Фоторефрактивные волноводы и элементы интегральной оптоэлектроники в сегнетоэлектрических кристаллах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, доктор физико-математических наук Кострицкий, Сергей Михайлович

• Кострицкий, Сергей Михайлович
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Кострицкий, Сергей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ И ИХ ФОРМИРОВАНИЕ В КРИСТАЛЛАХ LiNb03 И LiTa03.

1.1. Фоторефрактивный эффект и запись фазовых голограмм в фоторефрактивных кристаллах и волноводах.

1.1.1. Введение.

1.1.2. Теория записи фазовых голографических решеток в фоторефрактивных кристаллах. Механизмы голографической записи.

1.1.2.1. Фотовольтаический механизм записи.

1.1.2.2. Запись на свободных носителях.

1.1.2.3. Поляризационный механизм.

1.1.2.4. Диффузионный механизм.

1.1.2.5. Тепловой механизм.

1.1.3. Расчет стационарных решеток.

1.1.4. Процессы стирания решеток.

1.1.5. Фазовые стационарные решетки в сегнетоэлектрических кристаллах.

1.1.6. Фиксация фазовых голограмм в фоторефрактивных кристаллах.

1.1.7. Особенности голографической записи в двупреломляющих фоторефрактивных кристаллах и анизотропных оптических волноводах.

1.2. Методы формирования и ионообменного легирования волноводов в кристаллах ниобата и танталата лития.

1.2.1. Титан-диффузионные волноводы.

1.2.2. Волноводы получаемые имплантацией ионов

1.2.3. Ионообменные волноводы и процессы их легирования.

1.2.4. Протонообменные световоды в кристаллах ниобата лития.

1.2.5. Структурно-фазовые диаграммы для Z-, Х- и Y-срезов.

1.2.6. Особенности прямого протонного обмена.

1.2.7. Этапы разработки технологии ионообменного легирования кристаллов и оптических волноводов.

Выводы к главе 1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фоторефрактивные волноводы и элементы интегральной оптоэлектроники в сегнетоэлектрических кристаллах»

4.3.2.Теоретическая 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 имплантационной 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 ФОТОРЕФРАКТИВНЫМИ 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 планарных 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.238

5.3. Исследование фоторефрактивной и топографической 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:1лТаОз 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 ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 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. Волноводные 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-кристаллической 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 протонообменных 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 интегрально-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 Ар 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.360

Выводы к главе 6.367

Список использованных источников к главе 6.368

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

372

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 голографической 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 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

1 л светочувствительностью, большим разрешением и выдерживать более 10 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 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 LiNb03 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 топографических 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 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 планарные 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 LiNb03 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;

- 14- 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 топографической записи в планарных ФРВ; определение топографической 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 HxLi]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.

2. Впервые идентифицированы различные кристаллические фазы, реализуемые в легированных медью протонообменных волноводах на различных срезах кристаллов LiNbC>3 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 HxLiixNb03 и HxLii.xTa03 фазах, реализуемых в протонообменных волноводах.

3. 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

ЦТ Т ТТ

LiNb03 волноводах содержащих kj , Кг и а фазы.

4. 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 Ж диапазонов.

5. 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.

6. Исследование зависимости ФР эффекта от интенсивности света в кристаллах LiNbC>3 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 < Jt величина Ans уменьшается с ростом N. В тоже время, при J > Jt наблюдается обратная зависимость ФР эффекта от N. Вместе с тем, наблюдается явная зависимость Jt от коэффициента оптического поглощения. Установлена прямая зависимость 5(Ans)/5J от концентрации N таких собственных дефектов как NbL;.

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 фото диссоциацией биполярона на два единичных полярона, которые и являются заполненными вторичными ФР центрами.

-178. Показана возможность формирования методом топографической 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 микроскопи-ческой 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 LiNb03 и LiTa03. 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;

- 182. Разработаны системы легирующих расплавов и растворов и способы формирования ФРВ в кристаллах сегнетоэлектриков LiNbC^ и ЫТаОз, которые могут найти успешное применение в различных устройствах интегральной оптоэлектроники.

3. Разработанный новый метод точного определения оптических, электрооптических 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 1л№>Оз 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.

- 192. 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.

-206. 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);

- 11th 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.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Кострицкий, Сергей Михайлович

Выводы к главе 1:

1. Дан анализ механизмов фоторефрактивного эффекта и голографической записи в сегнетоэлектрических кристаллах и волноводах, главным образом в ниобате и танталате лития. Описаны основные уравнения описывающие динамику традиционных процессов голографической записи в анизотропных фоторефрактивных кристаллах и оптических волноводах. Рассмотрены экспериментальные результаты достигнутые по голографической записи в различных материалах.

