Введение к работе
Актуальность темы
Волноводно - оптические структуры на основе электрооптических кристаллов в течение всего периода формирования и развития концепций интегральной оптики являются объектами первостепенного внимания в плане как научных исследований, так и технических приложений. В первую очередь это относится к оптическим волноводам в ниобате лития (LiNbOs) из - за уникального комплекса его оптических, акустических, пьезоэлектрических, электрооптических свойств и высокой технологичности. Поэтому создание в LiNbOi высококачественны» световодов методами обратной диффузии окиси лития, высокотемпературной диффузии титана и протонно - литиевого обмена обозначило этапные моменты в развитии интегральной оптики.
К настоящему времени на основе LiNbOj реализован целый ряд волноводных элементов и устройств для оптической обработки информации и связи, часть из которых производится серийно несколькими зарубежными фирмами. Подобные элементы используют эффекты акустооптических и электрооптических волноводных взаимодействий. В волноводных структурах в LiNbOa наблюдается и фоторефрактивный эффект (ФРЭ), позволяющий реализовать в них, даже при крайне низкой оптической мощности, нелинейное взаимодействие световых волн, приводящее к формированию динамических голограмм, представляющих интерес для целей оптической памяти.
На характеристики волноводно - оптических взаимодействий существенно влияет неоднородность возмущений в волноводной области, обусловленная наличием границы раздела с покровной средой и возмущением физических свойств материала в приповерхностном слое. Специфические свойства волноводных световых полей (неоднородность імплитудьі в направлении нормали к поверхности и существование в іаданном направлении нескольких мод с разной поляризацией и разными разовыми скоростями) также приводят к отличиям количественных характеристик волноводных взаимодействий по сравнению с объемными шалогами, и даже к качественно новым эффектам.
В публикациях, имеющихся к началу соответствующих этапов іанной работы, возмущения вместе с показателем преломления и других ;войств материала при создании волноводных структур методами юверхностного легирования принимались во внимание в редких случаях. Основной задачей считалось создание слоя с повышенным показателем преломления и низкими оптическими потерями с помощью одной тегирующей примеси. При разработке волноводных акустооптических и лектрооптических управляющих элементов преимущества, обуслов-[енные спецификой волноводных полей, также использовались лишь в сдельных случаях, хотя в ряде работ,отмечена высокая эффективность
акусто- и электрооптических взаимодействий с участием вытекающих мод, акустооптических взаимодействий направляемых мод разных поляризации и порядка. Практически не уделялось внимания взаимодействиям световых волн на фоторефрактивной нелинейности в вояноводных структурах на основе электрооптических кристаллов, хотя проявления ФРЭ в трехмерных средах и их возможные приложения в целях оптической обработки информации и оптической памяти изучались весьма интенсивно. Таким образом, многие потенциальные преимущества волноводно - оптических взаимодействий, перспективных для построения элементов и устройств интегральной оптики, оставались не реализованными.
Цель работы
В связи с изложенным, целью диссертационной работы являлось развитие нового научного направления в интегральной оптике, связанного с разработкой физических основ построения волноводно -' оптических элементов для оптической обработки информации, оптической памяти и нелинейной интегральной оптики. В рамках этого направления решались задачи:
разработка методик формирования и исследования характеристик волноводно - оптических структур в ниобате лития с возможностью варьирования физических свойств материала, актуальных для заданных приложений, путем многокомпонентного легирования;
исследование основных закономерностей взаимодействия световых волн иа возмущениях различной природы в вояноводных структурах и их особенностей, обусловленных спецификой вояноводных световых полей и возмущением физических свойств материала в волноводной области, позволяющих реализовать в разрабатываемых элементах все преимущества волноводно - оптических взаимодействий.
Основные научные положення, выносимые на защиту
1) Многокомпонентное легирование поверхности ниобата лития
примесями Ті, Fe, Си (с их средней концентрацией в легированной
области до одного весового процента) и Н\ с использованием методов
диффузии, протонно - литиевого обмена и их комбинаций, позволяет
формировать волноводно - оптические структуры с целенаправленным
варьированием физических свойств материала в вопноводном слое с
диапазоном: повышения темновой проводимости, фотопроводимости и
фоторефрактивной чувствительности - до 7 + 8 порядков; увеличения
оптического поглощения - до десятков дБ/см; снижения электро-
оптнческих коэффициентов и температурного коэффициента
необыкновенного показателя преломления - до нескольких раз.
