Содержание к диссертации
Введение
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 9
ВВЕДЕНИЕ 22
Глава 1. ФОТОРЕФР АКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ И ИХ ФОРМИРОВАНИЕ В КРИСТАЛЛАХ 27
1.1. Фоторефрактивный эффект и запись фазовых голограмм в оторефрактивных кристаллах и волноводах 27
1.1.1. Введение 27
1.1.2. Теория записи фазовых голографических решеток в фоторефрактивных кристаллах. Механизмы топографической записи 29
1.1.2.1. Фотовольтаический механизм записи 30
1.1.2.2. Запись на свободных носителях 31
1.1.2.3. Поляризационный механизм 32
1.1.2.4. Диффузионный механизм 33
1.1.2.5. Тепловой механизм 33
1.1.3. Расчет стационарных решеток 34
1.1.4. Процессы стирания решеток 35
1.1.5. Фазовые стационарные решетки в сегнетоэлектрических кристаллах 38
1.1.6. Фиксация фазовых голограмм в фоторефрактивных кристаллах 40
1.1.7. Особенности голографической записи в двупреломляющих
фоторефрактивных кристаллах и анизотропных оптических волноводах 41
1.2. Методы формирования и ионообменного легирования волноводов в
кристаллах ниобата и танталата лития 48
1.2.1. Титан-диффузионные волноводы 48
1.2.2. Волноводы получаемые имплантацией ионов 50
1.2.3. Ионообменные волноводы и процессы их легирования 51
1.2.4. Протонообменные световоды в кристаллах ниобата лития 52
1.2.5. Структурно-фазовые диаграммы для Z-, Х- и Y-срезов 55
1.2.6. Особенности прямого протонного обмена 58
1.2.7. Этапы разработки технологии ионообменного легирования кристаллов и оптических волноводов 60
Выводы к главе 1 62
Список использованных источников к главе 1 63
Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ ВОЛНОВОДОВ В КРИСТАЛЛАХ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ 66
2.1. Технологии формирования оптических волноводов и их легирования методом ионного обмена 66
2.1.1. Аппаратурное оформление метода ионного обмена 66
2.1.2. Приготовление легирующих расплавов и проведение процесса ИДЛ 67
2.1.3. Подготовка поверхности исходных кристаллов 67
2.2. Технология получения волноводов методом имплантации легких ионов 67
2.3. Формирование титан-диффузионных волноводов 70
2.4. Методы исследования физических и химических свойств исходных кристаллов и получаемых оптических волноводов 71
2.4.1. Методы определения структуры и химического состава оптических волноводов и легированных кристаллов 72
2.4.2. Методы оптической спектроскопии 75
2.4.3. Голографические методы исследования фоторефрактивных волноводов 77
2.4.4. Методы определения профилей показателя преломления оптических волноводов 80
2.4.5. Восстановление профилей показатеші преломления в волноводных
поверхностных слоях 83
Выводы к главе 2 89
Список использованных источников к главе 2 90
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ И ОСНОВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ 93
3.1. Определение электрооптических и нелинейно-оптических коэффициентов в кристаллах с помощью методов колебательной спектроскопии 93
3.1.1. Теория связи КРС с электрооптическим эффектом 93
3.1.2. Исследование зависимости оптических, электро-оптических и нелинейно-
оптических свойств от композиционного состава кристаллов танталата лития98
3.1.2.1. Определение композиционного состава кристаллов танталата лития 98
3.1.2.2. Зависимость электро-оптических коэффициентов от композиционного состава кристаллов 108
3.2. Исследование фоторефрактивиых кристаллов и волноводов методом
спектроскопии КРС 113
3.2.1. Техника измерений спектров КРС в фоторефрактивных кристаллах 113
3.2.2. Влияние фотоиндуцированного рассеяния света на' спектры КРС
фоторефрактивиых кристаллов 115
3.2.3. Исследование динамики фотоиндуцированных процессов 117
3.3. Исследование вклада собственных дефектов в фоторефрактивный эффект в
кристаллах LiNb03 125
3.3.1. Исследование оптических свойств кристаллов ниобата лития 125
3.3.2. Зависимость фоторефракции от интенсивности лазерного излучения и
концентрации собственных дефектов 127
3.3.3. Двухцентровая модель фоторефракции 135
3.3.4. Дополнительный механизм заполнения вторичных фоторефрактивных
центров 137
3.3.5. Фоторефрактивная чувствительность номинально чистых кристаллов ниобата
лития 142
Выводы к главе 3 146
Список использованных источников к главе 3 147
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ В КРИСТАЛЛАХ 150
4.1. Определение спонтанной поляризации и коэффициентов нелинейной восприимчивости для планарных волноводов 150
4.1.1. Особенности приготовления Lii.xHxNb03 волноводов с контролируемым фазовым составом и техника их измерений 150
4.1.2. Сравнение спектров оптического поглощения ПО волноводов содержащих различные HxLii,xNbOj фазы на кристаллах Х-среза 153
5 4.1.3, Определение спонтанной поляризации и коэффициентов нелинейной
восприимчивости в ПО волноводах на кристаллах LiNbOj Х-среза 157
4Л .4. Сравнение спектров оптического поглощения ПО волноводов содержащих
различные НЛЛі.ЛЧЬОз фазы на кристаллах Z-среза 165
4.2. Исследование структуры и электро-оптических свойств протонообменных
ЬіТаОз волноводов 171
4.2.1. Изготовление протонобменных волноводов и определение их структурно-фазовых и оптических параметров 172
4.2.2. Спектры ИК поглощения и отражения разных НДл^ДаОз фаз 173
4.2.3. Определение электрооптических и нелинейно-оптических коэффициентов в волноводах с помощью методов колебательной спектроскопии. 182
4.3. Исследование оптических волноводов и дефектов, индуцируемых имплантацией
легких ионов в кристаллах ниобата и танталата лития 185
4.3.1. Введение 185
4.3.2Теоретическая модель образования волноводных слоев 186
4.3.2.1. Распределение пробегов ионов водорода и гелия в кристаллах 187
4.3.2.2. Изменение показателя преломления в облученных кристаллах 191
4.3.3. Техника ионной имплантации и пост имилантационной обработки
образцов 194
4.3.4. Исследование структурных изменений в кристаллах подвергнутых ионной
имплантации 198
Выводы к главе 4 205
Список использованных источников к главе 4 206
Глава 5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ, ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И ПРИМЕНЕНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ ФОТОРЕФР АКТИВНЫМИ ПРИМЕСЯМИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА И ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ 210
5.1. Изготовление и исследование протонобменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных медью с помощью ионного обмена 210
