Особенности структуры и свойств приповерхностных слоев оптических материалов, модифицированных путем обработки в водородной плазме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Салгаева Ульяна Олеговна

• Салгаева Ульяна Олеговна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Салгаева Ульяна Олеговна

Введение

1 Модификация структуры и свойств оптических материалов для формирования интегрально-оптических функциональных элементов

1.1 Базовые интегрально-оптические функциональные элементы

1.1.1 Оптические волноводы

1.1.2 Дифракционные решетки

1.2 Выбор оптических материалов, описание их структуры и свойств

1.2.1 Кристалл ниобата лития

1.2.2 Кварцевое и НКС стекла

1.2.3 Свойства ЫЫЬОз, кварцевого и НКС стекол

1.3 Модификация структуры и свойств оптических материалов для создания

ИО элементов

1.3.1 Создание планарных волноводов в стеклах методом ионного обмена

1.3.2 Создание интегрально-оптических дифракционных решеток на поверхности стекол

1.3.3 Водород как легирующая примесь в структуре оптических материалов

1.3.4 Водород в ЫЫЬО3. Создание планарных волноводов методом протонного

обмена

1.3.5 Создание интегрально-оптических ДР на поверхности ЫЫЬО3

1.4 Обработка оптических материалов в Н-плазме для модификации структуры и

свойств

1.4.1 Системы для генерации и удержания плазмы. Плазмохимия

1.4.2 Изменения структуры и свойств ЫЫЬО3, индуцированные обработкой в Н-плазме

1.4.3 Изменения структуры и свойств стекол под влиянием Н-плазмы

1.5 Компоненты Н-плазмы и их возможное влияние на структуру и свойства оптических материалов

1.5.1 Изменения структуры и свойств ЫЫЬО3 под влиянием компонентов Н-плазмы

1.5.2 Изменения структуры и свойств кварцевых стекол под влиянием компонентов Н-плазмы

1.6 Выводы по обработке LiNbOз и стекол в Н-плазме

2 Способы исследования особенностей изменения структуры и свойств оптических материалов, индуцированных воздействием Н-плазмы

2.1 Подготовка оптических материалов

2.1.1 Выбор материалов и разделение пластины

2.1.2 Очистка поверхности оптических материалов

2.1.3 Формирование оптического волновода на поверхности LiNbO3

2.1.4 Создание периодической маски на поверхности оптических материалов

2.2 Обработка в Н-плазме

2.3 Исследование оптического пропускания материалов

2.4 Исследование ИК-спектров поглощения оптических материалов

2.5 Исследование приповерхностного слоя оптических материалов методами КРС

2.6 Рентгенографические исследования структуры LiNbO3

2.7 Исследование микрорельефа поверхности образцов на АСМ

2.8 Исследование поверхности оптических материалов на СЭМ

2.9 Исследование приповерхностного слоя LiNbO3 методами жидкостного химического травления

2.10 Исследование волноводных характеристик модифицированных приповерхностных слоев методом модовой спектроскопии

2.11 Измерение ЭД оптического излучения на ДР

2.12 Выводы по способам исследования особенностей изменения структуры и свойств оптических материалов, модифицированных в Н-плазме

3 Исследование изменений структуры и свойств оптических материалов под влиянием Н-плазмы

3.1 Исследование изменений структуры и свойств оптических материалов

3.1.1 Изменение структуры и свойств кварцевого стекла под влиянием Н-плазмы

3.1.2 Изменение структуры и свойств НКС стекла под влиянием Н-плазмы

3.1.3 Изменение структуры и свойств LiNbO3 и ПО LiNbO3 под влиянием

Н-плазмы

3.1.4 Обсуждение результатов по исследованию изменений структуры и свойств оптических материалов, модифицированных Н-плазмой

3.2 Исследование поверхности оптических материалов, модифицированных Н-плазмой

3.2.1 Исследование шероховатости поверхности оптических материалов, модифицированных Н-плазмой без использования масок

3.2.2 Исследование шероховатости поверхности оптических материалов, модифицированных Н-плазмой с использованием масок из фоторезиста и металла

3.2.3 Обсуждение результатов исследования поверхности оптических материалов, модифицированных Н-плазмой. Возможная концепция изменений структуры и

свойств

3.3 Выводы по исследованию изменений структуры и свойств оптических материалов,

модифицированных Н-плазмой

4 Применение обработки оптических материалов в Н-плазме

4.1 Формирование оптических волноводов в приповерхностных слоях оптических материалов

4.2 Формирование дифракционных решеток на поверхности подложек из оптических материалов

4.2.1 Исследование изменения ЭД оптического излучения на ДР, созданных с помощью обработки в Н-плазме

4.3 Улучшение характеристик интегрально-оптической схемы

4.4 Выводы по исследованию функциональных свойств ИО элементов, созданных путем модификации поверхности в Н-плазмой

Заключение

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

Благодарности

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А Характеристики пластин ЫЫЬО3, использованных в работе

Приложение Б Характеристики исследованных образцов оптических материалов, модифицированных Н-плазмой, и созданных на их поверхности ДР

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности структуры и свойств приповерхностных слоев оптических материалов, модифицированных путем обработки в водородной плазме»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Путем применения интегрально-оптических (ИО) устройств планируется существенно повысить скорость передачи и объем обработки данных в мире. Базовыми материалами для создания ИО схем с высокими скоростями управления характеристиками оптического излучения (40 ГГц и более) являются электрооптические материалы, например ниобат лития ^ШЬ03), танталат лития ^Та03) и др. Для создания относительно недорогих ИО устройств используются силикатные и другие виды стекол.

В настоящий момент базовые функциональных элементы ИО схем (волноводы, дифракционные решетки (ДР), фильтры и др.) на подложках из LiNbO3 и стекла наиболее часто создаются методами диффузии примеси (ионного обмена). Процесс ионного обмена осуществляют в расплавах солей (в случае силикатных стекол [29, 37, 127]) и расплавах, растворах и смесях кислот (в случае LiNbO3 [41, 53, 114]) при температурах от 100 °С (в зависимости от температур плавления реагентов) в течение 1 - 6 ч.

Актуальной задачей развития современной науки и техники является поиск новых технологий и технологических подходов изготовления ИО схем, путей потенциального снижения их стоимости для последующего внедрения в повседневную жизнь. Поэтому в мире осуществляется переход от методов жидкостной обработки материалов («мокрой» химии) к плазмохимическим («сухим») методам формирования ИО элементов как более технологичным, экологичным и относительно безопасным для технического персонала процессам. Для производителей ИО схем на подложках из LiNbO3 серьёзный интерес представляет замена процесса ионного обмена в расплавах и растворах кислот методом «сухой» плазмохимической обработки в водородной плазме (Н-плазме) [113, 134]. При использовании плазмохимических методов формирования ИО элементов на одном и том же технологическом оборудовании последовательно может быть проведен набор технологических процессов без нарушения вакуума (например, активации поверхности и осаждения материалов; плазменной очистки областей от остатков резиста, травления и др.), что позволяет сократить время производства ИО схем, уменьшить время контакта подложек с потенциальными источниками загрязнений на промежуточных этапах производства, повысить качество формируемых элементов, снизить процент брака.

Потенциальным преимуществом обработки в Н-плазме является низкая энергия заряженных частиц (не более 100 эВ). Поэтому обработка в Н-плазме не должна приводить к существенному нарушению структуры приповерхностных слоев оптических материалов, как это происходит, например, при ионной имплантации (при использовании заряженных частиц с энергиями от 10 кэВ).

Степень разработанности темы исследования. Рядом научных групп [52, 68, 113, 133] были проведены серии экспериментов по обработке LiNbO3 и кварцевых стекол в водородной (водородсодержащей) плазме. С помощью методов вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) и ИК-спектроскопии подтверждено внедрение водорода из Н-плазмы и формирование гидридов и гидроксидов в приповерхностных слоях оптических материалов.

Однако, на момент начала выполнения данной диссертационной работы не были исследованы особенности структуры модифицированных в Н-плазме оптических материалов, а также не опубликованы убедительные сведения о возможности применения обработки в Н-плазме для формирования ИО элементов.

