Содержание к диссертации
Введение
1. Модуляторы на основе HXLI1-XNBO3 канальных волноводов и источники их нестабильности (литературный обзор) 13
1.1. Применение интегрально-оптических схем на основе HxLi1-xNbO3
канальных волноводов 13
1.1.1. Волоконно-оптические линии связи 13
1.1.2. Волоконно-оптические гироскопы 14
1.2. Теоретические основы и особенности работы электрооптических модуляторов на ниобате лития 16
1.2.1. Электрооптический эффект в ниобате лития 16
1.2.2. Волноводные моды канальных волноводов 19
1.2.3. Интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера 23
1.2.4. Передаточная функция и рабочая точка интерферометра Маха - Цендера 24
1.3. Дрейфовые явления в интегрально-оптических схемах на HxLi1-xNbO3
канальных волноводах 28
1.3.1. Методика экспериментального исследования дрейфа показателя преломления в HxLi1-xNbO3 канальных волноводах 30
1.3.2. Дрейф показателя преломления при вариации температуры интегрально-оптической схемы 31
1.3.3. Дрейф рабочей точки ИМЦ под действием внешнего электрического поля 37
1.3.4. Исследование дрейфа методом RC-цепей 39
1.3.5. Факторы, оказывающие влияние на дрейф рабочей точки ИМЦ 39
1.4. Структура и свойства монокристалла ниобата лития 40
1.4.1. Состав кристалла ниобата лития 40
1.4.2. Структура и свойства ниобата лития 42
1.4.3. Собственная дефектная структура ниобата лития 43 1.4.4. Состояние приповерхностных слоев ниобата лития до протонного обмена 44
1.4.5. Проводимость ниобата лития при различных значениях температуры 45
1.5. Создание волноводов методом протонного обмена и отжига 46
1.5.1. Модификация структуры ниобата лития при протонном обмене 47
1.5.2. Модификация структуры ниобата лития при отжиге 50
1.6. Основные выводы из обзора литературы 52
2. Методы исследования hxli1-xnbo3 канальных волноводов и их стабильности 54
2.1. Методы исследования структуры HxLi1-xNbO3 канальных волноводов 54
2.1.1. Дифракционный структурный анализ 54
2.1.2. Оптическая профилометрия в сочетании с химическим травлением55
2.1.3. Электронная сканирующая микроскопия 56
2.1.4. Измерения микротвердости 57
2.1.5. Изготовление образцов для структурных исследований 58
2.2. Методы исследования стабильности оптических свойств HxLi1-xNbO3
канальных волноводов 60
2.2.1. Экспериментальные образцы для температурных испытаний 60
2.2.2. Влияние температуры на дрейф показателя преломления ПКВ 63
2.2.3. Влияние величины электрического напряжения на дрейф ПП в волноводе 65
3. Изготовление экспериментальных образцов для оптических исследований 67
3.1. Исходный кристалл 67
3.2. Фотолитография 67
3.3. Протонный обмен и отжиг 70
3.4. Нанесение электродов 71
3.5. Стыковка чипа интегральной схемы с волоконными световодами 72
3.6. Обсуждение процесса формирования HxLi1-xNbO3 канальных волноводов73
4. Результаты исследования пкв структурными методами 76
4.1. Состояние исходных пластин ниобата лития 76
4.1.1. Результаты электронно-микроскопических исследований 76
4.1.2. Результаты исследования микротвердости 77
4.1.3. Результаты рентгеноструктурного анализа 78
4.1.4. Обсуждение результатов исследования исходного кристалла 79
4.2. Результаты исследования протонообменных слоев 80
4.2.1. Результаты рентгеноструктурного анализа 80
4.2.2. Результаты оптической профилометрии в сочетании с химическим травлением 82
4.3. Обсуждение результатов структурных исследований ПКВ 83
4.3.1. Сетка дислокаций несоответствия в ПКВ 84
4.3.2. Расчет плотности дислокаций и силы, действующей на дислокацию88
4.3.3. Расчет количества свободных зарядов 89
4.3.4. Обсуждение результатов измерения: зарядовая модель ПКВ 92
5. Результаты исследования стабильности пкв методами интегральной оптики 95
5.1. Температурные факторы, влияющие на показатель преломления волновода 95
5.2. Влияние абсолютной температуры на работу Y-разветвителя 95
5.2.1. Результаты измерений для образцов Y-разветвителей с подавленным пироэлектрическим эффектом 96
5.3. Влияние пироэлектрического эффекта на работу Y-разветвителя 97
5.3.1. Пироэлектрический эффект в ниобате лития 97
5.3.2. Результаты измерений 100
5.3.3. Обсуждение результатов измерений с Y-разветвителем 104
5.4. Влияние пироэлектрического эффекта на работу ИМЦ 105