2) Возмущения физических свойств кристалла в приповерхностной
области, обусловленные поверхностным легированием, и неоднородности
физических полей, связанные с влиянием границы раздела,
обнаруживаются, а их структура реконструируется, по характеристикам
акустооптических, .электрооптических, фоторефрактивных и
термооптических взаимодействий в планарных волноводах, сформированных у данной поверхности, при сравнимых размерах масштаба неоднородности и толщины волновода.
3) При синхронизме фазовых скоростей вытекающей и" обыкно- .
венной излучательной мод, вытекающие моды оптических волноводов в
ниобате литая X и Y срезов возбуждаются при полном внутреннем
отражении обыкновенно поляризованных световых пучков от границы
"волновод - покровная среда", соответствующем излучательной моде, с
эффективностью, достигающей величины эффективности призменного
метода. На основе вытекающих мод реализуются эффективные
фоторефрактивные, акустооптические, электрооптические и
термооптические взаимодействия.
-
В оптических волноводах в ниобате лития, легированных железом, при его неоднородном распределении по глубине, средней концентрации выше 0,2 + 0,5 вес.%, различии средних концентраций Fe для разных мод на десятки процентов, и преобладании темновой проводимости над фотопроводимостью, двухлучевое формирование фоторефрактивных решеток модами разного порядка обеспечивает времена их формирования от долей секунды до часов, а хранения - от допей секунды до месяцев.
-
В планарных волноводах в ниобате лития, легированных железом, при его средней концентрации в волноводной области выше 0,1 + 0,2 вес.% и преобладании фотопроводимости над темновой проводимостью, при однопучковом воздействии наблюдается эффект формирования динамических фотовольтаическнх линз с временами формирования и хранения от десятков минут до долей секунды. Временные характеристики линз варьируются изменением концентрации Fe в волноводной области или ее дополнительным легированием медью.
-
При однопучковом воздействии в планарных волноводах LiNb03:Fe, LiNbOj:Ti:Fe, LiNb03:Fe:Cu, на модах с соответствующей им средней концентрацией Fe менее 0,1 + 0,2 вес. %, наблюдается эффект параметрического формирования фоторефрактивных решеток. Их периоды определяются разницей эффективных показателей преломления взаимодействующих мод при накачке направляемыми либо вытекающими волнами, и величиной угла падения волны накачки на поверхность ! волновода - в случае, когда волной накачки является излучатеньная мода. ;
7) В планарных волноводах, при акустооптическом взаимодействии ;
мод одинаковой поляризации, но разного порядка, реализуется режим
широкополосной дифракции, центральные частоты которой определяются
разницей эффективных показателей преломления взаимодействующих
мод. В одномодовых волноводах подобный режим реализуется при
акустооптическом преобразовании направляемой либо вытекающей моды в излучательную моду подложки.
Достоверность полученных в диссертация результатов подтверждается:
В экспериментальных исследованиях - использованием физически обоснованных современных методик и приборов. Ошибки определения эффективных ПП волноврдных мод не превышали 0,0002, а относительные погрешности измерений интенсивности световых пучков - 10%; угловое положение дифракционных максимумов определялось с точностью ±0,5 мрад; направление вектора топографических решеток в экспериментах по их записи устанавливалось с точностью ±2. Для ряда экспериментальных результатов их достоверность подтверждается согласием с полученными другими авторами.
Полученные в диссертации теоретические результаты и расчетные данные подтверждаются:
экспериментами, имеющими качественный характер (для возмущения наведенных электрических полей у поверхности кристалла при записи объемных топографических решеток);
количественным согласием, в пределах погрешностей измерений, с экспериментальными данными (для временной зависимости вида функции профиля ПП градиентных волноводов при диффузии примеси из слоя конечной толщины);
- согласием выводов о зависимости профиля ПП диффузионных
волноводов от условий процесса легирования с результатами других
авторов.