Целью данной работы является исследование структуры и свойств модифицированных в водородной плазме приповерхностных слоев оптических материалов и определение применимости данного метода модификации для создания интегрально-оптических элементов.

В задачи работы входило:

- исследовать особенности изменения спектров оптического пропускания и приращения оптической плотности материалов, подвергшихся воздействию Н-плазмы;

- исследовать изменение структуры приповерхностных слоев оптических материалов под влиянием Н-плазмы;

- определить стабильность индуцированных обработкой в Н-плазме изменений с течением времени и при отжигах;

- предложить возможную концепцию изменений структуры и свойств оптических материалов при обработке в Н-плазме (в случае получения экспериментальных результатов, которые не могут быть объяснены из ранее опубликованных представлений о процессе);

- определить работоспособность и исследовать функциональные характеристики ИО элементов, созданных с помощью обработки в Н-плазме.

Для исследования изменений структуры и свойств оптических материалов под влиянием Н-плазмы в настоящей работе использовались методы спектрофотометрии, ИК-спектроскопии, Рамановской спектроскопии, дифракционного структурного анализа, атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, химического травления. Для оценки работоспособности и исследования функциональных характеристик планарных волноводов использовались методы модовой спектроскопии, для ДР - измерение эффективности дифракции в конфигурации Литтроу.

Научная новизна работы обуславливается следующими впервые полученными результатами:

- выявлено экстремальное объемное увеличение (до 10 % и более) приповерхностных слоев LiNbO3 и натрий-кальций-силикатного (НКС) стекла при обработке в Н-плазме, связанное с глубокими изменениями структурного состояния материала;

- обнаружена стратификация тонких (30 - 100 нм) приповерхностных слоев LiNbO3 после обработки в Н-плазме, при этом плотность материала при переходе от одного слоя к другому изменяется скачкообразно;

- предложена концепция изменения структуры и свойств LiNbO3 при обработке в Н-плазме, базирующаяся на изменениях структуры, связанных с формированием пор, заполненных водородом, и соединений системы Li2O — №205 с содержанием Li менее 46 % в приповерхностных слоях, объясняющая полученные в работе экспериментальные результаты;

- разработан новый способ создания функциональных элементов ИО схем (дифракционных решеток) с широким диапазоном рабочих характеристик на поверхности оптических материалов путем их модификации в Н-плазме по периодической маске (патент РФ 2629891).

Практическая значимость результатов исследования. ДР, изготовленные в соответствии с разработанным автором способом, обладают следующими преимуществами:

1) их характеристики могут быть изменены заданным образом при проведении отжигов (по сравнению с методами травления);

2) на их основе могут быть созданы узкополосные устройства, например, ИО фильтры (зеркала) с полушириной пика отражения менее 1 нм и высоким коэффициентом отражения (до 100 %) (по сравнению с методами травления);

3) при их формировании не происходит повреждение волноводного слоя, залегающего на глубинах более 1 мкм (по сравнению с ионной имплантацией). ДР применяются для ввода/вывода оптического излучения в ИО схему; в качестве спектрально-селективных элементов (фильтров), чувствительных элементов датчиков физических величин и др.

Также автором работы предложено использовать обработку нерабочих областей ИО схем из LiNbO3 в Н-плазме для улучшения эксплуатационных параметров и повышения стойкости к внешним воздействующим факторам ИО схем и устройств на их основе (заявка на патент РФ 2020143144).

Основные положения, выносимые на защиту:

- под влиянием низкоэнергетичных компонентов Н-плазмы (с энергиями до 100 эВ) происходит формирование радиационных дефектов в кварцевых, НКС стеклах и LiNbO3 (центров окраски, центров люминесценции), что приводит к сдвигу края полосы фундаментального поглощения и снижению пропускания материалов; при этом в ходе выдержки на воздухе и при

отжигах осуществляется релаксация сформировавшихся при обработке в Н-плазме дефектов структуры;

- при длительной обработке Н-плазмой НКС стекол и LiNbO3 в их приповерхностных слоях происходит формирование пор, заполненных водородом, и повышение степени разупорядочения структуры, что ведет к экстремальному (до 10 % и более) объемному увеличению материала;

- обработка LiNbO3 в Н-плазме приводит к изменению его стехиометрии и формированию параллельно плоскости образца насыщенных водородом слоев из соединений системы Li2O — Nb2O5 (толщиной 30 - 100 нм) с низким (менее 46 %) содержанием Li, в результате чего происходит атипичная стратификация тонких приповерхностных слоев со скачкообразным изменением плотности материала при переходе от одного слоя к другому;

- на основе выявленных закономерностей изменения структуры и оптических свойств материалов под влиянием Н-плазмы установлена возможность формирования дифракционных решеток с широким набором функциональных характеристик (с периодами от 320 нм, амплитудой микрорельефа от 1 до 80 нм) путем обработки оптических материалов в Н-плазме по периодической маске.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается применением разнообразных современных экспериментальных методов, взаимодополняющих апробированных методик исследования, согласованностью результатов, полученных различными методами, согласием полученных в настоящей работе результатов с известными экспериментальными данными в областях их взаимного пересечения и обоснованностью использованных физических представлений при трактовке полученных экспериментальных данных.

Личный вклад автора. Автором лично осуществлялись все процессы подготовки образцов и их обработки в Н-плазме. Исследования структуры и свойств приповерхностных слоев оптических материалов с помощью обозначенных в работе методов проведены автором лично или при его непосредственном участии. Автором самостоятельно выполнена обработка полученных экспериментальных данных; с участием научного руководителя осуществлена их интерпретация.

Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 15 печатных работах, из них 4 статьи в журналах списка ВАК, 4 статьи в журналах, индексирующихся в Scopus и Web of Science, 4 статьи в журналах из списка РИНЦ, 1 патент РФ. Основные результаты диссертации были доложены на конференциях: 11-м Международном симпозиуме по доменам в ферроиках, микро- и нано-масштабным структурам (11th International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures)

(Екатеринбург, 2012); 98-й ежегодной встрече Академии наук Кентукки (98th Annual metting of Kentucky Academy of Science), (Ричмонд, США, 2012); 7-й Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2012); 14-й Международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (EDM) (Эрлагол, 2013); Всероссийской научной конференции «Мир фотоники» (Пермь, 2014); Международном семинаре Современные нанотехнологии (Екатеринбург, 2015); Региональных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Физика для Пермского края» (Пермь, 2011, 2013, 2015); Всероссийской конференции по волоконной оптике (Пермь, 2019).

Результаты работы были использованы при выполнении НИР и ОКР в Публичном акционерном обществе «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПАО «ПНППК», г. Пермь) и Обществе с ограниченной ответственностью «Малое инновационное предприятие «Пермские нанотехнологии» (г. Пермь), что подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы.

Структура работы и объем. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитированной литературы, включающего 144 наименования. Общий объем диссертации 178 страниц, включая 85 рисунков, 5 таблиц, 2 приложения.

Аннотация содержания. В первой главе дан обзор и анализ результатов публикаций по теме диссертации; во второй главе описан порядок подготовки образцов и режимы их обработки, приведены методы исследования структуры материалов, их оптических свойств, функциональных характеристик ИО элементов. Результаты исследований, их анализ и обсуждение изложены в третьей главе. В четвертой главе приведены возможные применения обработки оптических материалов в Н-плазме. Заключение содержит основные научные выводы по теме работы.

1 МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Базовые интегрально-оптические функциональные элементы

Для создания ИО устройств, выполняющих набор функций по передаче и управлению направлением распространения оптического излучения используется набор базовых ИО элементов: волноводов, линз, ДР, зеркал и др. На основе оптических волноводов, интегрированных с ДР можно создать простые оптические устройства [66]: датчики физических величин (температуры, давления, электрического поля), датчики состояния окружающей среды (биосенсоры [124]); фильтры и зеркала для управления оптическими сигналами в телекоммуникациях.

1.1.1 Оптические волноводы

Базовым элементом любого ИО устройства является оптический волновод. Оптический волновод (ОВ) представляет собой протяженную структуру, в которой может распространяться оптический сигнал.

