее время наблюдается тенденция использования твердого материала между пластинами, интерферометра Фабри-Перо, что обусловлено его компактностью, простотой, легкостью; отсутствием потребности в комплексной электронике и механической структуры для поддержки параллельности рабочих граней. Относительно недавно-в качестве материала прослойки разделительного слоя стали использовать слой LiNbO_3.

В научных работах уже были теоретически описаны и продемонстрировано в практическом применении в плане возможности создания на основе пластин LiNbO₃ с заданной комбинацией' оптических, фоторефрактивных и других свойств элементов для измерения температуры и регистрации оптического излучения и оптически реконфигурируемых элементов преобразования профиля световых пучков. На основе ионно- имплантированных планарных оптических волноводов в пластинах LiNbO₃ продемонстрирована возможность создания элементов расщепления и переключения световых пучков. Поэтому именно в этих кристаллах и волноводах на их основе, открываются широкие возможности создания элементов фотоники для различных цепей передачи, обработки и регистрации оптического сигнала.

Для примера можно проиллюстрировать принцип действия и формирования элементов управления и переадресации световых пучков в ионно-имплантированных планарных волноводах на основе LiNbO₃ для датчиков измерения температуры, где производится регистрация и расчета параметров термочувствительных элементов для этих датчиков, которые способствуют повышению их чувствительности и очности измерения температуры до сотых и даже тысячных долей градуса и элементов для регистрации УФ излучения.

Для сравнения в таблице 1 приведены характеристики некоторых оптических материалов используемых при разработке различных оптических приборов и устройств. Коэффициент линейного теплового расширения LiNbO₃ приведен для кристалла Х-среза, в интервале температур T=(0500)°С[15], и в интервале температур T=(50200)°С для SBN. Показатели преломления для LiNbO₃ и SBN приведены для необыкновенной волны в кристалле при =633 нм[15]. Температурный коэффициент показателя преломления для SBN[16,17] и для LiNbO₃ [18] приведены для необыкновенной волны в кристалле dn_e/dT.

Таблица 1 - Характеристики некоторых оптических материалов используемых при разработке различных оптических приборов и устройств.

Материал	Оптическое стекло	Кварцевое стекло	SBN	LiNbO3
Марка	ЛК-7	КУ-1
Показатель преломления, ne	1,482866	1,460078	2,22	2,2
Коэффициент линейного теплового расширения, 1/°С	44·10-7	4,0·10-7	11,4·10-6	14,4·10-6
Тепловой коэффициент показателя преломления, 1/°С	34·10-7	10·10-6	3·10-4	37,9·10-6

Одним из основных и важных требований к материалу ИТЭ является чувствительность материала к изменению температуры. Как видно из таблицы 1 такие характеристики LiNbO₃ как температурный коэффициент показателя преломления и коэффициент линейного теплового расширения достаточно велики, что позволяет использовать его в качестве ИТЭ [18]. Кроме того, отработаны технологии промышленного производства пластин LiNbO₃ размером до 120 мм. Еще одним преимуществом использования пластин из LiNbO₃ в качестве ИТЭ является их коммерческая доступность, в то время как стоимость пластин SBN достаточно велика. Поэтому основой предложенного элемента стала пластина из LiNbO₃.

4. Планарные оптические волноводные структуры и методы их формирования

Теперь рассмотрим основные методы формирования планарных оптических волноводов в LiNbO_3, оптические эффекты и явления, которые наблюдаются в фоторефрактивных кристаллах, и теоретически будут показаны их применения.

При исследовании эффектов самовоздействия в нелинейных средах, возможность формирования элементов управления светом и преобразования профиля световых пучков в волноводно-оптических структурах привлекает значительное внимание. Это обусловлено, например, тем, что при легировании волноводного слоя на поверхности образца, концентрация примеси, ответственной за фоторефрактивные свойства либо другой механизм оптической нелинейности, может быть доведена в нем до уровня, существенно превышающего ее величину в образцах, легированных по мере их выращивания [2]. Волноводные световые поля неоднородны, поэтому такие волноводные структуры представляют собой многомодовую среду с поперечной неоднородностью нелинейно-оптического отклика [19].