Степень научной новизны н значимости
Научная новизна работы определяется тем, что в результате исследований полученных вояноводных структур и процессов распространения и взаимодействия в них световых волн обнаружены следующие новые эффекты и установлены новые закономерности:
-
В протонообменных планарных волноводах H*:LiNbO} X - и Y -срезов впервые обнаружен и экспериментально исследован эффект вытекания света при распространении ТЕ мод в осевых направлениях.
-
Проведены детальные экспериментальные исследования эффектов формирования и релаксации фоторефрактивных фазовых решеток в планарных волноводах с легированием примесями Fe и Си. Выявлен факт возрастания на 7 + 8 порядков темновой проводимости LiNbOs при его легировании железом и сильная зависимость от номера моды характеристик решеток, формируемых в волноводах LiNbOj:Fe разными направляемыми модами. В волноводах LiNbOj:Fe:Cu впервые обнаружен и исследован эффект компенсации темновой проводимости LiNbOj.Fe при дополни!«лыюм легировании медью.
3) В планарных волноводах с повышенной фоторефрактивиой
чувствительностью впервые обнаружены и изучены новые нелинейные
взаимодействия, такие как параметрическое усиление слабых световых
воли при фоторефрактивиой связи направляемых мод одинаковой
поляризации, но разного порядка; направляемых и излучательных мод;
излучательных и вытекающих мод, а также эффект пространственного
самовоздействия световых пучков вследствие формирования
фотовольтаических волноводных динамических линз.
4) Экспериментально исследовано сверхширокополосное
возбуждение поверхностных акустических воли в ниобате лития с
помощью предложенных торцевого и квазипланарного
пьезопреобразователей; для их возбуждения в направлениях со слабыми
пьезоэлектрическими свойствами предложено и продемонстрировано
использование структуры "пьезоэлсктрик - воздушный зазор -
пьезоэлектрик" с щелевыми акустическими волнами рэлеевского типа.
-
Реализован и экспериментально исследован метод возбуждения вытекающих мод при полном внутреннем отражении обыкновенно поляризованных световых пучков от граниты раздела "волновод покровная среда" при пеосевом распространении света в диффугютшх волноводах и как пеосевом, так и осевом распрострсн-?:гии о иротонообменных.
-
Впервые исследованы тффекгы: широкополосного полноводного акустооптического взаимодействия с преобразованием номера ТЕ мод; широкополосного акустоопшческого взаимодействия с преобразованием вытекающей ТЕ моды в излучательную; акустооптического взаимодействия с участием вытекающих мод при их возбуждении за счет полного внутреннего отражения объемных световых пучков от поверхности волновода.
7) Реализован и экспериментально изучен эффект записг.
динамических фазовых решеток при брэгговской дифракции волноводшл;:
иод па встречных скрещивающихся пучках поверхностных акустических
волн в планарных волноводах LiNbO$:Ti:Fe, LiNbCb:Fe.
-
Впервые экспериментально исследован зффеїст элекгрооптической модуляции инте"сивности света в геометрии возбуждения вытекающих мод анизотропного волновода объемными световыми пучками.
-
Экспериментально исследованы температурные коэффициенты углов синхронизма при возбуждении вытекающих мод Ті - диффузионных и протонообменных волноводов в геометрии полного внутреннего отражения световых пучков от их поверхности; обнаружен и экспериментально изучен эффект аномально резкого изменения температурных коэффициентов углов синхронизма для некоторых мод в зависимости от времени отжига протонообменных волноводов.
10) Путем анализа частотных зависимостей эффективности
дифракции волноводных мод разного порядка на поверхностных
акустических волнах в протонообменном планарном волноводе подтвержден факт деградации электрооптических свойств ниобата лития при протонном обменне.
11) Путем изучения эффективности дифракции волноводных мод разного порядка на фоторефрактивной решетке, сформированной в кристалле LiNbOj:Cu объемными пучками, подтвержден факт возникновения неоднородных наведенных упругих и электрических полей у поверхности кристалла.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Разработанные методики многокомпонентного легирования поверхности ниобата лития позволяют формировать волноводные структуры с прогнозируемыми параметрами и варьируемыми ф.оторефрактивными и электрооптическими свойствами.