5.1.1. Использование ионного обмена для изготовления легированных медью
протонобменных волноводов в кристаллах ниобата лития 212
Список использованных источников к главе 4 314
5.1.2. Исследование легированных медью ПО волноводов в кристаллах ниобата
лития 216
5.2. Влияние ионного обмена медь-водород на профиль показателей преломления
иланарных протонобменных волноводов в кристаллах ниобата и танталата
лития 231
5.2.1. Особенности применения метода модовой спектроскопии в легированных медью волноводах 231
5.2.2. Исследование легированных медью ПО волноводов в кристаллах танталата лития 233
5.2.3. Исследование профилей показателя преломления в легированных медью протонообменных волноводах в кристаллах ниобата лития 23 8
5.3. Исследование фоторефрактивной и голографической чувствительности
легированных медью протонообменных волноводов в кристаллах танталата и
ниобата лития 246
5.3.1. Использование ионного обмена для изготовления легированных медью
протонобменных волноводов в кристаллах танталата лития 246
5.3.2. Запись фазовых голограмм в Си:Н:ЬіТаОз волноводах 250
5.3.3. Исследование голографической чувствительности фоторефрактивных
волноводов нового типа. Параметры фазовых голограмм в Cu:H:LiNb03
волноводах 258
5.4. Формирование фоторефрактивных волноводов в кристаллах LiNb03 с
помощью технологии комбинирующей методы ионного обмена и ионной
имплантации 265
5.4.1. Особенности формирования легированных гелий-имплантированных волноводов в кристаллах ниобата лития 268
5.4.2. Исследование оптических свойств легированных гелий-имплантированных
волноводов 270
5.4.3. Исследование фоторефрактивных свойств легированных волноводов 271
Выводы к главе 5 282
Список использованных источников к главе 5 284
Глава 6. РАЗРАБОТКА ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОГГГОЭЛЕКТРОНИКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ФОТОРЕФРАКТИВНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ В ТРАДИЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ И ВОЛНОВОДАХ 288
6.1. Использование фоторефрактивных волноводов для создания дифракционных
интегрально-оптических устройств 288
6.1.1. Требования предъявляемые к фоторефрактивным голографическим решеткам для их применений в интегрально-оптических устройствах 288
6.1.2. Изготовление фоторефрактивных канальных волноводов 290
6.1.3. Техника и методика голографической записи фоторефрактивных решёток. 291
6.1.4. Исследование спектральной селективности фоторефрактивных решеток... 295
6.2. Использование фоторефрактивных брэгговских решеток для создания
интегрально-оптических элементов с фотонной запрещенной зоной 305
6.2.1. Волиоводные структуры с распределёнными брэгговскими отражателями (РБО) 306
6.2.2. Линии задержки на основе волноводов с фоторефрактивными брэгговскими решетками 310
6.2.3. Сенсоры на основе оптических волноводов с фотонно-крметаллической
структурой 317
6.3. Изготовление интегрально-оптических элементов на основе канальных
волноводов в кристаллах ниобата и танталата лития 322
6.3.1. Формирование одномодовых канальных пр ото но обменных волноводов в кристаллах ниобата лития методом отожженного протонного обмена 322
6.3.2. Изготовление и исследование канальных HxLii.xNb03 волноводов, формируемых методом высокотемпературного протонного обмена 326
6.3.3. Исследование канальных волноводов методом ближнепольной оптической микроскопии 330
6.3.4. Использование ПО волноводов для создания многофункционального
интегрально-оптического элемента 336
6.3.5. Создание датчиков электрического поля на основе интегрально-оптического
модулятора переключающего типа 338
6.4. Исследование эффекта фоторефрактивного повреждения и путей его подавления в оптических волноводах и интегралы-го-оптических устройствах на телекоммуникационных длинах волн 342
6.4.1. Фоторефрактивное повреждение в канальных волноводах и интегрально-
оптических интерферометрах, светоиндуцированные изменения фазы 343
6.4.2. Влияние фоторефрактивного эффекта на работу направленных ответвителей,
Y-разветвителей и электро-оптических модуляторов Др типа 352
6.4.3. Эффект фоторефрактивного повреждения в телекоммуникационных модуляторах на основе интерферометра Маха-Цандера 354
6.4.4. Эффект фоторефрактивного повреждения в телекоммуникационных
волновых конверторах и генераторах второй гармоники 3 60
Выводы к главе 6 367
Список использованных источников к главе 6 368
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 372
- Фоторефрактивный эффект и запись фазовых голограмм в оторефрактивных кристаллах и волноводах
- Технологии формирования оптических волноводов и их легирования методом ионного обмена
- Техника измерений спектров КРС в фоторефрактивных кристаллах
- Определение спонтанной поляризации и коэффициентов нелинейной восприимчивости для планарных волноводов
- Изготовление и исследование протонобменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных медью с помощью ионного обмена
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка высокотехнологичных
фоторефрактивных (ФР) устройств интегральной оптики для
промышленного производства неизбежно требует
совершенствования методов синтеза надежных фоторефрактивных волноводов (ФРВ) и детального знания механизмов ФР эффекта. Только при соблюдении этих условий наконец станет возможным построение компонентов интегрально-оптических схем, отличающихся высокой стабильностью параметров, умеренной стоимостью и длительным ресурсом работы. Применение ФРВ для создания голографических ячеек памяти, мультиплексоров, резонансных фильтров и других устройств, использующих режимы динамической топографической записи, немедленно обнаружило специфику волноводного распространения оптического сигнала в среде с нестационарным нелинейным изменением показателя преломления. Было установлено, что самовоздействие волн, распространяющихся в ФР материале в условиях модового резонанса, приводит к появлению набора сложным образом взаимосвязанных физических процессов, с результатом, который бывает весьма трудно предсказать заранее, что в конечном итоге приводит к значительному, и часто неконтролируемому, отклонению параметров интегрально-оптических устройств от расчетных в процессе их работы. Существующие проблемы в любой из этих отраслей в значительной степени связаны с непониманием принципиальных вопросов, касающихся природы ФР эффекта в волноводах различной структуры, и отсутствием четкой идентификации ФР центров даже для самых распространенных типов ФРВ.