Одним из основных материалов для реализации ОВ и интегрально-оптических устройств на их основе является стекло и LiNbO₃. Для формирования волноводно-оптических структур в кристаллах LiNbO₃ термической диффузии металлов [2,3,12]; протонного обмена в расплавах органических кислот [20,21]; комбинированные методы диффузии металлов и протонного обмена; создания подповерхностных барьерных слоев путем облучения высокоэнергетичными пучками ионов.

4.1 Кристаллохимическое описание стекол

Физические свойства стекол зависят от их строения и состава. Для изготовления пассивных элементов ИОС в качестве подложек, как правило, используются стекла. Это обусловлено, в частности, относительной простотой изготовления оптических элементов и их простотой.

В основе кристаллохимического описания стекол лежат понятия ближнего и дальнего порядков в структуре веществ.

Ближний порядок в общем случае означает правильное расположение отдельных атомов относительно некоторого фиксированного атома.

Для оксидных стекол ближний порядок характеризует расположение атомов кислорода относительно катионов. Например, атомы кремния всегда окружены четырьмя атомами кислорода. Координационные группировки (SiO₄)^4- сохраняются в расплавленном, кристаллическом или стеклообразном состоянии диоксида кремния. Это означает, что в структуре стекла сохраняется ближний порядок в расположении анионов относительно катионов кремния, характерный для координационной структуры кристаллов.

Дальним порядком называется строго периодическое и последовательное расположение атомов или группировок из атомов в пространстве, которое обусловливает образование единой трехмерной решетки.

Если для кристаллических структур характерно наличие ближнего и дальнего порядков, то особенность строения стекол состоит в том, что в их структуре имеется ближний порядок, но отсутствует дальний порядок в расположении координационных групп атомов.

В основе структуры силикатного стекла, т.е. стекла, содержащего в качестве основного компонента кремнезем, лежат ионы (SiO₄)^4-, образующие тетраэдры, в центре которых располагается малый ион Si⁴⁺ радиусом 0,039 нм, а в вершинах находятся более крупные ионы O^2-, имеющие радиус 0,132 нм. Расстояние от центра тетраэдра до центра ионов O^2- составляет 0,162 нм, а между соседними ионами O^2- - 0,265 нм. На рисунке 8 представлен внешний вид такого тетраэдра.

Соединяясь друг с другом вершинами, эти тетраэдры образуют непрерывную в одном, двух или трех измерениях пространственную структуру. Взаимным расположением тетраэдров в структуре, их упорядоченностью определяются основные свойства материала.

Рисунок 8- Внешний вид тетраэдра (SiO₄)^{4 -}

Правильно упорядоченные тетраэдры образуют правильную кристаллическую решетку, характерную для кристаллического кварца (рисунок 9 а), что предопределяет анизотропность его свойств. В то же время в кварцевом стекле (плавленом кварце) наблюдается неупорядоченное расположение тетраэдров (рисунок 9 б) и изотропность свойств наряду с отсутствием ярко выраженной температуры плавления, присущей кристаллическим материалам.

В общем случае в центре кислородных тетраэдров могут находиться и другие стеклообразователи (B, P, Ge), при этом стекла носят названия боратных, фосфатных или германатных.

Рисунок 9 - Кристаллическая решетка кристаллического (а) и плавленого (б) кварца

Как правило, большое число таких тетраэдров (многогранников) имеют общие вершины, занятые так называемыми мостиковыми ионами кислорода. Ионы кислорода, принадлежащие лишь одному полиэдру, называются немостиковыми ионами кислорода. В промежутках структурной сетки могут находиться некоторые положительные ионы (преобразующие сетку), например: Li⁺, Na⁺, K⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. Эти катионы, не способные самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку, называются модификаторами. Катионы модификаторов располагаются в свободных полостях структурной сетки, компенсируя избыточный отрицательный заряд сетки, обусловленный наличием немостиковых ионов кислорода. Кислородное окружение катионов модификаторов формируется в соответствии с их координационными требованиями. Прочность связи модификатор - кислород значительно ниже прочности связи стеклообразователь - кислород, поэтому модификаторы не образуют прочных координационных групп. Так, например, прочность связи кислорода с кремнием равна 443 кДж/моль, а прочность связи кислорода с натрием равна 84 кДж/моль, с калием - 54 кДж/моль. Ионы стеклообразователей, кислорода, щелочных и одновалентных металлов имеют следующие размеры:

Si⁴⁺ = 0,039 нм; Li⁺ = 0,068 нм; Cs⁺ = 0,165 нм;

B³⁺ = 0,020 нм; Na⁺ = 0,098 нм; Ag⁺ = 0,126 нм;

Ge⁴⁺= 0,044 нм; K⁺ = 0,133 нм; Tl⁺ = 0,149 нм;

P⁵⁺ = 0,035 нм; Rb⁺ = 0,149 нм; O^2- = 0,136 нм.