5.4.1. Сравнение результатов измерения для ИМЦ с замкнутыми и разомкнутыми электродами 108
5.4.2. Обсуждение результатов измерений с ИМЦ 110 5.5. Влияние постоянного электрического напряжения на стабильность
показателя преломления ПКВ 116
5.5.1. Результаты измерений 117
5.5.2. Интерпретации результатов электрических испытаний с помощью передаточной функции ИМЦ 118
5.5.3. Обсуждение результатов измерений 120
5.6. Механизм долговременного дрейфа показателя преломления ПКВ при переменной температуре и постоянном напряжении смещения 123
Заключение 128
Общие выводы 134
Основные результаты диссертации опубликованы в работах 135
Благодарности 137
Список сокращений 138
Список литературы 139
- Теоретические основы и особенности работы электрооптических модуляторов на ниобате лития
- Дифракционный структурный анализ
- Протонный обмен и отжиг
- Результаты оптической профилометрии в сочетании с химическим травлением
Введение к работе
Актуальность проблемы. Объектом настоящего исследования являются интегрально-оптические схемы (ИОС), изготавливаемые на основе монокристалла ниобата лития (НЛ). Такие ИОС применяются в качестве модуляторов амплитуды оптического сигнала в волоконно-оптических линиях связи, а также в качестве фазовых модуляторов в навигационных системах на базе волоконно-оптических гироскопов. Широкое применение ниобата лития в качестве материала для изготовления ИОС обусловлено низкими оптическими потерями в данном кристалле, высокими электрооптическими коэффициентами и возможностью создавать на его поверхности оптические волноводы методами фотолитографии.
Канальные оптические волноводы поддерживают распространение оптического излучения за счет эффекта полного внутреннего отражения. Создание канальных волноводов в НЛ обычно проводится при помощи внедрения в решетку исходного кристалла ионов различного типа, вызывающих, посредством упруго-оптического эффекта, локальное повышение показателя преломления. Наиболее распространенным является внедрение ионов титана и протонов, в результате чего получаются титанодиффузные и протонообменные канальные волноводы (ПКВ), соответственно. Последние в настоящее время шире применяются для изготовления ИОС ввиду большей простоты процесса протонного обмена.
Важнейшей характеристикой ПКВ является показатель преломления, от стабильности которого зависит качество передачи оптического сигнала в оптической линии связи, так и точность определения координаты объекта системой на базе волоконно-оптического гироскопа. Для стабилизации оптического сигнала ИОС применяются системы коррекции показателя преломления волноводов подачей постоянного напряжения, величина которого определяется с помощью цепи обратной связи. Такой способ коррекции является наиболее надежным, однако, как было показано в многочисленных работах H. Nagata, показатель преломления ПКВ дрейфует при помещении волновода в постоянное электрическое поле, причем скорость этого дрейфа пропорциональна температуре ИОС [1; 2] и величине приложенного напряжения смещения Vbias. Дополнительно авторы указанных работ отмечали, что дрейф показателя преломления ПКВ не прекращался в течение сотен и тысяч часов. Указанные факты приводят к тому, что для драйвера, задающего величину Vbias, неизбежно наступает момент, когда его мощности перестанет хватать для поддержания нужного показателя преломления волноводов, вследствие чего ИОС выходит из строя.
Несмотря на широкую известность этого явления, природа дрейфа показателя преломления и его механизм на микроскопическом уровне, оставались к моменту начала настоящей работы невыясненным. Высказанные в начале 80-ых годов 20-го века предположения, о действии пироэлектрического эффекта и фотоповреждении волноводов были опровергнуты в последующих работах, которые, однако, также не смогли предложить однозначного объяснения явления дрейфа показателя преломления в ПКВ. Авторы наиболее свежих работ по данной теме сходятся на том,
что исследуемый дрейф есть результат действия множества факторов, таких как состояние исходного кристалла, процесс формирования волноводов, топологии волноводов и режима эксплуатации ИОС. В настоящей работе делается попытка создания структурной модели дрейфа в протонообменном канальном волноводе с учетом всех перечисленных выше факторов.