Анализ современного состояния голографии показывает, что пока в подавляющем большинстве случаев используются фотоматериалы. В то же время для всё большего круга задач голографии, квантовой электроники и оптики требуются топографические элементы типа решеток, корректоров, расщепителей, зонных пластинок и т.п., способные работать в поле мощных лазерных пучков, обладающие высокой дифракционной эффективностью, в ряде случаев быстродействием и цикличностью записи.
Актуальной задачей также является создание голографических систем оперативной и полуоперативной памяти для вычислительной техники. Светочувствительный материал в таких системах должен
J*
обладать высокой светочувствительностью, большим разрешением и выдерживать более 1012 циклов срабатывания.
Фоторефрактивные сегнетоэлектрические кристаллы как класс регистрирующих сред, в принципе, отвечают всем требованиям, указанным выше. Так, в них в результате электронных переходов возможна запись фазовых решеток с дифракционной эффективностью до 100% и разрешением свыше 10 лин/мм. Многие кристаллы обладает высокой лучевой стойкостью. Одной из наиболее привлекательных особенностей сегнетоэлектрических кристаллов ниобата и танталата лития является возможность формирования оптических планарных и канальных волноводов. В этих случаях высокий уровень интенсивности света необходимый для эффективной голографической записи достигается даже при использовании маломощных миниатюрных полупроводниковых лазеров благодаря микроскопическим размерам (от 1 до 10 мкм) стандартных оптических волноводов. Долгое время кристаллы ниобата лития LiNbCb являлась практически единственным материалом, промышленно используемым для изготовления различных электро-оптических устройств (модуляторов, переключателей и пр.) интегральной оптики благодаря высокому оптическому качеству волноводов, получаемых в этих кристаллах без значительной деградации их уникальных электро-оптических свойств. В настоящее время главным и, пожалуй, единственным альтернативным материалом получения более качественных волноводов, а следовательно и изготовления перспективных интегрально-оптических устройств, является кристалл танталата лития LiTa03.
За счет объемного легирования исходных кристаллов, либо использования специальных технологий, позволяющих внедрять специальные ФР примеси в приповерхностные слои кристаллов до или после формирования волноводов, можно управлять спектральной чувствительностью ФРВ во всем оптическом диапазоне, подгоняя ее к спектру излучения записывающих источников света. Изменяя концентрацию ФР примеси, легко получить огромный диапазон характерных времен ФР процессов. Это позволяет надеяться на создание эффективных голографических устройств как с долговременной памятью, так и для записи и считывания в реальном времени со скоростью 10 операций в секунду и более.
В большинстве случаев элементарные процессы обратимы, так что возможна циклическая запись. Наконец, немаловажно, что
— - 4
*±" "' *
производство кристаллов ниобата и танталата лития высокого оптического качества хорошо налажено и не очень дорого
Необходимость стабилизации и дальнейшего улучшения свойств ФРВ требует продолжения поиска эффективных методов синтеза, пост-синтезной обработки и подбора оптимального сочетания легирующих примесей, которые могли бы обеспечить постоянство важнейших оптических параметров ФРВ в течение длительного времени при общем увеличении ФР чувствительности Ионный обмен представляет несомненный интерес как один из наиболее перспективных методов синтеза ФРВ и пост-синтезной обработки обычных оптических волноводов, превращающей их в ФРВ. Перспективность этого метода обусловлена технологической простотой, селективностью и широким набором возможных легирующих примесей.
В результате предыдущих работ в области ионообменных
процессов в стеклах и ионных кристаллах достигнуты значительные
результаты, которые можно сформулировать следующим образом:
ионный обмен можно считать сложившимся универсальным
методом технологии интегральной оптоэлектроники. Важнейшими
достоинствами и преимуществами ионообменной технологии,
открывающими широкие перспективы ее эффективного
использования в различных объектах, и прежде всего в
монокристаллах, являются: проведение ионообменных процессов
при низких температурах и атмосферном давлении; низкая
стоимость и доступность технологического оборудования; простота
технологических операций; относительная безопасность; высокая
интенсивность процессов и возможность создания на основе
ионообменных структур высокоэффективных интегрально-
оптических устройств, таких как пленарные линзы, поляризаторы, модуляторы, дефлекторы, интерферометры, спектроанализаторы и различные нелинейно-оптические элементы.
Однако, до последнего времени многие вопросы использования методов ионного обмена для легирования монокристаллов оставались недостаточно изученными, что значительно сдерживало их широкое применение. Как правило, все проведенные многочисленные исследования касались либо физических свойств получаемых волноводов, либо параметров ионообменного диффузионного процесса. Физико-технологические основы ионообменных процессов в кристаллах были недостаточно развитыми, что ограничивало возможности как разработки и
моделирования новых, так и использования на практике известных ионообменных процессов.
Так, на современном этапе наибольшее распространение получили протонообменные процессы формирования структур для создания гибридных интегрально-оптических элементов на основе сегнетоэлектрических кристаллов ниобата и танталата лития. При этом поиск оптимальных условий процессов формирования волноводов осуществлялся многими исследователями на основе определения взаимосвязи между технологическими условиями и оптическими свойствами протонообменных слоев. Однако, часто оказывается, что варьирование в широких пределах параметрами протонного обмена не влияет существенно на приращения и профили показателей преломления, в то время как остальные физические свойства волноводов, такие как коэффициент оптических потерь, электро- и нелинейно-оптические коэффициенты, стабильность и ряд других, меняются значительно. Для объяснения этих и других особенностей ионообменных процессов и обеспечения возможности создания ионообменных структур, обладающих заданными свойствами, необходима разработка комплексного подхода, включающего проведение исследований кристаллической структуры и ее взаимосвязи с оптическими свойствами формируемых ионообменных слоев.