Структурная сетка натрийсиликатного стекла более рыхлая и менее связанная, чем сетка кварцевого стекла, в ней крупнее промежутки и полости, в которых располагаются ионы натрия (рисунок 10).

У плавленого кварца все ионы кислорода - мостиковые. Поэтому он имеет жесткую сетку. Атом кремния в кварце окружен четырьмя атомами кислорода, расположенными симметрично в вершинах тетраэдра. Тетраэдры не образуют в пространстве геометрически правильных соединений, характерных для решеток кристаллических модификаций кварца.

Рисунок 10 - Структурная сетка натрийсиликатного стекла

Несмотря на это, плавленый кварц обладает довольно «плотной» структурой по сравнению со стеклами. Структуры кристаллического и плавленого кварца не являются плотноупакованными, так как тетраэдры соединяются вершинами, а не ребрами и не гранями. В кварцевом стекле имеются свободные структурные полости, ограниченные в пространстве мостиковыми ионами кислорода.

Если в структурную сетку SiO₂ ввести некоторое количество окиси металла, например, Na₂O, то определенное число мостиковых ионов кислорода будет замещено таким же числом пар немостиковых ионов кислорода. Вследствие этого структурная сетка стекла становится менее прочной, степень сцепления сетки уменьшается, а сетка при этом разрыхляется. Это значит, что промежутки между тетраэдрами, а также «окна» между ними увеличиваются, что способствует довольно легкой диффузии ионов различных, чаще всего щелочных, металлов в стекло.

Наличие в стекле катионов щелочноземельных металлов (Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺), выполняющих, как и щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Tl), роль модификаторов, вызывает разрыв структурной сетки и увеличение в ней промежутков и «окон». При замещении щелочных катионов на щелочноземельные степень связности структурной сетки может несколько возрасти, так как щелочноземельные ионы, обладая более высоким зарядом, могут связывать отдельные кремнекислородные цепочки.

Как правило, многокомпонентные стекла с высоким содержанием оксидов щелочных металлов, и в особенности Na₂O, наиболее пригодны для формирования волноводов с помощью диффузионных процессов. Высокая подвижность ионов Na⁺ в матрице таких стекол обусловливает высокую скорость диффузии ионов (K⁺, Ag⁺, Li⁺ и т.д.), увеличивающих показатель преломления стекла, и создает предпосылки для формирования волноводов с большой глубиной световедущего слоя.

При изготовлении волноводов на стеклах часто в качестве подложки используется стекло от фотопластин, оно представляет собой натриевосиликатное многокомпонентное стекло, в состав которого входит: 7273% SiO₂; 1,52% Al₂O₃; 0,080,1% Fe₂O₃; 79% CaO; 34% MgO; 0,51% K₂O и 1415% Na₂O.

Большое содержание окиси натрия (Na₂O14%) позволяет получать высокие скорости диффузии и изготавливать глубокие волноводы со значительными изменениями показателя преломления. Однако в процессе варки этого стекла его спектральная характеристика ухудшается в результате попадания окрашивающих примесей.

Среди окрашивающих примесей наиболее распространен оксид железа, в той или иной концентрации содержащийся в составе всех кварцевых песков. Ионы железа содержатся в стекле в двух- и трехвалентном состоянии. Влияние Fe₂O₃ и FeO на окраску стекла различно: Fe₂O₃ придает стеклу желтовато-зеленоватый или желтый оттенок, FeO синевато-зеленоватый или синий оттенок. Интенсивность окраски, которую вызывает двухвалентное железо, приблизительно в 15 раз сильнее, чем окраска трехвалентным железом. Даже невысокое содержание окислов железа (0,20,5%), что наблюдается у стекол, приводит к сужению спектра пропускания.