В общем случае оптический волновод состоит из сердцевины (film), подложки (substrate) и оболочки (cladding), имеющих 1111 пj, ns и пс соответственно (рисунок 1.1 а). Для того, чтобы по оптическому волноводу распространялись электромагнитные волны (оптический сигнал), ПП сердцевины пj должен быть больше 1111 подложки ns и оболочки пс. Оптические волноводы, в основном, классифицируются по двум основным параметрам: по профилю пространственного распределения 11 и геометрии волновода (двумерные и трехмерные). В данной работе будут рассматриваться только двумерные (планарные) оптические волноводы.

По профилю пространственного распределения 1111 выделяются оптические волноводы со ступенчатым профилем 11 и с градиентным профилем (рисунок 1.1 б и в). У оптических волноводов с градиентным профилем 11 плавно изменяется от центра волновода к его границе (рисунок 1.1 в).

Распространение оптического излучения в волноводах в зависимости от геометрии волноводов и профиля 11 описывается дисперсионными уравнениями. Рассмотрим дисперсионные уравнения для распространения оптического излучения в планарном волноводе со ступенчатым и градиентным профилями 11 .

Волновые уравнения, описывающие распространение оптического излучения в планарном ассиметричном (ns Ф пс) волноводе, согласно [100]:

ТЕ-мода (горизонтальная)

ТМ-мода (вертикальная)

d2Ey dx2

+ (k0¡n2(x) - р2)Еу = 0,

Нх =

Hz =

•F

1_

Ш^о

1 dEv

dx

(1.1)

(1.3)

2пс

d2 Ну

dx2

+ (к2п2(х)- /32)Ну = 0, (1.2)

Ех =

Ez =

Р п

ше0п2(х) у

1

dHл,

(1.4)

}Ш£0П2(х) dx

где к0 = 2п/А - волновое число, ш = —— - угловая частота, с - скорость света; fí = k0N,

л

N = Uf sin в - эффективный ПП, в - угол отражения распространяющейся волноводный моды от границ раздела сердцевина-оболочка и сердцевина-подложка.

а) б) в)

Рисунок 1.1 - Схематическое представление ИО волновода: а) структура оптического волновода (сердцевина, подложка и оболочка, имеющие соответственно ПП пj, ns и пс); б) ступенчатый профиль ПП оптического волновода; в) градиентный профиль ПП волновода

Распространение оптического излучения в планарном волноводе со ступенчатым

профилем показателя преломления При распространении оптического излучения в планарном ассиметричном волноводе со ступенчатым профилем ПП, согласно [100], принимается п(х) = const = пj. Тогда решение уравнения распространения оптического излучения для TE-моды запишутся как:

' Еу = Ес ехр(-усх), х > 0 (в области оболочки)

Еу = Ef cos(kx + фс), —Т < х < 0 (в области волновода), (1-5)

кЕу = Esexp{ys(x + Т)}, х < —Т (в области подложки)

где константы распространения оптического излучения в направлении х выражены в терминологии эффективного ПП N (N = n^sind, п^ > N > ns c):

V.

Yc = k0^N2 - n2, kx = k0 Jn2 - N2, ys = k0^N2 - n2. (1.6)

С учетом граничных условий непрерывности компонент поля Еу и Hz при х = 0:

(Er = Ef cos фг

{ С + Г п- (1-7)

[Хапфс = Yc/kx

Аналогично при х = —Т:

( Es=Ef cos(kxT — фс)

ltan(kxT - фс) = Ys/kx' С учетом предшествующих уравнений, получим характеристическое уравнение для TE-

моды в планарном волноводе со ступенчатым профилем 1111:

кхТ = (m + 1)п - tan-1 - tan-1 (1.9)

где т = 0, 1, 2 ... - порядок (номер) моды. Если известны 1111 материалов и толщина Т волновода, то кх может быть вычислено из предыдущего уравнения, и определен эффективный 1111 волновода N. N имеет имеет дискретные значения в диапазоне ns < N < пj, так как порядок моды - положительное, целое число. Среди всех распространяющихся мод, фундаментальная мода с m = 0 имеет наибольший эффективный ПП. N ^ ns для мод высших порядков.

Когда параметры волновода даны, то уравнение (1.9) может быть решено численно для оценки параметров распространения волноводных мод. Такая численная оценка применима для любого планарного волновода со ступенчатым профилем 11 с учетом нормализации - введения нормализованной частоты V и нормализованного 11 ЬЕ:

V = к0Т ^п2 — п2, (1.10)

ЪЕ = (N2 — n2s)/(n2f — n2s). (1.11)

Фактор асимметрии аЕ, характеризующий волновод

^ — ^/(п) — п2

аЕ = (пI — п2с)/(п2 — ni:). (1.12)

Если п3 = пс, аЕ = 0, то волновод является симметричным. С использованием замен (1.10) - (1.12), характеристическое уравнение (1.9) примет вид:

J1 — Ъ 1 — Ъ

, Е - tan-1 I--—, (1.13)

bE lbE + аЕ

Используя предшествующее уравнение, нормализованные дисперсионные кривые строятся численно (рисунок 1.2) для различных параметров аЕ и т. Когда известны параметры волновода, такие как 11 использованных материалов и толщина волновода, то эффективный 11 распространения каждой моды находится графически.

О/ /Л\ г/ I /I,- / / -1-(.-1 _----А.-

2 4 6 10 12 14 16

Нормализованная частота V — к$Т \п1 — л;

1

я

2

Рисунок 1.2 - Ъ-У диаграмма для планарного волновода со ступенчатым профилем 1111 [100]

Параметры волновода обычно определяются на основе условия отсечки волноводных мод, когда N = п5 (ЬЕ = 0). Из (1.13) значение Ут, при котором наблюдается отсечка вычисляется как:

где У0 - нормализованная частота отсечки для фундаментальной моды. Если нормализованная частота V варьируется в пределах Ут < V < Ут+1, то в волноводе распространяются ТЕ-моды в количестве т + 1. Для симметричных волноводов п3 = пс, У0 = 0, т.е. для фудаментальной моды симметричного волновода условия отсечки не существует.

Характеристическое уравнение для распространения оптического излучения ТМ-моды в планарном волноводе со ступенчатым профилем 11 имеет вид:

Нормализованная частота для ТМ-моды также вычисляется как в (1.10), тогда как нормализованный 11 примет вид:

(1.14)

(1.15)

(1.16)

(1.17)

Тогда итоговое нормализованное характеристическое уравнение для ТМ-моды в планарном волноводе со ступенчатым профилем 1111 примет вид:

(119)

Распространение оптического излучения в планарном волноводе с градиентным

профилем показателя преломления Решение уравнения (1.1) для распространения оптического излучения в планарном волноводе с градиентным профилем 1111 в общем случае может быть найдено с помощью приближений геометрической оптики, метода Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна, кусочно-линейной аппроксимации или в частном случае, если известна зависимость п2 (х).

При решении уравнения (1.1) с помощью приближения геометрической оптики, зависимость 11 от координаты х задается как:

п(х) = щ+Лп• /(х/й), (1.20)

где п3 - 1111 подложки, а функция [(х/й) считается монотонно убывающей по х и принимает значения от 0 до 1. Таким образом, 11 принимает максимальное значение (п5 + Лп) на поверхности волновода при х = 0 (рисунок 1.3). За толщину волновода й в данном случае принимается значение, при котором функция [(х/й) равна 1/е.

Дугообразная траектория оптического луча в волноводе с градиентным 11 аппроксимируется комбинацией кусочно-линейных отрезков бесконечно малой длины Л (рисунок 1.3 б). Векторная диаграмма для /-того отрезка пути представлена на рисунке 1.3 в.

Из-за зависимости 11 от х, угол между нормальным направлением распространения волны и осью плавно изменяется согласно выражению:

01 = ^-1(М/п(х1)), (1.21)

где N - эффективный 11 распространяющейся моды оптического излучения. 1уть оптического луча вдоль оси х на каждом кусочно-линейном участке:

Лх1=Лггап01. (1.22)

Из уравнения (1.21) следует, что при 01 = 0:

п(хг) = N. (1.23)

Это уравнение описывает максимальную глубину проникновения оптического сигнала в волноводе хг, при которой оптический сигнал меняет направление от поверхности волновода к среде раздела волновод-подложка на обратное - от поверхности раздела волновод-подложка к поверхности оптического волновода. В связи с этим точка хг называется точкой поворота.