Цель работы – исследовать влияние на дрейф показателя преломления ПКВ производственных и эксплуатационных факторов, действующих на ИОС, и на основе полученных данных разработать качественную микроскопическую модель дрейфа показателя преломления в ПКВ, учитывающую реальную кристаллическую структуру НЛ в области волновода.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые: – предложена новая микроскопическая модель дрейфа показателя преломления ПКВ, основанная на наличии вокруг волновода сетки дислокаций несоответствия, накапливающей на себе протоны и облегчающей их движение.
– получены новые экспериментальные данные о состоянии приповерхностных слоев в пластинах ниобата лития и установлено их возможное влияние на дрейф показателя преломления в ПКВ.
– установлена связь между наблюдаемым явлением дрейфа показателя преломления ПКВ и процессами движения зарядов в кристаллической решетке ниобата лития вблизи ПКВ.
– обнаружен температурный режим (начальная температура и скорость нагрева), при котором действие пироэлектрического эффекта вызывает резкий рост оптических потерь в ПКВ.
Научная и практическая значимость результатов исследования. Результаты исследования относятся непосредственно к серийно производимым, дорогостоящим и высокотехнологичным интегрально-оптическим схемам. Применение результатов исследования позволит:
– улучшить стабильность и долговечность устройств на основе протонообменных канальных волноводов.
– создать интегрально-оптические устройства, не нуждающиеся в системах коррекции дрейфа.
– расширить температурный диапазон применения интегрально-оптических схем. – предсказать поведение производимых интегрально-оптических схем в экстремальных режимах работы и в течение длительного времени.
Автор защищает:
– оригинальные экспериментальные результаты исследования приповерхностных слоев пластин ниобата лития и дефектной структуры протонообменных канальных волноводов (ПКВ), создаваемых в этих слоях;
– оригинальные экспериментальные результаты оптических исследований дрейфовых явлений в ПКВ, а также методику их получения и интерпретацию полученных экспериментальных данных;
– механизм дрейфа показателя преломления протонообменного волновода, обусловленный наличием вокруг волновода сетки дислокаций несоответствия, накапливающей протоны и облегчающей их движение.
– разработанные автором рекомендации по уменьшению дрейфа показателя преломления волноводов, основанные на применении метода мягкого протонного обмена, контроле состояния исходных пластин НЛ и выборе оптимальной топологии волноводов ИОС.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается сочетанием взаимодополняющих методик экспериментального исследования; использованием репрезентативной выборки исследуемых образцов; согласием выводов микроскопической модели дрейфа показателя преломления ПКВ c данными натурных экспериментов, выполненных диссертантом; согласием результатов настоящей диссертационной работы с ранее выполненными исследованиями других авторов там, где они перекрываются.
Личный вклад автора. Постановка задачи, натурные эксперименты по исследованию свойств исходного кристалла и ПКВ структурными методами, а также исследования свойств ПКВ на образцах ИОС различных типов осуществлены лично автором. Обсуждение и интерпретация полученных результатов выполнены совместно с научным руководителем.
Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 26 печатных работах, в том числе 2 в научных журналах, рекомендованных ВАК и 3 в сборниках, индексирующихся в базе Scopus. Результаты работы доложены на следующих международных и всероссийских конференциях: всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (Пермь, 2009); международные конференции по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (Эрлагол, 2010-2011); международная конференция «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2010); международная конференция «Кристаллофизика XXI века» (Москва, 2010, 2013); международная конференция «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2011); всероссийская конференция «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» (Пермь, 2011-2013), всероссийская конференция «Материалы нано-, микро- опто-электроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2011); всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, 2009, 2011, 2013); международная конференция «Оптические технологии в телекоммуникациях» (Казань, 2011); Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, 2012); Международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул , 2012), одиннадцатый российско-балтийско-японский симпозиум по сегнетоэлектрикам «ISFD-11th-RCBJSF» (Екатеринбург, 2012), международная конференция «Advanced optoelectronics & lasers» (Судак, Украина, 2013).
Структура работы и объем. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы, включающего 132 наименования. Общий объем диссертации составляет 148 страниц, включая 70 рисунков и 6 таблиц.