Бесцветные силикатные стекла имеют высокое пропускание в видимой области и широкие полосы фундаментального поглощения в УФ- и ИК-областях. В ИК-области силикатные стекла пропускают излучение вплоть до 2,5 мкм. Типичный спектр пропускания силикатных стекол представлен на рисунке 11.

Рисунок 11 - Типичный спектр пропускания силикатных стекол

Край поглощения в ИК-области определяется содержанием остаточных групп ОН. Для обезвоженного стекла граница поглощения в ИК-области сдвигается до 44,5 мкм, а у кварцевого стекла достигает 5 мкм.

Спектральные характеристики стекол, содержащих примеси железа, ограничены в УФ- ( = 400 нм) и в ИК-области. На длине волны = 1,1 мкм наблюдается сильная полоса поглощения, обусловленная наличием Fe⁺². Эта полоса с увеличением содержания железа углубляется и расширяется до = 700 нм.

Поскольку спектральная характеристика оптического волновода во многом будет определяться спектральной характеристикой стекла, выбранного в качестве подложки, то формирование качественных волноводов с широким спектром пропускания лучше проводить на оптических бесцветных стеклах, отличающихся высокой прозрачностью, оптической однородностью, бессвильностью и радиационной стойкостью. Среди них наиболее подходящими в качестве подложек при изготовлении элементов интегральной оптики с помощью диффузионных процессов являются кроны (К), содержащие до 7,2% Na₂O, крон-флинты (КФ) 6%, легкие флинты (ЛФ) 4,5%, а также легкие кроны (ЛК), содержащие до 16,2% K₂O.

Наиболее часто в качестве подложек ИОС используется отечественное оптическое стекло К8, имеющее показатель преломления n=1,515 на л=0,63 мкм. Стекло К8 по своему составу относится к боросиликатным стеклам, оно содержит 72% SiO₂, 8,15% В₂O₃, 10,45% К₂О, 7,2% Na₂О, 1,55% CaO, 0,4% MgO, 0,2% As₂O₃. По составу стекла видно, что оно содержит значительное количество щелочных ионов, которые могут быть заменены в матрице стекла на ионы серебра, что приводит к увеличению показателя преломления в соответствующих местах подложки. Стекло К8 имеет высокое пропускание в видимой и ближней ИК-областях в диапазоне л=0,32,5 мкм.

Из зарубежных стекол широко применяется стекло Corning Pyrex 7740, имеющее показатель преломления n= 1, 473 на л=0,598 мкм, и BK-7, аналог отечественного К8.

Стеклянная подложка, на которой формируются волноводы, должна быть плоской и гладкой, без дефектов поверхностного и приповерхностного слоя. Эти параметры подложек в основном определяются технологическими приемами, используемыми в процессе их изготовления.

4.2 Получение планарных волноводов методами диффузии

Легирование кристаллов LiNbO₃ специально подобранными примесями может приводить к существенной модификации физических свойств материала, например, оптического поглощения, удельной проводимости, фоторефрактивной чувствительности. Другими словами, оптимизацией фоторефрактивных свойств LiNbO₃, возможно осуществить, например, повышение чувствительности и скорости записи элементов, что существенно для оптических устройств. Для повышения чувствительности [7,8,9] к фоторефракции LiNbO₃ легируется примесями переходных металлов, главным образом Fe, а для ее подавления, кристалл легируют примесями Mg и его аналогов (Zn, In, Sc). Практический интерес представляют кристаллы LiNbО₃ легированные железом (Fe) и медью (Cu), для которых фотовольтаическое поле может составлять 10⁴--10⁵ В/см [7].