2

Кроме того, величина xt принимается за эффективную толщину волновода с градиентным профилем ПП. При этом, при перемещении оптического сигнала на Ax¿ набегает сдвиг фазы:

0í = fcon(x¿) sin di • Ax¿ = ko^n2(Xi)-N2 • Axt. (1.24)

а)

в)

Рисунок 1.3 - К пояснению вывода дисперсионного уравнения для распространения оптического излучения по волноводу с градиентным ПП

Помимо изменения фазы при распространении оптического луча 0, дополнительный фазовый сдвиг происходит из-за полного внутреннего отражения от поверхностей волновода. Отражение плоской волны от границы раздела двух различных диэлектриков характеризуется формулами Френеля. Принимая, что условие Ап « п5 выполняется при распространении оптического сигнала по волноводу с градиентным профилем ПП, уравнения Френеля для сдвига фазы запишем в виде:

{ 2Ф0 = ,при* = 0 .

( 2Ф£ = п/2 при х = хг

Условие распространения мод требует, чтобы изменение фазы при распространении оптического сигнала от одной из границ раздела и обратно было равно целому числу, умноженному на 2п. Таким образом:

где т = 0,1,2 ... - номер моды. Используя уравнение (1.24), запишем:

^ 01 = 2ко | ^п2(х)-Ы2йх. Используя условие Ап « п5, выразим п2(х) из (1.20):

(1.26)

(1.27)

П2(х) = п^ + (п2 — п'2)/(х/й),

(1.28)

где п^ = (п5 + Лп) - максимальный 1111 волновода. Величина й соответствует толщине волновода с градиентным профилем ПП. Тогда нормированная частота по аналогии с волноводом со ступенчатым ПП [100] запишется как:

Уа = к0й\п2 —п2.

(129)

Используя уравнения (1.25), (1.27) - (1.28), а также выражение для нормированного ПП

Ь = (Ы2 — п^)/(п22 — п2), запишем выражение (1.26) в виде:

2Уа V/(О — ь = (2т + п,

(130)

где % = х/й, ^ = и Ь = Получено характеристическое уравнение для нахождения

собственных значений (1.29), которое может быть решено численно, если известна

В волноводах, полученных методом диффузии Т или ПО с последующим отжигом, ПП изменяется по закону Гаусса, таким образом, можем записать, что = ехр(—^2). Тогда можно построить так называемую Ь-У диаграмму, на которой построен численно полученный набор дисперсионных кривых, описывающих связь между нормированной частотой распространения оптического излучения и нормированным ПП для различных мод т (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Ь-У диаграмма с набором дисперсионных кривых, описывающих связь между нормированной частотой распространения оптического излучения и нормированным ПП для

различных мод т [100]

Запишем условие отсечки, соответствующее такому значению У^, при котором оптическое излучение не может распространяться по волноводу. Для этого в выражении (1.29) примем Ъ = 0 и х{ ^ от, /ою ^ехр(—^2) ^ = ^я/2:

+ (131)

Если в качестве материала подложки используются анизотропные кристаллы LiNbO3, то 1111 подложки п5 зависит от того, свет какой поляризации распространяется по волноводу. К тому же, фазовые сдвиги 2Ф0 и 2ФС зависят от двулучепреломления материала. Однако, при выполнении условии Ап « п5 влияние двулучепреломления может быть принято бесконечно малым. Поэтому, дисперсионные кривые, представленные на рисунке 1.4 применимы для ТЕ и ТМ мод, вне зависимости от того, является среда изотропной или анизотропной.

1.1.2 Дифракционные решетки

Дифракционная решетка - оптический элемент, действие которого основано на использовании дифракции света. ДР представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных областей с отличным от основного материала комплексным ПП.

ДР, интегрированные с оптическими канальными волноводами, являются одними из важнейших компонентов ИО устройств, и чаще в литературе называются брэгговскими решетками (БР). ДР может быть использована для целей ввода и вывода оптического излучения в (из) волновода, изменения направления распространения оптического сигнала, фокусировки оптического излучения, в качестве базового оптического компонента спектральных приборов, спектрально-селективных зеркал или (и) фильтров, чувствительных элементов оптических датчиков (рисунок 1.5).

а)

б)

в)

г)

Рисунок 1.5 - Применения ИО ДР: а) в качестве фильтра или зеркала; б) в качестве элемента связи двух оптических волноводов; в) для ввода и вывода излучения в оптический волновод; г) для изменения направления распространения оптического сигнала

ДР и БР в зависимости от способа формирования могут быть двух основных типов: модуляции ПП и рельефного (рисунок Рисунок 1.6). Решетки модуляции ПП могут быть изготовлены с помощью голографической записи в фоторефрактивных материалах, прямой записи с помощью фемтосекундного лазера, ионного обмена, диффузии примеси или ионной имплантации. Решетки рельефного типа могут быть изготовлены с помощью химического травления (в растворах кислот или в плазме), с помощью осаждения тонких пленок с последующим формированием в них периодической картины. Обозначенные выше способы применимы для создания ДР как на подложках из НКС стекла, так и LiNbO3.

Рисунок 1.6 - Классификация ИО ДР

Рассмотрим ДР, созданную в планарном волноводе. Если оптическое излучение с длиной волны Я падает на ДР наклонно под углом б0 (рисунок 1.7), то положение главных максимумов отраженного оптического излучения будет определяться условием [71]:

Л^т0т + зт0о) = тЯ, (1.32)

где Л - период решетки, бт - угол дифракции (угол между нормалью к поверхности решетки и дифрагированным лучом), т = 0, ±1, ±2, ±3 .... - порядок дифракции, целое число. Положение главных максимумов прошедшего оптического излучения удовлетворяет условию:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Салгаева Ульяна Олеговна, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арбузов В.И. Основы радиационного материаловедения : учеб. пособие. - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2008. - 284 с.

2. Бахшиев Н. Г. Введение в молекулярную спектроскопию : учеб. пособие / Н. Г. Бахшиев.

- Ленинград : Изд-во Ленингр. ун-та, 1974. - 182 с.

3. Белащенко Д.К. Механизмы диффузии в неупорядоченных системах (компьютерное моделирование) // Успехи физических наук. - 1999. - Т. 169. - № 4. - С. 361-384.

4. Берлин Е.В. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок / Е. В. Берлин, С. А. Двинин, Л. А. Сейдман - М. : Техносфера, 2007. - 176 с.

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

6. Варжель С. В. Волоконные брэгговские решетки : учеб. пособие / С. В. Варжель. - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2015. - 65 с.

7. Васс Г. С. Основы радиационного материаловедения. Металлы и сплавы / Г. С. Вас; под ред. Н. М. Власова, О. И Челяпиной; пер. А. Г. Ланина. - М.: Техносфера, 2014. - 992 с.

8. Ветохин С. С., Воропай Е. С. и др. Введение центров окраски во фторированные золь-гель кварцевые стекла при радиационно-термических воздействиях // Письма в журнал технической физики. - 1997. - Т. 23. - № 24. - С. 74-79.

9. Воскресенский В. М., Стародуб О. Р. и др. Моделирование кластерообразования в нелинейнооптическом кристалле ниобата лития // Кристаллография. - 2011. - Т. 56. - № 2. -С. 246-251.

10. Гасанов И. С. Плазменная и пучковая технология / И. С. Гасанов. - Баку : «Элм», 2007.

- 175 с.

11. ГОСТ 15130-86 Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия. - М. : ИПК Издательство стандартов, 1986. - 10 с.

12. ГОСТ БК 572-1-2016 Стекло натрий-кальций-силикатное. Основные характеристики. -М. : Стандартинформ, 2016. - 15 с.