Так как формируемые в монокристаллах оптические волноводы существуют в виде тонких поверхностных слоев, важное как научное, так и практическое значение имеет разработка неразрушающих методов определения структуры и свойств кристалла в приповерхностной области. Эта задача была решена только для эпитаксиальных слоев, при этом или без учета анизотропии оптических свойств или в предположении отсутствия легирующих примесей.
Важное научное и прикладное значение имеет также определение фундаментальных параметров исходных кристаллов ниобата и танталата лития различного стехиометрического состава и легированных различными примесями, которые могут быть использованы для изготовления ФРВ.
Целью диссертационной работы является развитие нового перспективного направления, связанного с исследованием свойств ФРВ в сегнетоэлектрических кристаллах и с разработкой физико-технологических основ процессов изготовления ФР устройств интегральной оптоэлектроники, и в рамках этого направления:
- исследование электро-оптических, нелинейно-оптических
и ФР свойств сегнетоэлектрических кристаллов и оптических
волноводов на их основе, разработка новых методов определения
фундаментальных параметров оптических волноводов;
изучение, моделирование, разработка и практическое применение процессов ионного обмена в кристаллах сегнетоэлектриков ІЛМЮз и LiTa03 для формирования ФР элементов интегральной оптоэлектроники на основе предложенного комплекса физико-химических и оптико-физических исследований свойств ФР кристаллов и волноводов;
исследование ФР эффекта и голографической записи в оптических волноводах нового типа, полученных методами протонного обмена, ионной имплантации и диффузии титана, и подвергнутых дополнительному ионообменному легированию;
исследование эффекта фоторефрактивного повреждения (ФРП) в волноводах и интегрально-оптических устройствах, работающих на телекоммуникационных длинах волн, и разработка новых способов подавления этого паразитного эффекта.
Основные задачи, определяемые целями работы:
разработка и реализация комплекса оптико-физических и физико-химических исследований свойств исходных сегнетоэлектрических кристаллов, формируемых ионообменных монокристаллических слоев и ФРВ;
исследование зависимостей ФР эффекта от интенсивности света и концентрации собственных и примесных дефектов в кристаллах и оптических волноводах различного композиционного состава по данным комбинационного рассеяния света (КРС) и фотоиндуцированного рассеяния света;
- изучение особенностей голографической записи в
пленарных ФРВ; определение голографической чувствительности
ФРВ и дифракционной эффективности фазовых голограмм;
- исследование, полное структурно-фазовое и оптическое
описание (построение структурно-фазовых диаграмм, определение
взаимозависимостей показателей преломления обыкновенного и
необыкновенного лучей и параметров кристаллической решетки)
легированных медью HxLi].xNb03 и HxLii.xTa03 волноводов;
- разработка новых ионообменных процессов формирования
ФР интегральной оптоэлектроники с комплексом необходимых
свойств на подложках кристаллов сегнетоэлектриков LiNb03 и
LiTa03;
- определение параметров ФРП, возбуждаемого лазерным излучением диапазона третьего телекоммуникационного окна (т.е., с длинами волн вблизи 1,5 мкм); изучение факторов подавляющих этот паразитный эффект; разработка новых методик измерения ФРП в традиционных интегрально-оптических устройствах, работающих на телекоммуникационных длинах волн.
Научная новизна диссертационной работы: 1. Предложен, разработан и реализован комплексный подход к исследованию ФРВ в монокристаллах ниобата и танталата лития для научного прогнозирования свойств интегрально-оптических элементов на их основе. Подход основан на систематическом исследовании как оптических, так и структурных свойств волноводов в этих кристаллах. На основе разработанных методов исследования и расчета дано структурно-фазовое описание и определены оптические свойства протонобменных и гелий-имплантированных LiTa03 и LiNb03 волноводов, широко используемых в интегральной оптике.
-
Впервые идентифицированы различные кристаллические фазы, реализуемые в легированных медью протонообменных волноводах на различных срезах кристаллов LiNbOi и LiTa03 в зависимости от условий дополнительного ионного обмена в медьсодержащих расплавах. Впервые построены зависимости между приращениями показателей преломления и сдвигом края полосы фундаментального поглощения в различных HxLii.xNb03 и HxLii_xTa03 фазах, реализуемых в протонообменных волноводах.
-
Исследована зависимость процессов записи и стирания фазовых голограмм от концентрации меди и протонов, в результате чего впервые установлено, что степень влияния примеси меди на ФР свойства изменяется при изменении концентрации протонов и фазового состава протонообменных волноводов. ФРВ на кристаллах ниобата и танталата лития были синтезированы, используя ионно-обменное легирование исходных волноводов из медьсодержащих расплавов различного состава. Определена зависимость ФР свойств этих волноводов от условий синтеза, отжига и фазового состава протонообменных волноводов в кристаллах ниобата и танталата лития. Так, результаты экспериментальных измерений показали, что голографическая чувствительность возрастает более чем в тысячу раз в легированных медью протонообменных LiNb03 волноводах содержащих К]НТ, к2нт и а фазы.
-
Разработан новый метод исследования ФР эффекта в объемных кристаллах и оптических волноводах, использующий данные спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), который обеспечивает возможность определения таких параметров ФР отклика, как ФР чувствительность, стационарное значение фотоиндуцированного изменения показателя преломления, характеристическое время отклика и пороговая мощность отклика. На основе значений параметров, полученных этим методом, становится возможным научный выбор оптимальных технологических режимов формирования ФРВ, для создания интегрально-оптических элементов с требуемыми свойствами. Установлено, что спектроскопия КРС даёт уникальную возможность для измерения пространственного профиля изменений, вызванных ФР эффектом, в кристаллах любых размеров, что позволяет рекомендовать эту методику для диагностики старения нелинейно-оптических и электро-оптических элементов, применяемых в устройствах использующих мощные сфокусированные лазерные пучки видимого и ближнего ИК диапазонов.