Для повышения фоторефрактивной чувствительности пластин LiNbО₃ использовалось диффузионное легирование поверхности подложки железом (Fe) и медью (Си). Для этого на первом этапе изготовления исследуемых образцов (рисунок 12 а) на поверхность пластин LiNbО₃ наносились пленки Fe или Сu толщиной 20-120 нм вакуумным термическим распылением. Затем проводилась диффузия при температурах 900-1000°С в течение 40-120 ч. для железа или 2-35 ч при температурах 900°С для меди (рисунок 12 б). Разница во времени, требуемого для диффузии, железа и меди в подложку LiNbO₃, объясняется тем, что величина коэффициента диффузии Сu (D_Cu:=(10,2)10^-8 CM²C^-1) в LiNbO₃ может превышать величину коэффициента диффузии Fe (D_Fe:=(1,80,2)10^-11 CM²C^-1) на три порядка[2]. Перед нанесением пленок диффузанта проводилась химическая очистка и отмывка пластин с использованием органических растворителей (изопропиловый спирт и ацетон). Металлические пленки наносились на поверхность пластин методом вакуумного термического распыления. Контроль толщины пленок диффузанта осуществлялся изменением времени напыления. Основные этапы изготовления исследуемых образцов с поверхностью легированной фоторефрактивными примесями Fe и Си показаны на рисунке 12:



Рисунок 12 -- Этапы производства планарных волноводных оптических структуре поверхности пластины LiNbO₃.

Последним этапом была полировка торцов до состояния оптического качества, что необходимо для эффективного ввода излучения торцевым методом в планарный оптический волновод. Используя данную методику можно варьировать время диффузии, температуру отжига и толщину нанесенной пленки металла, что дает возможность формировать планарные волноводы и одномерные волноводные решетки с наперед заданными свойствами. Для формирования ОВ с заданными свойствами необходимо подробное знание зависимости показателя преломления от концентрации легирующей примеси.

Теперь рассмотрим самые распространённые методы формирование волноводов на подложках LiNbO₃. К ним относятся методы термическое диффузии, протонного обмена и ионно-имплантация, уменьшение концентрации носителей и электрооптический эффект.

4.2.1 Изготовление ОВ методом термическая диффузия

Термическая диффузия (диффузия из тонких металлических или окисных пленок), как способ изготовления интегрально-оптических волноводов, нашла широкое применение в интегральной оптике.

Сущность метода термической диффузии заключается в том, что на предварительно хорошо очищенную подложку наносится тонкий слой металла или его окисла. Затем подложка нагревается до температуры, близкой к температуре плавления или размягчения и выдерживается при этой температуре определенное время. В результате атомы напыленного материала диффундируют в подложку, изменяя ее показатель преломления. Для создания волноводного слоя необходимо использовать диффузанты, приводящие к увеличению показателя преломления подложки.

4.2.1.1 Планарные ОВ Ti:LiNbO₃ для интегральной и нелинейной оптики

Самый распространены и наиболее применяемый метод при создании планарных и канальных ОВ в LiNbO_3, это высокотемпературная диффузия металлов и оксидов. При этом диффузия происходит при температурах 950-1050°С. С точки зрения оптического качества волноводных слоев и возможность достижения малых толщин волноводов, что имеет принципиальное значение для реализации электрооптических и акустооптических элементов, наиболее удачной оказалась методика диффузии титана (Ti). Этот метод позволяет формировать высокочастотные волноводы с низким оптическими потерями, малой эффективной толщиной и высокой стойкостью к оптическому разрушению. Большинство известных интегрально-оптических элементов основаны на ОВ полученных на диффузии Ti:LiNbO_3.

Одним из недостатков метода диффузии Ti в подложку LiNbO₃ я является дрейф параметров устройства, полученных этим методом. Это переходные процессы могут быть объяснены за счет анизотропного перераспределения объемного заряда в LiNbO₃ после резкого изменения приложенного напряжения. Как известно пироэлектрический эффект приводит к зависимости параметров интегрально-оптических устройств, сформированных диффузией Ti в LiNbO₃ от температуры. Это влияние может быть уменьшено и практически устранено за счет тщательного выбора ориентации кристалла и геометрии устройства. Так же установлено, что работоспособность таких устройств ухудшается при воздействии сильнонасыщенных водяных паров.

4.2.1.2 Планарные ОВ Zn:LiNbO₃ для интегральной и нелинейной оптики

Как уже было сказано, ниобат лития является одним из наиболее широко применяемых в настоящее время сегнетоэлектрическим материалом, универсальным для оптических применений благодаря возможности управлять его свойствами путем варьирования состава. Ниобат литий сильно зависит от состава, и одно из его основных свойств является фоторефрактивная чувствительность, из этого одной из главных задач является ее подавить, так как она сильно влияет на модуляцию оптического излучения, то есть нужен «нефоторефрактивный состав». К «нефоторефрактивным» примесям можно отнести цинк (Zn). При создании оптических волноводов Zn:LiNbO₃ используются методы диффузии из паров Zn металлических пленок Zn и оксидных пленок ZnO.