Теоретические основы и особенности работы электрооптических модуляторов на ниобате лития
В современных волоконно-оптических линиях связи ИОС на основе монокристалла ниобата лития широко используются для кодирования последовательности данных, передаваемых по волоконному световоду [34]. Применяемая для кодирования оптического сигнала интегрально-оптическая схема является модулятором амплитуды излучения, который открывает или закрывает оптический тракт в зависимости от поступающего на него полезного сигнала. Модуляция амплитуды происходит на сверхвысоких частотах (СВЧ) за счет применения интерференционной схемы, в которой прохождение максимального сигнала соответствует конструктивной интерференции, а отсутствие сигнала обеспечивается за счет деструктивной интерференции.
Применение внешних модуляторов обусловлено необходимостью сохранения формы импульса при высокой частоте управляющего сигнала. Как указано в [35], при частотах модуляции выше 5 ГГц форма импульса лазера при прямой модуляции искажается настолько, что надежное детектирование сигнала становится невозможным. Таким образом, повсеместное применение частот передачи данных в 20 ГГц на магистральных линиях ВОЛС создает необходимость использования именно внешних модуляторов интенсивности для кодирования сигнала.
Второй областью, где широко применяются интегрально-оптические схемы на основе ПКВ, является авиационная и морская навигация. Современные малогабаритные навигационные системы обычно строятся на базе волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) или кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ), которые основаны на применении эффекта Саньяка, (см., например, [37; 38]). В данной работе, в том числе, исследуются ИОС, применяемые в качестве фазового модулятора в блоке чувствительных элементов ВОГ, схема которого представлена на рис. 1.1.
Модулятор фазы создается на основе ПКВ, формируемых на поверхности подложки монокристалла ниобата лития. В данном устройства, помимо разделения входного луча и его интерференции после прохождения волоконного контура, происходит поляризация излучения и фазовая модуляция и интерференция лучей, прошедших через волоконный контур ВОГ в противоположных направлениях. В волоконном контуре используется оптическое волокно типа PANDA, сохраняющее поляризацию излучения. Для фазового модулятора выделяют ряд ключевых характеристик, приведенных в таблице 1.2.
Габаритные размеры корпуса, ДШВ, мм 1001510 Как видно из таблицы 1.2., ко многим характеристикам фазового модулятора ВОГ предъявляются высокие требования, как в смысле абсолютного значения величины, так и в смысле ее стабильности в широком диапазоне рабочих температур. Дрейф таких характеристик, как коэффициент деления, полуволновое напряжение и коэффициент сохранения поляризации излучения приведет к ошибке в определении координаты объекта, на котором установлена навигационная система на базе ВОГ.
Применение ниобата лития в качестве основы для создания ИОС обусловлено высокими электрооптическими коэффициентами этого кристалла, широким окном прозрачности и возможностью создавать на его поверхности волноводы стандартными фотолитографическими методами. Однако сегнетоэлектрическая природа ниобата лития приводит к проявлению в ИОС на его основе всего спектра кристаллофизических эффектов: пироэлектрического, пьезоэлектрического, упругооптического, электрооптического, фоторефрактивного и других. Обеспечение высокой стабильности параметров ИОС с учетом действия перечисленных кристаллофизических эффектов, становится сложной задачей, которая, однако, должна быть решена ввиду важности сферы применения интегральных схем на ниобате лития.
Электрооптическим эффектом в общем случае называется изменение оптической индикатрисы кристалла под действием внешнего электрического поля. В данной работе рассматривается линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), описываемый для тензора диэлектрической непроницаемости rjtj соотношением A?] =rk-Ek, (1.1) где rijk – тензор электрооптических коэффициентов, Ek – вектор напряженности электрического поля. Для упрощения работы компоненты тензора rijk преобразуются в двухиндексную форму rij, в соответствии с «правилом девятки» [40]. Квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра) в настоящей работе не учитывается ввиду малости соответствующих электрооптических коэффициентов для НЛ [41].
Суть эффекта Поккельса для НЛ сводится к изменению электронной поляризуемости кристалла под действием внешнего электрического поля. Изменение именно электронной поляризуемости приводит к тому, что данный эффект практически безынерционен, что позволяет создавать на основе НЛ модуляторы с частотой модуляции до 100 ГГц [42; 43].
В настоящей работе кристалл НЛ рассматривается в прямоугольной кристаллофизической системе координат, однако для удобства сохранено обозначение осей через Х, Y и Z. В такой установке положительное направление оси Z совпадает с положительным направлением полярной оси в кристалле, а направление оси Х совпадает с нормалью к плоскости среза кристалла. Единственное расхождение существует для оси Y, для которой угол между кристаллографическим и кристаллофизическим направлением составляет 30.