-
Проведено детальное исследование профиля структурных изменений в приповерхностных областях микронных размеров, основанное на использовании конфокальной спектроскопии комбинационного рассеяния света. Анализ этого профиля в гелий-имплантированных волноводах в кристаллах ниобата лития позволяет различить две области, предсказываемых теорией для распределения потерь энергии ионов: область ионизации, в которой энергия ионов затрачивается в основном на ионизацию атомов, и область столкновений, где ион расходует энергию на смещение атомов мишени. Установлено, что область ионизации соответствует приповерхностной части волноводного слоя, дающей определяющий вклад в поглощение и рассеяние направляемых мод в оптическом волноводе. Таким образом, данные спектроскопии КРС могут быть использованы для определения оптимальных технологических условий имплантации и пост-имплантационного отжига с использованием образцов малого размера.
-
Исследование зависимости ФР эффекта от интенсивности света в кристаллах LiNb03 различного композиционного состава, т.е. с различными концентрациями собственных дефектов N, показали, что степень влияния N на амплитуду ФР эффекта Ans зависит от интенсивности света J, используемого для возбуждения ФР эффекта. Более того, существует специфическое пороговое значение J, когда зависимость Ans от N изменяется качественно. Так,
при J < J, величина Дп5 уменьшается с ростом N В тоже время, при J > J, наблюдается обратная зависимость ФР эффекта от N. Вместе с тем, наблюдается явная зависимость J,ot коэффициента оптического поглощения. Установлена прямая зависимость 6(Ans)/8J от концентрации N таких собственных дефектов как NbLl
7. Для объяснения экспериментальных зависимостей ФР
эффекта от N и J была разработана двухцентровая модель
учитывающая, что одновременно с фотоиндуцированным переносом
заряда с примесных ионов на вторичные ФР центры, существует
дополнительный вклад в заполнение этих центров, обусловленный
фотодиссоциацией биполярона на два единичных полярона, которые
и являются заполненными вторичными ФР центрами.
8. Показана возможность формирования методом
голографической записи интегрально-оптических распределенных
брэгговских отражателей (РБО) в ФР титан-диффузионных LiNb03
волноводах легированных медью. Разработанный в работе метод
обладает значительными преимуществами перед традиционными
методами, позволит снизить оптические потери, повысить точность
изготовления и уменьшить габариты интегрально-оптических
устройств. Разработаны широкополосные фильтры, сенсоры,
демультиплесоры и линии задержки, использующие ФР решетки в
легированных медью титан-диффузионных LiNb03 волноводах.
9. Обнаружен эффект ФРП в канальных LiNb03 и LiTa03
волноводах и в традиционных интегрально-оптических устройствах,
работающих на телекоммуникационных длинах волн. Определены
оптимальные условия изготовления волноводных устройств,
подавляющих этот паразитный эффект за счет выбора
технологических режимов и топологии устройств.
10. Разработан новый метод исследования микроскопической структуры канальных LiNb03 волноводов и механизмов оптических потерь с помощью ближнепольной оптической микроскопии, позволивший провести оптимизацию процессов отожженного протонного обмена и высокотемпературного протонного обмена для получения волноводов с заданными фазовым составом и концентрационным профилем по глубине.
Практическая значимость результатов работы:
1. Определены взаимозависимости параметров решетки и их
зависимости от показателя преломления в различных ФРВ.
Установлены технологические режимы формирования различных
фаз в легированных медью протонообменных волноводах в
кристаллах LiNbC>3 и ЬіТаОз- Выработаны практические рекомендации для формирования волноводов с комплексом необходимых свойств. Знание построенных структурно-фазовых диаграмм позволяет научно выбирать оптимальные технологические режимы формирования и прогнозировать свойства ФРВ для создания интегрально-оптических элементов с требуемыми параметрами;
2. Разработаны системы легирующих расплавов и
растворов и способы формирования ФРВ в кристаллах
сегнетоэлектриков ЫЫЬОз и ЬіТаОз, которые могут найти успешное
применение в различных устройствах интегральной
оптоэлектроники.
3. Разработанный новый метод точного определения
оптических, электро-оптических и нелинейно-оптических свойств
волноводов перспективен для высокоэффективных исследований
различных эпитаксиальных, ионообменных или диффузионных
процессов получения поверхностных кристаллических слоев и
расчета или оценки важных структурных, физических или
функциональных параметров формируемых ФРВ.
4. Разработан процесс изготовления методом
голографической записи интегрально-оптических распределенных
брэгговских отражателей (РБО) в ФР титан-диффузионных LiNb03
волноводах. Предложенный процесс обладает значительными
преимуществами перед традиционными методами, позволит снизить
оптические потери, повысить точность изготовления и уменьшить
габариты интегрально-оптических устройств и обеспечивает
возможность их массового производства за счет применения
планарной технологии изготовления на одной пластине РБО и
электро-оптического модулятора. Разработаны сенсоры,
демультиплесоры и линии задержки, использующие ФР решетки в
легированных медью титан-диффузионных LiNb03 волноводах.
5. Разработаны методы измерения ФРП в канальных LiNb03 и LiTa03 волноводах и в традиционных интегрально-оптических устройствах, работающих на телекоммуникационных длинах волн. Использование этих методов позволило впервые определить параметры ФРП, возбуждаемого лазерным излучением диапазона третьего телекоммуникационного окна (т.е., вблизи 1,5 мкм).
Научные положения, выносимые на защиту: 1. Разработанные и комплексно исследованные новые ионообменные процессы в кристаллах сегнетоэлектриков ниобата
лития и танталата лития позволяют формировать высококачественные ФРВ с широким диапазоном изменения физических и функциональных параметров.