13. Гуляев В.В., Дикарев Ю.И. и др. Изменение морфологии, элементного и фазового состава поверхности ниобата лития после плазмохимического и радикального травления // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 9. -С. 145-150.

14. Джеймс Р. В. Оптические принципы дифракции рентгеновских лучей / Р. В. Джеймс; пер. Г. А. Гольдера, М. П. Шаскольской ; под ред. В. И. Ивероновой. - М. : Изд-во иностр. лит., 1950. - 572 с.

15. Жолнин А.Г., Залужный А.Г. и др. О механизме блистеринга под воздействием водородной плазмы // Атомная энергия. - 1986. - Т. 60. - С. 408-409.

16. Ильин И.А., Гончаров О.Ю., Канунникова О.М. Применение термодинамического анализа для оценки содержания структурных составляющих свинцово-силикатных стекол // Химическая физика и мезоскопия. - 2006. - Т. 8. - № 4. - С. 398-410.

17. Интегральная оптика / под ред. Т. Тамира ; пер. В. А. Сычугова и К. Ф. Шипилова. - М. : Мир, 1978. - 344 с.

18. Казьмина О. В. Химическая технология стекла и ситаллов: учебное пособие / О. В. Казьмина, Э. Н. Беломестнова, А. А. Дитц. - Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 170 с.

19. Калинников В. Т. Фундаментальные основы технологии высокосовершенных монокристаллов ниобата лития: аналитический обзор / В. Т. Калинников, М. Н. Палатников, Н. В. Сидоров. - Апатиты: КНЦ РАН, 2005. - С. 1-13.

20. Козлов В.А., Козловский В.В. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и а-частицами // Физика и техника полупроводников. -2001. - Т. 35. - № 7. - С. 769-795.

21. Козловский В.В., Козлов В.А., Ломасов В.Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов. Обзор // Физика и техника полупроводников. - 2000. - Т. 34. - № 2. - С. 129147.

22. Коркишко Ю. Н., Федоров В. А. Зависимости показателей преломления от концентрации протонов в Н^№03 волноводах // Журнал технической физики. - 1999. - Т. 69. - № 3. - С. 4757.

23. Коркишко Ю. Н., Федоров В. А. Структурно-фазовая диаграмма протонообменных Н^1-х№03 волноводных слоев на кристалле ниобата лития // Кристаллография. - 1999. - Т. 44. - № 2. - С. 271-280.

24. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия : учебник / Я. С. Уманский и др. - М.: Металлургия, 1982. - 632 с.

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

26. Ланин А.В., Голант К.М., Николин И.В. Взаимодействие молекулярного водорода с легированным кварцевым стеклом сердцевины оптических волокон при повышенных температурах // Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74. - № 12. - С. 61-66.

27. Малиновский В.К., Новиков В.Н. и др. Изучение аморфных состояний БЮ2 методом комбинационного рассеяния света // Физика твердого тела. - 2000. - Т. 42. - № 1. - С. 62 - 68.

28. Мисюра И.Н., Кононенко С.И. и др. Люминисценция кварцевого стекла, индуцированная рентгеновским излучением // Журнал физики и инженерии поверхности. - 2016. - Т. 1. - № 3. -С. 282-288.

29. Немилов С.В. Оптическое материаловедение. Оптические стекла : учебное пособие / С.В. Немилов. - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2011. - 175 с.

30. Ниобат лития: Дефекты. Фоторефракция. Колебательный спектр. Поляритоны / Н. В. Сидоров и др. - М.: Наука, 2003. - 255 с.

31. Одиноков С. Б., Сагателян Г. Р. и др. Экспериментальные исследования процесса плазмохимического травления стекла при изготовлении дифракционных и голограммных оптических элементов // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2012.

- № 5. - С. 391-410.

32. Орлов А.В., Кривобоков В. П., Орлов В. Л. Интегральный эффект радиационного распухания // Вестник югорского государственного университета. - 2009. - № 2 (13). - С. 71-76.

33. Палатников М.Н., Сидоров Н.В. и др. Взаимосвязь оптической и радиационной стойкости кристаллов ниобата лития различного химического состава. Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов // Межвузовский сборник научных трудов. Тверской государственный университет. - Тверь, 2017. - № 9. - С. 347-355.

34. Райзер Ю. П. Высокочастотный ёмкостный разряд: Физика. Техника Эксперимента. Приложения : учеб. пособие / Ю. П. Райзер, М. Н. Шнейдер, Н. А. Яценко. - М.: Изд-во Моск. физ.-техн. ин-та; Наука-Физматлит, 1995. - 320 с.

35. Русаков А. А. Рентгенография металлов : учебник / А. А. Русаков. - М.: Атомиздат, 1977.

- 479 с.

36. Сергеев А. Н., Сутулин С. Н., Верещагин В. И. ИК спектроскопическое исследование ОН-групп в // Неорганические материалы. - 1990. - Т. 26. - № 9. - С. 1923 - 1926.

37. Сидоров А. И. Материалы и технологии интегральной оптики : учеб. пособие / А. И. Сидоров, Н. В. Никоноров. - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2009. - 107 с.

38. Спицын А. В. Проникновение водорода из плазмы через поликристаллические материалы и графит : дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.08 / Спицын Александр Викторович. -М., 2007. - 153 с.

39. Чуфырев П.Г., Сидоров Н.В. Процесс «порядок-беспорядок» в катионной подрешётке и подрешётке кластерных дефектов монокристалла ниобата лития разного состава // Материалы X международного, междисциплинарного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (п.Лоо, 12 - 16 сентября 2007). - Ростов-на-Дону, 2007. - С. 211-214.

40. Шаскольская М. П. Кристаллография : учеб. пособие / М. П. Шаскольская. - М.: Высшая школа, 1984. - 376 с.

41. Шевцов Д. И. Структурные и оптические свойства метастабильных фаз в протонообменных волноводных слоях на монокристалле ниобата лития : дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / Шевцов Денис Игоревич. - Пермь, 2005. - 167 с.

42. Шевцов Д. И., Азанова И. С. и др. Метастабильные фазы в протонообменных волноводах на X-срезе ниобата лития // Физика твердого тела. - 2006. - Т. 48. - № 6. - С. 9961000.

43. Amma S., Kim S., Pantano C. Analysis of Water and Hydroxyl Species in Soda-Lime Glass Surfaces Using Attenuated Total Reflection (ATR)-IR Spectroscopy // Journal of the America Ceramic Society. - 2016. - Vol. 99. - № 1. - P. 128-134.

44. Atuchin V. V., Nagata H., et al. Structure and Refractive Indices of Proton-Implanted LiNbO3 // Japanese Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 39. - P. 2653-2656.

45. Azanova I. S., Shevtsov D. I., et al. Chemical Etching Technique for Investigations of a Structure of Annealed and Unannealed Proton Exchange Channel LiNbO3 Waveguides // Ferroelectrics.

- 2008. - Vol. 374. - № 1. - P. 110-121.

46. Bachiri A., Bennani F., Bousselamti M. Dielectric and electrical properties of LiNbO3 ceramics // Journal of Asian Ceramic Societies. - 2016. - Vol. 4. - № 1. - P. 46-54.

47. Bail A. L. Modelling the silica glass structure by the Rietveld method // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1995. - Vol. 183. - P. 39-42.

48. Banyasz I., Fried M., et al. Phase grating fabrication in glass via ion implantation // Integrated Optical Devices: Fabrication and Testing. Proceedings of SPIE. - 2003. - Vol. 4944. - P. 171-182.

49. Barannik E., Kalantaryan O. Time dependence of silica optical properties during the implantation of fast hydrogen ions: Theory // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.

- 2015. - Vol. 362. - P. 182-186.

50. Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Applied Physics Reviews. - 2015. - Vol. 2. - № 4. - P. 040603-040603.25.

51. Brochu G., LaRochelle S., Ayotte N. Dynamics of Hydrogen Diffusion as a KeyComponent of the Photosensitivity Response of Hydrogen-Loaded Optical Fibers // Journal of Lightwave technology.

- 2009. - Vol. 27. - № 15. - P. 3123-3134.

52. Budnar M., Zorko B., et al. ERDA study of H+ incorporated into lithium niobate optical layers // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. - 2000. - Vol. 161 - 163. - P. 568-572.