Дифракционный структурный анализ
Оптический канальный волновод представляет собой область с малыми оптическими потерями и показателем преломления щ большим, чем показатель преломления подложки ns и показатель преломления окружающего воздуха пc. Индексы в данном случае имеют следующий смысл: f - film, s - substrate, с - cladding. В таком случае, необходимым условием каналирования света является щ щ и щ пc. В данной работе рассматриваются волноводы погруженного (buried) типа, т.е. такие, в которых область с повышенным показателем преломления создается под поверхностью исходного кристалла с помощью модификации структуры последнего. Схематическое изображение канального волновода с прямоугольным профилем показателя преломления (ППП) показано на рис. 1.3.
Как показано в [45-47], профиль показателя преломления волновода после протонного обмена является ступенчатым, глубины волновода и протонообменной области совпадают. В зависимости от параметров отжига ППП может как оставаться ступенчатым, так и стать градиентным [48].
Вне зависимости от вида ППП канальные волноводы должны создаваться одномодовыми, т.е. поддерживать распространение только фундаментальной моды излучения для данной длины волны X. Возникновение дополнительных мод, их интерференция и преобразование приводят к резкому ухудшению параметров ИОС, в особенности интерферометрических схем [49].
Для протонообменных волноводов, формируемых на Х-срезе НЛ можно говорить о существовании только ТЕ-моды излучения. Это обусловлено тем, что при протонном обмене увеличивается только показатель преломления ne, соответствующий ТЕ-моде излучения [51]. При этом ТМ-мода испытывает рассеяние в подложку ввиду отсутствия для нее области с повышенным показателем преломления.
Для рассматриваемой задачи волноводная теория важна с точки зрения условий, при которых существует фундаментальная мода излучения. ИОС работает в штатном режиме, когда геометрические параметры волновода и ППП таковы, что в волноводе существует только фундаментальная мода излучения и отсутствуют моды высших порядков. Как указано в [49], асимметричные волноводы, к которым относится ПО-волновод, обладают длиной волны отсечки и для фундаментальной моды при определенных значениях V и а. Это отличает их от симметричных волноводов, например оптических волокон, в которых фундаментальная мода распространяется при любых условиях.
Условия существования и количество поддерживаемых волноводных мод описываются дисперсионными кривыми (рис. 1.5), которые для известных параметров волновода позволяют вычислить число распространяющихся мод. Различные методы расчета дисперсионных кривых и их приложения к проектированию конкретных устройств описаны в [52].
В рассматриваемом случае допустимо пользоваться дисперсионными кривыми, вычисленными для планарных волноводов, т.к. аналогичные расчеты для канальных волноводов обычно проводятся по методике, объединяющей в себе расчет для планарных волноводов в вертикальной и горизонтальной плоскости.
Модуляторы амплитуды излучения, описанные в п. 1.1.1, строятся на основе интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ). Здесь и ниже по тексту аббревиатура ИМЦ будет употребляться по отношению именно к интегрально-оптическому устройству, сформированному на одном кристалле. Традиционная для интегральной оптики схема ИМЦ, представленная на рис. 1.6, образована одномодовыми канальными волноводами, созданными на поверхности монокристалла ниобата лития. используются источники излучения с =1550 нм, что соответствует третьему окну прозрачности для кварцевых волоконных световодов. Для работы в одномодовом режиме при указанном значении формируются волноводы определенной ширины, которая определяется параметрами фотолитографической маски и диффузионными процессами, происходящими при отжиге волновода.
Для управления фазой излучения применяются металлические электроды, наносимые на поверхность кристалла. К электродам прикладывается переменное напряжение Vs от генератора или датчика и постоянное напряжение Vbias, предназначенное для смещения рабочей точки модулятора. При работе в двухтактном режиме электрическое поле в плечах интерферометра направлено в противоположные стороны, что вызывает равное по величине и противоположное по знаку изменение показателя преломления в волноводе за счет электрооптического эффекта (рис. 1.7).