2. Разработанный метод расчета решеточного и
электронного вклада в электро-оптический эффект по данным
спектроскопии КРС впервые обеспечивает возможность
определения всех компонент тензора электро-оптического эффекта в
поверхностных кристаллических слоях. В результате комплексных
исследований протонообменных волноводов в кристаллах LiNb03 и
LiTa03 показано, что формируемые оптические волноводы
характеризуются значительным уменьшением электро-оптических и
нелинейно-оптических коэффициентов.
3. Предложенный метод исследования ФР эффекта в
объемных кристаллах и оптических волноводах, использующий
данные спектроскопии комбинационного рассеяния света,
обеспечивает возможность определения таких параметров ФР
отклика, как ФР чувствительность, стационарное значение
фотоиндуцированного изменения показателя преломления,
характеристическое время отклика и пороговая мощность отклика.
На основе значений параметров, полученных этим методом,
становится возможным научный выбор оптимальных
технологических режимов формирования ФРВ для создания
интегрально-оптических элементов с требуемыми свойствами.
4. На основе обнаруженного структурно-фазового
многообразия и полученных зависимостей оптических и
структурных свойств протонообменных волноводов объяснены
обнаруженные закономерности ионно-обменного легирования
протонообменных волноводов в кристаллах LiNb03 и LiTa03.
5. Существует дополнительный вклад в заполнение
вторичных ФР центров в кристаллах LiNb03> обусловленный
фотодиссоциацией биполяронов на два коротко живущих
единичных полярона, которые и являются заполненными
вторичными ФР центрами. Вторичные ФР центры в кристаллах
LiNb03 связаны с собственными антиструктурными дефектами.
Экспериментальные зависимости ФР эффекта от интенсивности
света и концентрации собственных дефектов могут быть объяснены
на основе модифицированной двухцентровой модели,
учитывающей, что одновременно с фотоиндуцированным
переносом заряда с примесных ионов на вторичные центры
существует дополнительный вклад в заполнение этих центров и этот
вклад является доминирующим в случае номинально чистых кристаллов ниобата лития.
6. Имплантация ионов гелия Не+ является высоко эффективной
методикой изготовления ФРВ в сегнетоэлектрических кристаллах
ниобата лития. Наиболее важным преимуществом данной методики
перед широко применяемыми методиками ионного обмена и
высокотемпературной диффузии является то, что свойства
волноводного слоя остаются неизменными в процессе имплантации,
т.е. не наблюдается частичной деградации электро-оптических
свойств, характерной для всех других методик.
7. Результаты разработки и комплексного исследования
параметров прототипов новых ФР элементов интегральной
оптоэлектроники, а также результаты исследования эффекта ФРП в
традиционных интегрально-оптических устройствах, работающих на
телекоммуникационных длинах волн, и разработки новых способов
подавления этого паразитного эффекта.
Публикации и апробация работы. В ходе выполнения работы опубликованы: 1 обзор, 11 статей в отечественных и 37 статей в зарубежных научных журналах, получено 4 патента и авторских свидетельств на изобретения.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
4-th Topical Meeting on Photorefractive materials, effects and devices (Kiev, Ukraine, 1993 г.); CLEO/EUROPE-EQEC'94(Amsterdam, Netherlands, 1994); 8-th European Conference on Integrated Optics (Stockholm, Sweden, 1997);
- 7-th Topical Meeting on Photorefractive materials, effects and
devices (Elsinor, Denmark, 1999 г.);
- международной конференции по оптике кристаллов (Мозырь,
Беларусь, 2000);
- E-MRS Conference (Strasburg, France, 2000);
SPIE's International Symposium Photonic Fabrication Europe (Brugge, Belgium 2002 г.);
9-th Topical Meeting on Photorefractive materials, effects and
devices (Nice, France, 2003 г.);
- 11-th European Conference on Integrated Optics (ECIO 2003)
^Prague, Czech Republik, 2003);
- 11h International Conference on Phonon scattering in Condensed
Matter (St. Petersburg, Russia, 2004);
- 12-th European Conference on Integrated Optics (Grenoble, France, 2005);
- International Workshop "Lithium Niobate from material to device, from device to system" (Metz, France, 2005).
Личный вклад. Автору принадлежит постановка задач исследований, обоснование способов их осуществления, непосредственное выполнение значительной части экспериментов, расчетов и подготовки их математического обеспечения, систематизация и анализ результатов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения. Список использованных источников, приведенный по главам в конце каждой главы, включает 245 ссылок. В работе имеется 125 рисунков и 30 таблиц. Ее полный объем 374 страницы.
Фоторефрактивный эффект и запись фазовых голограмм в оторефрактивных кристаллах и волноводах
В данном разделе приведены экспериментальные данные по записи фазовых голограмм в фоторефрактивных кристаллах и волноводах, рассмотрены теоретические модели явления наведенной оптической неоднородности и проанализированы пути улучшения характеристик данного класса светочувствительных материалов.
Анализ современного состояния голографии показывает, что пока в подавляющем большинстве случаев используются фотоматериалы [1]. В то же время для все большего круга задач голографии, квантовой электроники и оптики требуются голографические элементы типа решеток, корректоров, расщепителей, зонных пластинок и т.п., способные работать в поле мощных лазерных пучков, обладающие высокой дифракционной эффективностью, в ряде случаев быстродействием и цикличностью записи.
Актуальной задачей также является создание голографических систем оперативной и полуоперативной памяти для вычислительной техники. Светочувствительный материал в таких системах должен обладать высокой светочувствительностью, большим разрешением и выдерживать более 1012 циклов срабатывания [1,2].