53. Cabrera J. M., Olivares J., et al. Hydrogen in lithium niobate // Advances in Physics. - 1996. -Vol. 45. - № 5. - P. 349-392.

54. Casey Jr. H. C., Chango Ho C., et al. Analysis of hydrogen diffusion from proton exchanged layers in LiNbO3 // Applied Physics Letters. - 1993. - Vol. 63. - P. 718-720.

55. Ceramic and Glass Materials. Structure, properties and Processing / edit. J. F. Shackelford, R. H. Doremus. - New York : Springer, 2008. - 209 p.

56. Chandler P.J., Townsend P.D. Detailed analysis of refractive index effects produced by ion implantation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. - 1987. - Vol. 19 - 20 (2). - P. 921-926.

57. Davis K. M., Tomozawa M. An infrared spectroscopic study of water-related species in silica glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1996. - Vol. 201. - P. 177-198.

58. Davis K. M., Tomozawa M. Water diffusion into silica glass: structural changes in silica glass and their effect on water solubility and diffusivity // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1995. - Vol. 185. - P. 203-220.

59. Devices and methods for spatial filtering : пат. 2009087133 (A1) США : МПК G02B6/14; Lewis J. E.; заявитель и патентообладатель Honeywell International Inc. - US86474207A ; заявл. 28.09.2007 ; опубл. 02.04.2009.

60. Dual purpose input electrode structure for MIOCs (multi-functional integrated optics chips) : пат. 6128424 A США : МПК G02B6/12, G02F1/035, G02F1/313; Gampp L. L., Geosling C. E. et al; заявитель и патентообладатель Litton Systems Inc. - US12445798A ; заявл. 28.07.1998 ; опубл. 03.10.2000.

61. Efimov O. M., Glebov L.B., et al. High-efficiency Bragg gratings in photothermorefractive glass // Applied Optics. - 1999. - Vol. 38. - № 4. - P. 619-627.

62. Eren B., Marot L., et al. Hydrogen-induced buckling of gold films // Journal of Applied Physics D: Applied Physics. - 2014. - Vol. 47. - № 2. - P. 025302-025302-7.

63. Fan Y., Li H., Zhao L. Investigation on structure and photorefractive properties of Mg:Ce:Cu:LiNbO3 crystals with various [Li /Nb] ratios // Optical Materials. - 2007. - Vol. 30. - P. 492496.

64. Fedorov V. A., Ganshin V. A., Korkishko Yu. N. New method of double-crystal X-ray diffractometric determination of the strained state in surface-layer structures // Physica status solidi (a).

- 1993. - Vol. 135. - № 2. - P. 493-505.

65. Fink D., Krauser J., et al. Hydrogen implantation and diffusion in silicon and silicon dioxide // Applied Physics A. - 1995. - Vol. 61. - P. 381-388.

66. Gallo K., Prawiharjo J., et al. Proton-exchanged LiNbO3 waveguides for photonic applications // Proceedings of 2004 6th International Conference on Transparent Optical Networks (Wroclaw, July 4

- 8, 2004). - Wroclaw, 2004. - Vol. 1. - P. 277-281.

67. Ganshin V. A., Korkishko Yu. N. Kinetic model of proton-lithium exchange in LiNbO3 and LiTaO3 crystals: The role of cation vacancies // Solid State Ionics. - 1992. - Vol. 58. - № 1 - 2. - P. 2332.

68. Gerhard С., Tasche D., et al. Near-surface modification of optical properties of fused silica by low-temperature hydrogenous atmospheric pressure plasma // Optical Letters. - 2012. - Vol. 37. - № 4.

- P. 566-568.

69. Giri P. K., Biswas A., Mandal M. K. The relaxation time of OH bond for hydrogen impurity in LiNbO3 [Электронный ресурс] // arXiv: 1810.01959. Materials Science. 2018. n. p. URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1810/ 1810.01959.pdf (дата обращения 03.11.2020)

70. Gonzalez R., Hodson E. R., et al. Effect on environment on Radiation-Induced Outdiffusion of Deuterons and Protons from Crystalline LiNbO3 at Low Temperatures // Physical review letters. - 1991.

- Vol. 67. - № 15. - P. 2057-2059.

71. Grating Tutorial. URL: https://www.thorlabs.com/tutorials.cfm?tabID=0CA9A8BD-2332-48F8-B01A-7F8BF0C03D4E

72. Griscom D. L. Defect structure of glasses. Some outstanding questions in regard to vitreous silica // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1985. - Vol. 73. - P. 51-77.

73. Hasanuzzaman M. Properties of Glass Materials / M. Hasanuzzaman, et al. // Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. - Elsevier, 2016. - P. 1 - 12.

74. Hayes C. M., Pereira M. B., et al. Sub-Micron Integrated Grating Couplers for Single-Mode Planar Optical Waveguides // 17th Biennial University/Government/Industry Micro/Nano Symposium (Louisville, KY, July 13 - 16, 2008). - Louisville, KY, 2008. - P. 227-232.

75. Howell P. G. T., Davy K. M. W, Boyde A. Mean atomic number and backscattered electron coefficient calculations for some materials with low mean atomic number // Scanning. - 1998. - Vol. 20. - P. 35-40.

76. Hwang J. M., Schroder D .K., Biter W. J. Deep levels introduced into silicon during hydrogen plasma annealing // Journal of Applied Physics. - 1985. - Vol. 57. - P. 5275-5278.

77. Integrated optics chip with reduced thermal errors due to pyroelectric effects : пат. 6044184 A США : МПК G02B6/12, G02B6/30, G02F1/035; Abbink H. C., Geosling C. E., et al; заявитель и патентообладатель Litton Systems Inc. - US12395598A ; заявл. 28.07.1998 ; опубл. 28.03.2000.

78. Kalabin I. E., Atuchin V. V., Grigorieva T. I. Formation and decay of high temperature phase in HxLi1-xNbO3 layers // Optical Materials. - 2003. - Vol. 23. - № 1 - 2. - P. 281-284.

79. Kitabatake M., Mitsuyu T., Wasa K. Structure and properties of amorphous LiNbO3 thin films prepared by a sputtering deposition // Journal of Applied Physics. - 1984. - Vol. 56. - № 6. - P. 17801784.

80. Kokanyan N. Study of photo-electrostrictive effects in photorefractive LiNbO3 probed by polarized Raman spectroscopy : thesis / Ninel Kokanyan. - Nancy, 2016. - 174 p.

81. Korkishko Yu. N., Fedorov V. A. Structural phase diagram of HxLi1-xNbO3 wave-guides: the correlation between optical and structural properties // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 1996. - Vol. 2. - № 2. - P. 187-196.

82. Korkishko Yu. N., Fedorov V. A. Structural phase diagram of proton-exchange HxLi1-xNbO3 waveguides in lithium niobate crystals // Crystallography Reports. - 1999. - Vol. 44. - № 2. - P. 237246.

83. Korkishko Yu. N., Fedorov V. A., Feoktistova O.Y. LiNbO3 optical waveguide fabrication by high-temperature proton exchange // Journal of Lightwave Technology. - 2000. - Vol. 18. - № 4. -P. 562-568.

84. Kovacs L., Polgar K., Capelletti R. IR absorption study of OH- in pure and Mg-doped LiNbO3 crystals // Crystal Lattice Defects and Amorphous Materials. - 1987. - Vol. 15. - P. 115-121.

85. Kovacs L., Szalay V., Capelletti R. Stoichiometry dependence of the OH absorption band in LiNbO3 crystals // Solid State Communications. - 1984. - Vol. 52. - P. 1029-1031.

86. Krishnan N.M., Wang B., et al. Irradiation- vs. vitrification-induced disordering: The case of a-quartz and glassy silica // Journal of chemical physics. - 2017. - Vol. 146. - № 20. - P. 204502204502-8.

87. Kristof J., Annusova A., et al. Diagnostics of low-pressure hydrogen discharge created in 13,56 MHz RF plasma reactor // Physica Scripta. - 2016. - Vol. 91. - P. 074009-074009.15.