2. Проведен анализ литературных данных по ионообменным процессам в монокристаллах. Благодаря простоте, воспроизводимости технологии, возможности четкого регулирования параметрами процесса и получения структур высокого качества, ионный обмен может стать одним из базовых методов получения интегрально-оптических элементов и структур в кристаллах диэлектриков. Анализ работ по созданию интегрально-оптических элементов в кристаллах ниобата и танталата лития показал, что процессы ионного обмена, и прежде всего протонный обмен, не уступают, а по ряду показателей и превосходят другие методы их формирования. Сформулированы задачи исследований, решение которых позволило бы ионообменной технологии стать эффективным методом формирования и легирования волноводов для получения различных интегрально-оптических структур в кристаллах ниобата и танталата лития. Показана актуальность дальнейшей разработки ионообменной технологии в кристаллах сегнетоэлектриков LiNb03 и LiTa03, обеспечивающей контролируемый и управляемый обмен с участием различных ионов, способных в широких пределах изменять физические свойства кристаллов.

3. Рассмотрены также и другие методы получения интегрально-оптических элементов в кристаллах ниобата и танталата лития такие как: имплантация легких ионов, высокетемпературная диффузия титана из металлических пленок и аутдиффузия лития, способные обеспечить управляемое, контролируемое и воспроизводимое изготовление оптических волноводов в этих кристаллах.

Сказанное определяет цели и задачи данной работы.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Кострицкий, Сергей Михайлович, 2005 год

1. Кольер Р., Берхарт Ц., Лин Л. Оптическая голография.// М.: Мир, 1973, 432 с.

2. Казанский С.А., Рыскин А.И. Оптическая и электрооптическая обработка информации.// М.: Наука, 1974,104 с.

3. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике.// СПб.: Наука, 1992, 320 с.

4. Wood V.E., Cressman Р.J., Holman R.L., Veber C.M. Photorefractive Materials and their Applications II. Topics Appl. Phys. vol. 61.//Springer-Verlag, 1989, p. 45 100.

5. Шварц K.K. Физика оптической записи в диэлектриках и в полупроводниках.// .Рига: Зинатне, 1986, 232 с.

6. Сидоров Н.В., Волк Т.Р., Маврин Б.Н., Калинников В.Т. Ниобат лития: дефекты, колебательный спектр, поляритоны.// М.: Наука, 2003, 255 с.

7. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики.// М.: МИСИС, 2000, 432 с.

8. Палатников М.Н., Сидоров Н.В., Калинников В.Т. Сегнетоэлектрические твердые растворы на основе оксидных соединений ниобия и тантала.// СПб.: Наука, 2001,304 с.

9. Фридкин В.М. Фотосегнетоэлектрики.// М.: Наука, 1979, 264 с.

10. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением.// М.: Наука, 1982, 400 с.

11. Одулов С.Г., Соскин М.С., Хижняк А.И. Лазеры на динамических решетках.// М.: Наука, 1990, 272 с.

12. Kip D., Rickermann F., Kratzig E. Photorefractive recording by a special mechanism in planar LiNb03 waveguides.// Opt. Lett. 1995, v.20, p. 1139-1141.

13. Kogelnik H. Coupled-wave theory for thick hologram gratings.// Bell. Syst. Tech. J. 1969, v.48, p. 2909-2947.

14. Frejlich J., Garcia P.M., Freschi A.A. Highly diffractive low scattering holograms in LiNb03 photorefractive crystals.//Proc. SPIE 1996, v.2778, p. 941 -944.

15. Yariv A., Yeh P. Optical waves in crystals. Propagation and control of laser radiation.//N.Y., Wiley-Interscience Publication, 1984, 522 p.

16. Gunter P., Huignard J-P. Photorefractive Materials and TheirApplication.// Berlin: Springer-Verlag, 1988, 275 p.

17. Novikov A.D., Odoulov S.G., Shandarov V.M., Shandarov E.S., Shandarov S.M. Parametric intermode scattering in planar LiNb03 waveguides.// J. Opt. Soc. Am. В 1991,v. 8, p. 1298-1303.

18. Uchida N. Calculation of diffraction efficiency in hologram gratings attenuated along the direction perpendicular to the grating vector.// J. Opt. Soc. Am. 1973, v.63, p. 280 287.

19. Leyva V., Agranat A., Yariv A. Dependence of the photorefractive properties of KTai.x Nbx03 :Cu,V on Cu valence state concentration.// J. Appl. Phys. 1990, v. 67, p. 7162-7165.

20. Kappers L.A., Sweeney K.L., Haliburton L.E., Liaw J.H.W. Oxygen vacancies in lithium tantalite.// Phys. Rev. В 1985, v. 31, p. 6792 6794.