Протонный обмен и отжиг
Дрейфовые явления в ИОС по своей природе являются, как правило, дрейфом показателя преломления в канальных волноводах под действием различных физических факторов. Изменение показателя преломления волноводов nd (индекс d обозначает изменение за счет дрейфа) приводит к появлению разности фаз d, и, в результате интерференции, к изменению выходной мощности Iout, как это показано в п. 1.2.4. Необходимость стабилизации положения рабочей точки ИМЦ приводит к необходимости изменения Vbias пропорционально дрейфу показателя преломления волноводов. В большинстве работ, посвященных дрейфовым явлениям в модуляторах, положение рабочей точки стабилизируется в максимуме или минимуме передаточной функции и рассматривается изменение величины Vbias во времени [10; 15; 26; 62]. Это обусловлено тем, что указанные статьи посвящены телекоммуникационным модуляторам амплитуды излучения, для которых именно Vbias является критическим параметром, ограничивающим эксплуатацию ИОС при дрейфе показателя преломления волновода.
Без потери общности рассуждений, анализу может подвергаться и зависимость величины Iout от времени при воздействии внешних факторов. Более того, некоторые явления в волноводах Y-разветвителей, описанные в данной работе, можно исследовать только на основе анализа величины Iout. Кроме того, знание величины Iout в каждый момент времени позволяет перейти к величине nd и через эффект Поккельса связать ее с процессами, происходящими в кристаллической решетке НЛ. Для анализа на основе значения Vbias такой переход является более трудным и не во всех случаях однозначным. Возможно, именно по этой причине большое количество экспериментальных данных о дрейфовых явлениях в ИОС на ниобате лития не нашло адекватного объяснения с точки зрения атомно-молекулярного строения кристалла и процессов, происходящих в нем.
В ходе эксплуатации ИОС подвергается действию множества факторов, способных привести к изменению ее характеристик. К первичным факторам относятся изменение температуры ИОС и подача дополнительного напряжения на систему электродов. Изменение температуры ИОС в силу пироэлектрической природы НЛ приводит к формированию зарядов на полярных гранях кристалла, появлению упругих напряжений на границах с другими материалами, изменению проводимости кристалла, а также изменению всех кристаллофизических коэффициентов, связанных с сегнетоэлектрическими свойствами НЛ. Подача постоянного напряжения на электроды модулятора, помимо изменения показателя преломления за счет электрооптического эффекта, приводит к действию пьезоэлектрического эффекта, изменению напряженности электрического поля в волноводе и, как следствие, перемещению заряженных дефектов, имеющихся в решетке кристалла. Эти и другие дрейфовые явления ниже будут рассмотрены подробно.
Анализ причин дрейфа Iout и РТ на основе (1.5) дает следующие результаты. Входящие в (1.5) множители разбиваются на две группы, одна из которых соответствует конструкционным и рабочим параметрам модулятора (Г, Vbias, К К d), а вторая - материальным (г33, пе). Конструкционные параметры (Г, /, d) задаются на этапе проектирования модулятора и не могут меняться в ходе его эксплуатации. Рабочие параметры (Vbias, Л) контролируются при работе модулятора и могут быть скорректированы. Материальные параметры, отражающие свойства кристалла не могут считаться постоянными во всем диапазоне возможных условий работы модулятора. Так электрооптический коэффициент гзз растет пропорционально температуре с показателем (dr33/ dT) / r33 = 4,9 x 10Ґ4 C"1 [63], а показатель преломления кристалла пе зависит от химического состава исходного расплава [64], содержания водорода в приповерхностном слое [15], особенностей выращивания и обработки кристалла, фотоповреждения [1; 54].
Здесь и далее для обозначения всех явлений, которые сопровождаются дрейфом показателя преломления в протонообменных канальных волноводах, для краткости будет использовано слово дрейф с указанием его причины.
Ввиду того, что изначально большинство модуляторов строилось на базе титанодиффузных волноводов, многие из упомянутых в литературном обзоре работ будут посвящены им. В более поздних работах, посвященных протонообменным волноводам, было показано, что дрейфовые процессы, наблюдаемые в титанодиффузных и протонообменных модуляторах схожи по своей сути и происхождению. В связи с этим автор настоящей работы оставляет за собой право использовать данные о дрейфах, полученные на титанодиффузных волноводах там, где это не касается непосредственно разницы в поведении ионов Ti+ и H+ в решетке НЛ.
Результаты оптической профилометрии в сочетании с химическим травлением
Как видно из рисунка, для образцов с длительностью ПО менее 6 ч на кривой травления выделяется по два прямолинейных участка, на которых скорость травления заметно отличается. Этим участкам соответствуют определенные кристаллические фазы, в данном случае р2 и рь С учетом прямого порядка залегания слоев [105], можно приближенно рассчитать количество протонов, содержащееся в данных фазах.