88. Kuhnhenn J., Gusarov A., et al. Radiation Effects on Silica-Based Optical Fibers: Recent Advances and Future Challenges // IEEE Transactions on nuclear science. - 2013. - Vol. 60. - № 3. -P. 2015-2036.

89. Lin Y., Li Y., et al. Raman-scattering study on pressure amorphization of LiNbO3 crystal // Journal of Applied Physics. - 1995. - Vol. 77. - № 7. - P. 3584-3585.

90. Liu H., He S., et al. A study on spectrum property of fused quartz under the influence of space charged particles with low energy // Proceedings of the 9th International Symposium on Materials in a Space Environment (Noordwijk, June, 16 - 20, 2003). - Noordwijk, 2003. - P. 687-692.

91. Loni A., Hay G., et al. Proton-exchanged LiNbO3 waveguides: the effects of post-exchange annealing and buffered melts as deter-mined by infrared spectroscopy, optical waveguide measurements, and hydrogen isotopic exchange reactions // Journal of Lightwave Technology. - 1989. - Vol. 7. - № 6. - P. 911-919.

92. Lu F., Hu H., et al. Damage profiles in LiNbO3 by low-energy H+ implantation // Radiation Effects & Defects in Solids. - 2006. - Vol. 159. - P. 309-314.

93. Maciak T. LiNbO3 optical waveguides obtained by proton exchange in oleic acid // International Journal of Optoelectronics. - 1990. - Vol. 5. - № 3. - P. 227-223.

94. McMillan P. F., Remmele R. L. Hydroxyl sites in Si02 glass: A note on infrared and Raman spectra // American Mineralogist. - 1986. - Vol. 71. - P. 772-778.

95. McMillan P., Piriou B., Couty R. A Raman study of pressure-densified vitreous silica // Journal of Chemical Physics. - 1984. - Vol. 81. - P. 4234 - 4236.

96. Mohazzabi P., Mattson D. J., Ponce J.-A. Diffraction Pattern of a Rotated Grating // Journal of Applied Mathematics and Physics. - 2019. - Vol. 7. - № 8. - P. 1870-1876.

97. Multifunctional integrated optics chip having improved polarization extinction ratio : пат. 6351575 B1 США : МПК G02B6/122, G02B6/126, G02B6/30; Flaherty T. M., Gampp L. L.; заявитель и патентообладатель Litton Systems Inc. - US46966599A ; заявл. 23.12.1999 ; опубл. 26.02.2002.

98. Nazarov A. N., Lysenko V. S., Nazarova T.M. Hydrogen plasma treatment of silicon thin-film structures and nanostructured layers // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2008. - Vol. 11. - № 2. - P. 101-123.

99. Nekvindova P., Spirkova J., et al. Annealed proton exchanged optical waveguides in lithium niobate: differences between the X- and Z-cuts // Optical Materials. - 2002. - Vol. 19. -P. 245-253.

100. Nishihara H. Optical integrated circuits / H. Nishihara, M. Haruna, T. Suhara. - New York: McGraw-Hill Professional, 1989. - 374 p.

101. Nuccio L. Diffusion of small molecules in amorphous Si02: effects on the properties of the material and on point defects : thesis / Laura Nuccio. - Palermo, 2009. - 156 p.

102. Olivares J., Crespillo M.L., et al. Thick optical waveguides in lithium niobate induced by swift heavy ions (~10 MeV/amu) at ultralow fluences // Optics express. - 2009. - Vol. 17. - № 26. - P. 2417524182

103. Onodera H., Awai I., Ikenoue J. Refractive index measurement of bulk materials prism coupling method // Applied Optics. - 1983. - Vol. 22. - P. 1194-1198.

104. Optical substrate with light absorbing segments : пат. 5321779A США : МПК G02B6/12, G02B6/122, G02B6/26; Kissa K. M.; заявитель и патентообладатель Draper Lab Charles. -US97262892A ; заявл. 06.11.1992 ; опубл. 14.06.1994.

105. Palmer C. Diffraction Grating Handbook / C. Palmer, edit. E. Loewen. - New York: Thermo RGL, 2002. - 204 р.

106. Pearton S.J. Processing of Wide Band Gap Semiconductors / S.J. Pearton. - New York: Noyes Publications, 2000. - P. 413.

107. Photonic glasses / edit. F. Gan, L. Xu. - Singapore: World Scientific Publishing Co., 2006. -P. 344.

108. Ponomarev R. S., Volyntsev A. B., et al. Pyroelectric effect in X-cut LiNbO3 optical modulators // International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (Sudak, September 9 - 13, 2013). - IEEE, 2013. - P. 371-372.

109. Post D., Han B., Ifju P. High Sensitivity Moire. Experimental Analysis for Mechanics and Materials / D. Post, B. Han, P. Ifju. - Berlin: Springer, 1994. - P. 65.

110. Prezas P. Structural Characterization of Lithium Niobate Nanoparticles Prepared by the SolGel Process, Using X-Ray and Raman Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy / P. Prezas, M. Gra9a // Applications of Molecular Spectroscopy to Current Research in the Chemical and Biological Sciences. - Rijeka, InTech, 2016. - P. 42 - 72.

111. Proton exchange method of forming waveguides in LiNbO3 : пат. 4948407 США : МПК G02B6/1345, Bindell J. B., Cargo T. J. et al.; заявитель и патентообладатель Nokia Bell Labs. -US07/443808 ; заявл. 03.05.1988 ; опубл. 14.08.1990.

112. Rauner D., Mattei S. et al. Investigation of the RF efficiency of Inductively Coupled Hydrogen Plasma at 1 MHz // Fifth International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources. AIP Conference Proceedings. - 2017. - Vol. 1869. - № 1. - P. 030035-030035-8

113. Ren Z., Heard P. J., et al. Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma // Journal of Applied Physics. - 2008. - Vol. 103. - P. 034109.

114. Ren Z., Heard P. J., et al. Fabrication and characterizations of proton-exchanged LiNbO3 waveguides fabricated by inductively coupled plasma technique // Applied Physics Letters. - 2006. -Vol. 88. - P. 142905.

115. Ren Z., Heard P. J., Yu S. Novel fabrication technique of Proton exchanged Waveguide Based on LiNbO3 Using Inductively Coupled Plasma // European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference (Munich, June 17 - 22, 2007). - Optical Society of America, 2007. - P. CE_1.

116. Ren Z., Heard P. J., Yu S. Proton exchange and diffusion in LiNbO3 using inductance coupled high density plasma // Journal of Vacuum Science and Technology B. - 2007. - Vol. 25. -№ 4. - P. 1161-1165.

117. Repelin Y., Husson E. et al. Raman spectroscopy of lithium niobate and lithium tantalite. Force field calculations // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1999. - Vol. 60. - P. 819-825.

118. Rice C. E. The structure and properties of HxLi1-xNb03 // Journal of Solid State Chemistry. -1986. - Vol. 64. - P. 188-199.

119. Ridah A., Bourson P., et al. The composition dependence of the Raman spectrum and new assignment of the phonons in LiNbO3 // Journal of Physics: Condensed Matter. - 1997. - Vol. 9. -№ 44. - P. 9687-9693.

120. Rubin M. Optical properties of soda lime silica glasses // Solar Energy Materials. - 1985. -Vol. 12, - № 4. - P. 275-288.

121. Sato S., Furuya H., et al. Radiation effect of simulated waste glass irradiated with ion, electron and y-ray // Nuclear Instruments and methods in Physics Research B1. - 1984. - Vol. 1. -№ 2 - 3. - P. 534-537.

122. Schmidt B. C., Holtz F. M., Beny J. -M. Incorporation of H2 in vitreous silica, qualitative and quantitative determination from Raman and infrared spectroscopy // Journal of Non-Crystalline Solids.

- 1998. - Vol. 240. - № 1 - 3. - P. 91-103.

123. Smith D.S., Riccius H.D., Edwin R.P. Refractive indices of lithium niobate // Optics communications. - 1976. - V. 17. - № 3. - P. 332-335.