21. Buse K. Light-Induced Charge Transport Processes in Photorefractive Crystals I: Models and Experimental Methods// Appl. Phys. B, 1997, v. 64, pp. 273-291.

22. Buse K. Light-Induced Charge Transport Processes in Photorefractive Crystals II: Materials// Appl. Phys. В 1997, v. 64, pp. 391-407.

23. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Structural phase diagram of HxLi!.xNb03 waveguides: the correlation between optical and structural properties // IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 1996, v.2, p.187-196.

24. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., De Micheli M.P., Baldi P., El Hadi K., Leycuras A. Relationships between structural and optical properties of proton-exchanged waveguides on Z-cut lithium niobate // Appl.Opt., 1996, v.35, p.7056-7060.

25. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Kostritskii S.M. Optical and X-ray characterization of HxLii.xNb03 phases generated in proton exchanged LiNb03 optical waveguides // J.Appl.Phys., 1998, v.84, p.2411-2419.

26. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Relationship between refractive indices and hydrogen concentration in proton-exchanged LiNb03 waveguides // J.Appl.Phys., 1997, v.82, p.1010-1017.

27. Кузьминов Ю.С. Ниобат и танталат лития материалы для нелинейной оптики // М., Наука, 1975, 297 с.

28. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития // М., Наука, 1987, 264 с.

29. Weis R.S., Gaylord Т.К. Lithium niobate: Summary of Physical properties and crystal structure // Appl.Phys. A, 1985, v.37, p.191.

30. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Ion exchange in single crystals for integrated optics and optoelectronics., Cambridge., Cambridge International Science Publishing., 1999, p.516.

31. Ганыиин B.A., Коркишко Ю.Н., Петрова В.З. Получение планарных световодов на кристаллах ниобата и танталата лития // Обзоры по электронной технике. Серия 11. Лазерн.техн. и оптоэлектр., 19866, вып.2 (1174), с.56.

32. Kaminow I.P., Carruthers J.R. Optical waveguiding layers in LiNb03 and LiTa03 // Appl.Phys.Lett, 1973, v.22, p.326.

33. Schmidt R.V., Kaminov LP. Metal diffused optical waveguides in LiNb03 // Appl.Phys.Lett, 1974, v.25, № 8, p.458-460.

34. Jackel J.L. Optical waveguides in LiTa03: silver-lithium ion exchange // Appl.Optics, 1980, v. 19, № 12, p.1996-1999.

35. Jackel J.L., Rice C.E. Variation in waveguides fabricated by immersion in AgN03 and T1N03 : the role of hydrogen // Appl.Phys.Lett., 1982, v.41, № 6, p.508-510.

36. Ganshin V.A, Korkishko Yu.N. Proton exchange in lithium niobate and lithium tantalate single crystals: Regularities and specific features // Phys.status solidi (a). Review article, 1990, v.119, № l,p.ll-25.м Глава 2

37. ФОРМИРОВАНИЕ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ ВОЛНОВОДОВ В КРИСТАЛЛАХ LiNb03 и LiTa03 И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

38. Технологии формирования оптических волноводов и их легирования методом ионного обмена.21.1. Аппаратурное оформление метода ионного обмена.

39. Процесс формирования ИОС в расплавах солей включал три основных этапа: приготовление расплава солей, собственно ионообменная диффузия и отмывка пластин.21.2. Приготовление легирующих расплавов и проведение процесса ИДЛ.

40. Для приготовления легирующих расплавов использовались соли марок ХЧ и ЧДА. Подготовка расплавов включала следующие операции:

41. Сушка порошков солей для удаления следов воды.

42. Приготовление навесок солей, являющихся компонентами необходимой смеси, в соответствующих пропорциях с использованием аналитических весов и тщательное перемешивание порошков солей.

43. Плавление смеси порошков солей в кварцевых или керамических стаканах Ф при ИО в расплавах или растворение солей в растворителях при ИО в растворах.

44. Выдерживание расплава или раствора при температуре 150 -700°С в течение 0.5-1 часа с целью его прогрева и гомогенизации.

45. Термостатирование расплава или раствора на необходимой рабочей температуре.

46. Технология получения волноводов методом имплантации легких ионов.

47. Формирование титан-диффузионных волноводов.

48. Методы исследования физических и химических свойств исходных кристаллов и получаемых оптических волноводов.

49. Остановимся коротко на особенностях методов исследования, удовлетворяющих этим требованиям.24.1. Методы определения структуры и химического состава оптических волноводов и легированных кристаллов.

50. Химическое состояние легирующих ионов в ионообменных структурах оценивалось путем сравнения наблюдаемых Оже-спектров со спектрами известных соединений.

51. Рис. 2.2. Схема двухпризменного элемента ввода-вывода излучения для измерения эффективных показателей преломления и оптических потерь в световодных слоях.