Рассмотрим формирование планарных волноводов Zn:LiNbO₃. В качестве примера приведу научную статью, посвященную данному методу.

4.2.1.3 Формирование планарных волноводов Zn:LiNbO₃

Для формирования планарных волноводов использовались подложки конгруэнтного ниобата лития X- и Y-срезов, которые имели толщину от 1 до 2 мм и поперечные размеры по полярной оси Z - от 5 до 10 мм, а вдоль направления распространения света (оси Y или X, соответственно) - от 10 до 20 мм. Пленки ZnO на LiNbO₃ получали из пленкообразующих растворов методом вытягивания. В качестве исходных веществ были выбрана соль нитрата цинка и салициловая кислота (C₆H₄(OH)COOH), растворитель - 96%-й (мас.) этанол. Установлено, что необходимое значение вязкости раствора (1,96 мм²/с) для получения качественных пленок достигается при соотношении Zn²⁺: C₆H₄(OH)COO- = 1:2; вязкость растворов измеряли на вискозиметре типа ВПЖ-2 при комнатной температуре. Полученные оксидные пленки были однородными, размер зерна по поверхности изменялся в пределах 10-17 нм, высота кристаллитов не превышала 20 нм. Толщина пленоксоставляла ~86 нм. Пластины ниобата лития с нанесенными на них пленками ZnO помещались в трубчатую печь СУОЛ-25 для проведения диффузии. Нагрев образцов осуществлялся со средней скоростью 35 єС/мин, температуры отжига составляли от 870 до 1050 єС, начальная скорость снижения температуры не превышала 15 єС/мин. Используемые при создании волноводов Zn:LiNbO₃ типичные параметры диффузионного процесса, для некоторых образцов с условной нумерацией 1-5 приведены в таблице, наряду с данными по количеству волноводных ТЕ-мод, экспериментально наблюдаемых в них на трех длинах волн.

Таблица 2 - Параметры диффузии и волноводов Zn:LiNbO_3.

Образец	Параметры диффузии (время, температура)	срез	Число ТЕ-мод, нм
			526,5	632,8	1053
1(+Y)	2 ч (2 цикла по 1 ч),870 єС	Y	2	3	1
1(-Y)	2 ч (2 цикла по 1 ч),870 єС	Y	2	3	1
2	2 ч, 930 єС	Y	2	2	1
3	3 ч (3 цикла по 1 ч),880 єС	X	3	3	1
4	5 ч(2 цикла:4 и 1 ч),870 єС	X	3	3	2
5	3 ч (3 цикла по 1 ч),900 єС	X	2	2	1

В образце 1 Y-среза, имеющего обе оптически полированные поверхности, пленки осаждались из раствора естественным образом на каждую из них, и волновод формировался как на поверхности с нормалью +Y, так и на поверхности с нормалью -Y. Для исследования характеристик полученных волноводов после отжига производились оптические измерения спектра эффективных показателей преломления волноводных мод и показателя преломления подложки методом призменного ввода-вывода излучения. Эксперименты показали, что импульсное излучение с длиной волны 1053 нм при некоторых углах ввода приводит к ГВГ в исследованных волноводах Zn:LiNbO3, которая фиксировалась по m-линиям, выводимым из волновода выходной призмой связи на длинах волн 532 и 526,5 нм соответственно. Измеренные углы ввода свидетельствуют о том, что при некоторых из них ГВГ обусловлена несинхронным волноводным процессом, когда возбуждаемая в волноводе ТЕ-мода ИК-диапазона является волной накачки. Другие углы, при которых наблюдается волноводная ГВГ, обусловлены тем, что наводимая при отражении волны накачки от границы раздела призмы ввода с поверхностью волновода нелинейная поляризация находится в синхронизме с волноводной модой на частоте второй гармоники. Данная методика позволяет определять спектр эффективных показателей преломления волновода сразу для двух длин волн (1053 и 526,5 нм), при использовании излучения с единственной длиной волны 1053 нм.