УДК 621.372.8
Одномодовые фоторефрактивные Cu:H:LiNbO3 волноводы
с ультрамалыми потерями для приложений
интегральной оптоэлектроники
Кафедра экспериментальной физики КемГУ
*****@***ru
В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем интегральной оптики, оптоэлектроники и оптоинформатики является создание активных оптических систем для эффективного управления параметрами направляемых световых пучков. Перспективный способ решения этой задачи состоит в использовании в качестве активной среды фоторефрактивных волноводов, обладающих высокими значениями фоторефрактивной чувствительности, быстродействием и, в то же время, малыми потерями на паразитное внутриплоскостное рассеяние света в широком диапазоне частот. Известно, что получение подобных волноводов возможно с использованием техники ионного обмена в синтетических кристаллах ниобата лития (LiNbО3). Необходимое условие малой величины коэффициента рассеяния при возбуждении направляемой моды, накладывает дополнительные требования на параметры выполняемого процесса ионного обмена. В частности, появляется необходимость минимизации количества структурных фазовых переходов, происходящих при выведении целого ряда параметров получаемых волноводов до значений, характерных для электрооптически выгодной кристаллической б-фазы. Поэтому целью настоящей работы являлось получение высококачественных маломодовых фоторефрактивных LiNbO3 волноводов новым методом двухступенчатого ионного обмена, предполагающего отсутствие нескольких этапов промежуточных реструктурирующих и стабилизирующих отжигов образцов.
В эксперименте использованы пластины X-среза номинально чистых кристаллов ниобата лития оптического качества, производства Crystal Tech. Inc. Ионный обмен выполнялся в два этапа, которые обеспечивали формирование протонзамещенного слоя и легирования медью приповерхностой области кристалла. В качестве модифицирующих сред были использованы смеси соединений бензойной C6H5COOH и пальмитиновой CH3(CH2)14COOH кислот, карбоната меди (CuOH)2CO3 и бензоата лития C6H5COOLi. Для анализа промежуточного и финального состояния структурно-фазового состава волноводов, были использованы методы ИК-спектроскопии поглощения и отражения. Основным критерием завершения цикла обработки считалось достижение α-фазы модифицированного слоя. Концентрация и валентное состояние ионов меди определялись из измерений величин оптической плотности в абсорбционных электронных спектрах, на длинах волн в области около 400 и 850 нм. Оценка оптического качества и волноводных свойств полученных образцов, выполнялась методом волноводно-оптической (модовой) спектрометрии светлых линий в геометрии торцевого ввода лазерного излучения с длинами волн 633 и 650 нм.
Измерения спектров ИК-отражения в области частот внутренних колебаний NbO6-октаэдра при углах отражения б = 70o (рис.1, а) и б = 20o для готовых образцов волноводов, указывают на действительное достижение кристаллической α-фазы в результате выполнения комплекса операций ионного обмена в исследуемых кристаллах. В силу геометрии схемы измерения (при б = 70o), сигнал отражения для исследуемых образцов, формируется преимущественно от приповерхностного слоя с глубиной не более десятой доли длины волны тестирующего излучения. С учетом имеющихся данных о толщине подобных ионообменных волноводов, следует заключить, что получен монофазный оптический волновод, не имеющий слоевой структуры распределенной по глубине слоя, вплоть до субстрата.
Косвенным подтверждением последнего вывода, как и самого факта формирования протонзамещенного волновода, являются данные, полученные из измерений спектров ИК-поглощения (пропускания) (Рис.1, б) и отражения на частотах валентных колебаний ОН-- групп.
а) б)
Рис.1. а) ИК-спектр отражения в области частот внутренних колебаний NbO6-октаэдра после допирования медью (угол падения ИК-излучения б = 700); б) ИК-спектр поглощения (пропускания) в области частот валентных колебаний (OH-групп).
Так, расчет интегральных интенсивностей полос ОН-отражения в геометриях 20 и 70 градусов указывает на появление протонзамещенного слоя в результате цикла обработок. Причем дополнительные протоны, локализованы исключительно в приповерхностной области кристалла (1-3 мкм), в концентрации около 1021 см-3, что, согласно данным предыдущих исследований, достаточно для формирования волновода, поддерживающего 1-2 направляемые моды в видимой области длин волн.
Измерения поляризованных спектров ИК-поглощения с последующей декомпозицией полос в области 3600-3400 см-1 показали отсутствие в их составе компонент с частотами максимумов свыше 3490 см-1, и также подтвердили кристаллическую б-фазу полученных волноводов, характеризуемую минимальными деформациями решетки и ориентацией ОН-связей - преимущественно перпендикулярной оптической оси кристалла.
Из измерений поглощения в видимом диапазоне длин волн было установлено появление мощной и хорошо известной полосы поглощения с максимумом вблизи 3.1 эВ, возникающей при легировании кристалла медью в преимущественном валентном состоянии Cu+. Оценка концентрации меди в слое, позволяет сделать вывод о ее величине, не меньшей, чем 1026м-3, что обеспечивает очень высокие значения фоторефрактивной чувствительности [1].
Анализ модовых спектров полученных образцов в красной области длин волн, прямо подтвердил первоначальное заключение о возможном модовом составе для полученных образцов, сделанное выше. Установлено, что все полученные фоторефрактивные волноводы поддерживают одну направляемую моду с коэффициентом затухания не более 0.5 Дб/см. Таким образом, данные волноводы обладают очень малыми потерями на паразитное рассеяние (для активных диэлектрических волноводов), и являются потенциально пригодными для формирования в них дифрактивных динамических компонентов оптических схем, на чем и будут сосредоточены дальнейшие исследования.
Литература
1. Korkishko, Yu. N., Fedorov V. A. Ion exchange in single crystals for integrated optics and optoelectronics – Cambridge, UK. – 1999 – 520 p.
Научный руководитель - к. ф.-м. н., доцент