Фоторефрактивные еегнетоэлектрические кристаллы как класс регистрирующих сред, в принципе, отвечают всем требованиям, указанным выше [2]. Так, в них в результате электронных переходов возможна запись фазовых решеток с дифракционной эффективностью до 100% и разрешением свыше 104 лин/мм. Многие кристаллы обладает высокой лучевой стойкостью. Одной из наиболее привлекательных особенностей сегнетоэлектрических кристаллов ниобата и танталата лития является возможность формирования оптических планарных и канальных волноводов. В этих случаях высокий уровень интенсивности света необходимый для эффективной голографической записи достигается даже при использовании маломощных миниатюрных полупроводниковых лазеров благодаря микроскопическим размерам (от 1 до 10 мкм) стандартных оптических волноводов. Долгое время кристаллы ниобата лития LiNbCb являлась практически единственным материалом, промышлегтао используемым для изготовления различных электро-оптических устройств (модуляторов, переключателей и пр.) интегральной оптики благодаря высокому оптическому качеству волноводов, получаемых в этих кристаллах без значительной деградации их уникальных электро-оптических свойств. В настоящее время главным и, пожалуй, единственным альтернативным материалом получения более качественных волноводов, а следовательно и изготовления перспективных интегрально-оптических устройств, является кристалл танталата лития ІЛТаОз, получающий все большее распространение [3,4].
За счет объемного легирования исходных кристаллов, либо использования специальных технологий, позволяющих внедрять специальные фоторефрактивные примеси в приповерхностные слои кристаллов до или после формирования волноводов, можно управлять спектральной чувствительностью фоторефрактивных волноводов во всем оптическом диапазоне, подгоняя ее к спектру излучения записывающих источников света, Изменяя концентрацию фоторефрактивной примеси, легко получить огромный диапазон характерных времен фоторефрактивных процессов. Это позволяет надеяться на создание эффективных голографических устройств как с долговременной памятью, так и для записи и считывания в реальном времени со скоростью 109 операций в секунду и более.
В большинстве случаев элементарные процессы обратимы, так что возможна циклическая запись. Наконец, немаловажно, что производство кристаллов пиобата и танталата лития высокого оптического качества хорошо налажено и не очень дорого.
Систематические исследования голограмм в фоторефрактивных волноводах начаты в самое последнее время [4]. Цель данного раздела - рассмотрение основных физических процессов голографической записи фазовых решеток в фоторефрактивных кристаллах и волноводах, изложение современных теоретических представлений и анализ экспериментальных результатов. Рассмотрены также свойства голографических элементов для осуществления энергообмена между интерферирующими пучками, что важно для ряда применений.
Технологии формирования оптических волноводов и их легирования методом ионного обмена
Для приготовления легирующих расплавов использовались соли марок ХЧ и ЧДА. Подготовка расплавов включала следующие операции:
1. Сушка порошков солей для удаления следов воды.
2. Приготовление навесок солей, являющихся компонентами необходимой смеси, в соответствующих пропорциях с использованием аналитических весов и тщательное перемешивание порошков солей.
3. Плавление смеси порошков солей в кварцевых или керамических стаканах при ИО в расплавах или растворение солей в растворителях при ИО в растворах.
4. Выдерживание расплава или раствора при температуре 150 -700С в течение 0.5 -1 часа с целью его прогрева и гомогенизации.
5. Термостатирование расплава или раствора на необходимой рабочей
температуре.
Для проведения процесса ИО подложки закреплялись в вертикальный кварцевый держатель и загружались в печь с помощью автоматического подъемника со скоростью 1-5 см/мин. После погружения в расплав, температура которого поддерживалась постоянной в течение всего процесса ИО, подложки выдерживались в нем необходимое для проведения ИО время (от 15 минут до 50 часов в зависимости от типа подложки и состава расплава) и выгружались подъемником со скоростью 5 см/мин. По завершении подъема подложки охлаждались на воздухе, отмывались от остатков затвердевшего расплава или раствора в теплой воде и сушились в потоке теплого воздуха.
Использование указанных последовательностей технологических операций на всех этапах изготовления ИОС позволило обеспечить высокую воспроизводимость параметров слоев.
Техника измерений спектров КРС в фоторефрактивных кристаллах.
В качестве источника возбуждающего света использовалось излучение He-Cd лазера (длина волны 441,6 нм, мощность 40 мВт) и Аг+ лазера (длина волны 514,55 нм, мощность до 600 мВт). Излучение лазера, возбуждая ФРЭ, одновременно использовалось для накачки КРС. Лазерный пучок фокусировался в объем кристалла с помощью линзы с фокусным расстоянием f = 25 мм.
Экспериментальное изучение особенностей динамики КРС проводилось с помощью спектрометра ДФС-24. При этом, во всех экспериментах относительное отверстие коллиматора было равно 1:6, что обеспечивало практически полное использование светосилы прибора равной 1:5,5. При этом линейная дисперсия прибора имела величину 4,5 А/мм, Для оценки разрешающей способности спектрометра были исследованы искажения, вносимые прибором в регистрируемый спектр излучения гелий-неонового и аргонового лазеров, при различных значениях щелей спектрометра. Результаты измерений показали, что предельная ширина аппаратной функции используемого спектрометра ДФС-24 составляла величину около 0,5 см , В качестве приемника рассеянного излучения в наших исследованиях использовался фотоумножитель ФЭУ-79, характеризующийся высоким соотношением сигнал-шум и достаточной чувствительностью во всем интервале длин волн видимого диапазона. Это дало возможность его использования в экспериментах как с гелий-неоновым, так и с аргоновым лазером. Электрический сигнал, пропорциональный интенсивности рассеянного света, с фотоэлектронного умножителя подавался на вход усилителя постоянного тока, со 100 % обратной связью, а затем, после усиления, поступал на вход "У", двухкоординатного потенциометра ПДС-021. Электрический сигнал от термопары, характеризующий температуру исследуемого объекта, подводился к клеммам "X" этого прибора.
Хорошо известно (см. напр. [26]), что измерение интенсивности линий КРС, расположенных вблизи линии возбуждающего излучения затруднено из-за влияния «паразитного» рассеянного света (фона), всегда присутствующего в спектральном приборе вследствие большой интенсивности возбуждающего излучения. Этот фон особенно велик в одинарных монохроматорах. При использовании двойного (тройного) монохроматора интенсивность этого фона может быть существенно ослаблена. Поэтому в наших экспериментах был использован монохроматор двойного разложения ДФС-24 с предельно малыми значениями спектральной ширины щелей (0,5 см" ).
Функции К(1), характеризующие уровень фона упругого рассеяния при определенных значениях Q,, были построены при тех же ширинах щелей и для того же телесного угла рассеянного света, что и при записи изочастотных зависимостей низкочастотного КРС.