Для указанных фаз параметр x из LibxHxNb03 составляет: р2 фаза: x = 0,52.. .0,64, среднее значение Ср2 = 0,58, толщина слоя dp2 = 380 нм, Pi фаза: x = 0,43...0,52, среднее значение Срі = 0,48, толщина слоя dpi = 120 нм. Для а-фазы х = 0...0Д2. Толщина слоя а-фазы после отжига da при тех же условиях ПО составляет около 5 мкм.
Тогда для а-фазы параметр х вычисляется из следующего соотношения: х = [dp2 Ср2+ dpi Cpi]/da = 0,056 при условии, что все внесенные протоны остаются в решетке НЛ после отжига.
Площадь волновода после отжига составляет 5x5 мкм2 = 2,5-10 8 см2, соответственно объем волновода, приходящийся на один сантиметр его длины составляет 2,5-10 8 см3. При плотности НЛ 4,6 г/см3 и молярной массе 148 г/моль, в объеме волновода, приходящемся на 1 см его длины, содержится около 51015 структурных единиц LiNbO3. Тогда с учетом вычисленного значения x на 1 см длины волновода приходится 2,81014 протонов. Это значение необходимо сравнить с количеством протонов, которое требуется для создания полей, вызывающих дрейф ПП в волноводе.
Как будет показано ниже, кратковременные дрейфовые явления в ПКВ можно феноменологически интерпретировать как подачу дополнительного напряжения на систему электродов. В этом случае наблюдаемые в эксперименте дрейфы ПП эквивалентны подаче минус 0,5 В при типичном напряжении смещения 3 В. Рассчитаем, какой заряд необходимо иметь на стенке волновода, чтобы создать встречное напряжение, эквивалентное ослаблению внешнего напряжения на 0,5 В.
Расстояние между электродами примем равным 20 мкм. Диэлектрическая проницаемость НЛ в данном направлении 33=32.
Эквивалентная напряженность электрического поля составляет в данном случае Е = 0,5 В/(2010-4 см) 30 кВ/см = 80 ед. СГСЭ/см. Волновод в предельном случае можно представить в качестве плоского конденсатора, тогда заряд Q, необходимый для создания соответствующего электрического можно найти из соотношения Q = E33S, где S – площадь боковой поверхности волновода. Величина S, приходящейся на каждый сантиметр длины волновода составляет 510-4 см2. Тогда Q = 8032510-4 1,3 ед. заряда СГСЭ, что эквивалентно 3109 зарядов протона. Указанная величина на 5 порядков меньше, чем общее число протонов, внесенных в решетку НЛ, т.е. в ходе отжига один из ста тысяч протонов занимает положение на линии дислокации, сохраняя свою подвижность и принимая участие в дрейфе ПП.
Обсуждение результатов измерения: зарядовая модель ПКВ По результатам структурных исследований ПКВ можно предложить простую физическую модель ПКВ, в основе которой лежит несколько простых предположений: 1. Волновод со всех сторон окружен сеткой дислокаций. По бокам волновода это СДН, обусловленная несоответствием параметров решетки исходного кристалла и ПО-фаз. Дно волновода лежит в области сетки дислокаций, являющейся результатом механической обработки кристалла в процессе нарезки були на отдельные пластины и полировки их поверхности.
2. Сетка дислокаций представляет собой разрывы в атомных плоскостях, образующих кислородный каркас НЛ. Сетка дислокаций является заряженной отрицательно и притягивает к себе положительно заряженные протоны, распространяющиеся по решетке НЛ в процессе ПО и отжига.
3. Протоны, оседающие на линии дислокации, сохраняют более высокую подвижность, чем протоны, занимающие регулярные положения, ранее принадлежавшие литию. Для наблюдаемых в эксперименте дрейфовых явлений в ПКВ достаточно участия малой, порядка 0,00001 части протонов, внесенных в решетку НЛ в ходе протонного обмена. Протоны легко скользят вдоль линии дислокации, однако не могут оторваться от нее в силу зарядового взаимодействия.
Таким образом, описанную этими предположениями модель волновода можно представить в виде замкнутой полости, окружающей и частично пересекающей волновод и наполненной положительно заряженной жидкостью, способной перемещаться вдоль полости под действием электрического поля E.