-
Предложенные торцевой и квазипланарный преобразователи поверхностных акустических волн имеют простую технологию, достаточно высокую эффективность в диапазоне частот до 1000 МГц и используются в широкополосных устройствах акустооптики и акустоэлектроники.
-
Продемонстрирована перспективность использования эффектов акустооптического взаимодействия с преобразованием номера ТЕ мод и с преобразованием вытекающих ТЕ мод в излучательные в эффективных широкополосных акустооптических модуляторах, работающих на частотах выше 500 МГц.
-
Волнозодные фотовольтаические линзы могут использоваться в интеїральнооптических схемах в качестве управляемых внешними световыми пучками элементов; топографические решетки, формируемые при параметрических фоторефрактивных взаимодействиях и дифракции волноводных мод на скрещивающихся пучках поверхностных акустических волн - в качестве динамических и квазистационарных дифракционных элементов, в том числе в векторно - матричных волноводных процессорах.
5) Разработанные торцевой и квазипланарный преобразователи,
технология оптических волноводов, метод возбуждения вытекающих мод
позволяют создавать акустооптические и электрооптические управляющие
элементы, выгодно сочетающие высокую эффективность волноводных
взаимодействий с простейшей геометрией их объемных аналогов.
Личным вклад автора
Большинство представленных в диссертации результатов получено впервые автором, под его руководством или при его непосредственном участии.
Публикации и апробация работы
Основные материалы работы представлены в 53 публикациях,
список которых приведен в конце автореферата, а также доложены и
обсуждены на Совещании по УПВ (Новосибирск, 1978 г.); Школах -
семинарах по проблеме "Поверхностные волны в твердых телах"
(Новосибирск, 1979 г., 1982 г); Всесоюзных конференциях "Применение
лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике"
(Москва, 1979г.); "Исследование и разработка прецизионных
измерительных комплексов и систем с использованием радиоволновых и
оптических каналов связи" (Томск, 1981 г.); конференции "Интегральная
оптика, физические основы, приложения" (Новосибирск, 1984 г.); XII,
XIII Всесоюзных конференциях по квантовой акустике и
акустоэлектронике (Саратов, 1983 г., Черновцы, 1986 г.); Научно -
техническом семинаре "Волоконная и интегральная оптика" (Киев, 1985
г.), Всесоюзных конференциях "Проектирование радиоэлектронных
устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" (Тбилиси, 1988
г.); Оптико - электронные измерительные устройства и системы (Томск,
1989 г.); "Проблемы оптической памяти" (Телави, 1990 г.); "Физические
принципы и методы оптической обработки информации" (Гродно, 1991
г.); конференциях "Акустоэлектронные устройства обработки
информации" (Черкассы, 1982 г.); VIII региональном семинаре "Оптические и оптоэлектронные методы и устройства обработки информации" (Краснодар, 1990 гг.); Международных симпозиумах "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах" (Новосибирск, 1986 г., Варна, 1989 г., Москва - С. - Петербург, 1994 г.); Acoustooptics: Researches and Developments (Ленинград, 1990 г.); Photonics Switchmg'92 (Минск, 1992 г.); Международных конференциях по фоторефрактишшм материалам, эффектам и устройствам (Франция, 1990 г., США, Бостон, 1991 г., Украина, Киев, 1993 г., США, Боулдер, 1995 г.); I и II Международных конференциях по оптической обработке информации (Сашст - Петербург, 1993, 1996 гг.); Международных конференциях по оптической памяти и нейронным сетям (Москва, 1994 г.); по физике полярных диэлектриков (Словения, Блед, 1996 г.); по оптике лазеров (Санкт - Петербург, 1995 г.).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, пяти разделов, содержащих оригинальные результаты, Заключения и списка цитируемой литературы, включающего 245 наименований. Полный объем диссертации - 324 страницы, включая 219 страниц основного текста, 79 страниц рисунков и 26 страниц - список литературы.