Оценка погрешности /SK осуществлялась при одновременном учете погрешности пропускания абсорбционных светофильтров, использованных при определении экспериментальной зависимости К(р.), и точности установки частоты спектрометра ( 0,1 см"); максимальное значение относительной ошибки в определении кривых К(С1) составило не более 30 %. Уровень фона рассеянного в приборе света при используемых ширинах щелей 0,5-0,6 см"1 изменялся от 10 5 до 10"s с увеличением частоты от 2 до 20 смЛ
title4 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ В КРИСТАЛЛАХ title4
Определение спонтанной поляризации и коэффициентов нелинейной восприимчивости для планарных волноводов
Несмотря на то, что технология протонного обмена достаточно проста, получаемые в ниобате лития волноводы характеризуются сложным структурным мноообразием. Так, в работах [1-6] показано, что в зависимости от условий протонного обмена и постобменного отжига до семи различных кристаллографических фаз HxLii.xNb03 могут формироваться в H:LiNb03 волноводах. Были построены зависимости приращения показателя преломления необыкновенного луча Апе от нормальной к поверхности пластины компоненты тензора деформаций е"33 на поверхности волноводов. Такие зависимости были названы структурно-фазовыми диаграммами, так как на них наглядно проявляются все фазовые переходы (рис. 4.1), [6]. Было установлено, что р4 , Рз, Р2, Pi и a- HxLi].xNb03 фазы могут быть получены либо непосредственным протонным обменом в соответствующих расплавах или отжигом ранее полученной HxLii.xNb03 фазы с более высокой концентрацией протонов. В отличие от этих фаз, К] и кг фазы не могут быть получены прямым протонным обменом, а формируются только путем постобменного отжига р; фаз.
Известно, что различные HxLi]_xNb03 фазы обладают различными физическими и физико-химическими свойствами [6]. В работе [4] проведены прямые измерения квадратичных нелинейных коэффициентов d методом определения интенсивности второй гармоники при сканировании сфокусированным лазерным пучком (1=1.06 мкм) по полированному торцу волновода. Было установлено, что р4, р3 и pi фазы обладают крайне низкой нелинейностью: d33 (р4, Рз и Р0 0.1-d33 (LiNb03). В то время как нелинейно-оптические коэффициенты в р2 фазе существенно выше: d33 (Р2) 0.55-d33
Изготовление и исследование протонобменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных медью с помощью ионного обмена
В настоящее время для изготовления фоторефрактивных волноводов в кристаллах ниобата лития используются два принципиально разных подхода в зависимости от метода повышения фоторефрактивной чувствительности до необходимого уровня. В первом методе, который получил наибольшее применение, осуществляют увеличение фоторефрактивной чувствительности исходных кристаллов перед формированием оптических волноводов. Такое увеличение достигается легированием кристаллов ионами металлов с переменной валентностью: Fe2" "/j" , Cu+/2+, Мп2+ 3+ и т.д. Для создания фоторефрактивных волноводов может быть достаточным получение высоких уровней легирования только в тонких приповерхностных слоях, сравнимых по порядку величины с глубиной оптических волноводов, имеющей микроскопический масштаб - 1 - 15 мкм. Обычно эта цель достигается с помощью стандартных технологий для которых характерны достаточно жесткие способы легирования такие, как ввод большого количества примесей при выращивании кристаллов в экстремальных условиях, имплантация ионов ускоренных до высоких энергий и высокотемпературная диффузия металлов из тонких пленок [I]. Поэтому разработка гибкой низкотемпературной технологии легирования кристаллов в приповерхностном слое фоторефрактивнымн примесями является актуальной и перспективной.
В данном разделе изучена возможность низкотемпературного легирования медью приповерхностных слоев в кристаллах ниобата и танталата лития в условиях протонирования, т.е. в условиях ионного обмена Lir = FT между приповерхностном слоем и расплавом кислотного реагента при температурах 360С. В условиях такой обработки и при наличии солей меди в расплаве возможно протекание дополнительных процессов: Li+o Cu+ и ИҐ о Си1". Это приводит к появлению сильно легированных приповерхностных слоев, которые могут содержагь уже созданные оптические волноводы, близких по структуре к исходным кристаллам и, поэтому, имеющих высокое оптическое качество без проведения дополнительных химико-механических обработок, как в случаях применения других известных методов.
Гак же изучена возможность селективного легирования медью протопобмениых волноводов, не сопровождающегося дополнительным протонированием планарного волновода или протонировапием и легированием медью подложки окружающей канальный волновод. В этом случае процесс двойного ионного обмена происходит в два или три отдельных этапа: (1) протонный обмен, приводящий к протонированиго приповерхностной области кристалла (тонкого слоя или канальной структуры), что может, в некоторых специальных случаях, привести к появлению требуемого оптического волновода; (2) постобменный отжиг, необходимый часто для формирования волновода с заданными параметрами из протонированной области; (3) ионный обмен ІҐ" = Си1" между протонированной областью, т.е. волноводом, и медьсодержащим расплавом с сильно пониженной кислотностью. Последнее условие достигается добавлением солей лития в расплав для подавления реакции ионного обмена Li = Н между подложкой и расплавом.
Эти ионообменные методы имеет очевидные преимущества простоты и селективности легирования [2]. Более того, возможно достижение больших концентраций до 5 мол. % [3.4]. что значительно превосходит значения, достижимые с помощью стандартных технологий введения фоторефрактивных примесей, без деградации оптического качества волноводов.
Известно, что разные HxLii_xNb03 фазы обладают различными физическими и физико-химическими свойствами [5]. Поэтому следует ожидать зависимость процесса дополнительного ионного обмена от фазового состава ПО волноводов. Оптимизация технологии легирования волноводов предполагает детальное изучение этой зависимости.
Также не решен вопрос об изменении структуры и основных свойств волноводов при проведении дополнительного ионного обмена остаётся открытым. Очевидно, что создание фоторефрактивных волноводов с заранее заданными параметрами предполагает решение этих вопросов.