124. Sparrow I. J. G., Smith P. G., et al. Planar Bragg Grating Sensors - Fabrication and Applications: A review // Journal of Sensors. - 2009. - Vol. 2009 (607647). - P. 1-12.

125. Spatial filter for improving polarization extinction ratio in a proton exchange wave guide device : пат. 5475772 США : МПК G01C19/72; G02B6/126; G02B6/14; G02B6/12; G02B6/10; Hung H. H., Liu R.-y.; заявитель и патентообладатель Honeywell Inc. - US08/252704 ; заявл. 02.06.1994 ; опубл. 12.12.1995.

126. Swanepoel R. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon // Journal of Physics E: Scientific Instruments. - 1983. - Vol. 16. - № 12. - P. 1214-1222.

127. Tervonen A., West B.R., Honkanen S. Ion-exchange glass waveguide technology: a review // Optical Engineering. - 2011. - Vol. 50. - № 7. - P. 071107-071107.15.

128. Tianhao S., Xinyuan J., et al. Lattice disorder, refractive index changes and waveguides in LiNbO3 formed by H+-implantation // Material Science and Engineering: B. - 1993. - Vol. 18. - № 1. -P. 83-87.

129. Tien P. K. Light waves in thin films and integrated optics // Applied Optics. - 1971. -Vol. 10. - № 11. - P. 2395-2413.

130. Tien P. K., Uirich R., Martin R. J. Modes of propagating light waves in thin deposited semiconductor films // Applied Physics Letters. - 1969. - Vol. 14. - P. 291.

131. Townsend P. D. Optical effects of ion implantation / P. D. Townsend, P. J. Chandler, L. Zhang.

- Cambridge, Cambridge University press, 1994. - P. 285.

132. Tso S. T., Pask J. A. Reaction of Fused Silica with Hydrogen Gas // Journal of the America Ceramic Society. - 1982. - Vol. 65. - № 9. - P. 457-460.

133. Turcicova H., Arend H., Jarolimek O. A low-resistance layer on LiNbO3 produced in hydrogen RF discharge // Solid State Communications. - 1995. - Vol. 93. - № 12. - Р. 979-981.

134. Turcicova H., Perina V., et al. Plasma processing of LiNbO3 in a hydrogen/oxygen radio-frequency discharge // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1998. - Vol. 31. - P. 1052-1059.

135. Turcicova H., Pracharova J., et al. Sheet Resistance of LiNbO3 Wafers Processed in Radio-Frequency Plasma of Hydrogen // 19 th Symp. on Plasma Physics and Technology (Prague, June 6 - 9, 2000). - Czechoslovak Journal of Physics, 2000. - Vol. 50 (S3). - P. 461-465.

136. Turcicova H., Preucil S., et al. Li Depth Anomaly after Radio-Frequency Hydrogen Plasma Processing of Single Crystal LiNbO3 // Ferroelectrics. - 2000. - Vol. 239. - P. 313-320.

137. Turcicova H., Vacik J., et al. LiNbO3 exposed to radio-frequency plasma // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. - 1998. - Vol. 141. - P. 494-497.

138. Turcicova H., Zemek J., et al. Surface Analysis of LiNbO3 Single Crystals Modified by Radio-Frequency Hydrogen Plasma // Surface and Interface Analysis. - 2000. - Vol. 29. - P. 260-264.

139. Turcicova H., Zemek J., et al. Single-crystal LiNbO3 surfaces processed in low-temperature hydrogen plasma: XPS, REELS and AFM study // Surface and Interface Analysis. - 2002. - Vol. 34. -P. 468-471.

140. Tuschel D. Selecting an Excitation Wavelength for Raman Spectroscopy // Spectroscopy. -2016. - Vol. 31. - № 3. - P. 14-23.

141. Tuschel D. Why are the Raman spectra of Crystalline and Amorphous Solids Different? // Spectroscopy. - 2017. - Vol. 32. - № 3. - P. 26-33.

142. Ulrich R., Torge R. Measurement of thin film parameters with a prism coupler // Applied Optics. - 1973. - Vol. 12. - № 12. - P. 2901-2908.

143. Volk T. Lithium Niobate: Defects, Photorefraction and Ferroelectric Switching / T. Volk, M. Wohlecke. - Berlin : Springer, 2008. - 250 p.

144. Zhang D.-L., Zhang Q., et al. Diffusion control of an ion by another in LiNbO3 and LiTaO3 crystalls // Scientific Reports. - 2015. - Vol. 5. - P. 10018.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Характеристики пластин Ы^Оз, использованных в работе

Таблица А.1 - Характеристики использованных в работе пластин LiNbO3

Характеристика Описание / величина

Материал пластины конгруэнтный монодоменный ниобат лития

Состав 48,38 ± 0,01 мол. % И02

Размеры пластины: Диаметр Толщина База 0 База 1 76,2 ± 0,2 мм 1,0 ± 0,025 мм 22 ± 1 мм 14 ± 2 мм

Кристаллофизическая ориентация пластины Х-срез

Разориентация осей на Х-срезе < 5'

База 0, параллельна оси У, разориентация <5 '

База 1, параллельна оси 2, разориентация << 5'

Поверхность пластины: Неплоскостность Изгиб < 15 мкм < 10 мкм

Шероховатость Яа поверхности пластины +Х и -Х < 0,7 нм

Оптическое качество поверхности не больше 10 шт. царапин и 5 шт. сколов на 100% площади поверхности

Фацетированный край с двух сторон

Рисунок А.1 - Схема резки пластины LiNbOз

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Характеристики исследованных образцов оптических материалов, модифицированных Н-плазмой, и созданных на их поверхности ДР

Материал Маска л, нм Р, Вт т, °с 1 обработки, мин ЭД, % (8 поляр-я) Рельеф поверх-ти на БР, нм ЛТ при 633 нм, %

ЫЯЪОз 81805 1000 25 б/н з0 0,00з2 0,5 - 1 2,0

ЫЯЪОз — — 25 150 60 — — 5,6

ЫЯЪОз 81805 Э50 50 б/н з0 3,710-5 1 - 2 2,5

ЫЯЪОз — — 50 б/н 60 — — з,0

ЫЯЪОз — — 50 б/н 240 — — 4,9

ЫЯЪОз — — 50 120 120 — — 6,5

ЫЯЪОз — — 50 120 150 — — 11,з

ЫЯЪОз — — 50 200 60 — — зз,4

ЫЯЪОз — — 50 200 120 — — 40,1

ЫЯЪОз А1 1000 50 200 150 0,22 80 4з

ЫЯЪОз А1 2000 50 з00 120 0,116 з0 67

ЫЯЪОз 81805 1000 75 б/н 60 0,0071 2 - з з,6

ЫЯЪОз 81805 1000 90 б/н 60 0,0082 з - 4 5,з

ПО П№Оз 81805 Э50 50 б/н з0 5 10"5 2 - з з,7

ПО П№Оз 81805 2000 50 б/н з0 10"4 2,5 - з з,7

ПО П№Оз 81805 2000 50 б/н 60 0,008з 4 - 5 1з,7

ПО LiNbOз — — 50 200 60 — — 45,4

ПО LiNbOз А1 1000 50 250 60 0,042 22 64,0

ПО П№Оз 81805 1000 75 б/н 60 0,0088 6 - 7 17,0

Кварц. стекло — — 50 200 60 — — 0,1

Кварц. стекло — — 50 200 1Э5 — — 0,1

Кварц. стекло — — 50 200 180 — — 0,1

НКС стекло 81805 з2з 50 б/н з0 1,7х10"5 0,5 - 1 2,1

Материал Маска Л, нм р, Вт т, °с 1 обработки, мин ЭД, % (8 поляр-я) Рельеф поверх-ти на БР, нм АТ при 633 нм, %

НКС стекло 81805 500 50 б/н 60 0,0017 1 - 2 2,2

НКС стекло 81805 1000 50 б/н 60 0,0064 1 - 2 2,2

НКС стекло А1 2000 50 150 60 0,009 5 - 6 2,1

НКС стекло А1 2000 45 300 120 0,73 90 2,3

НКС стекло — — 50 300 300 — — 2,7

НКС стекло 81805 500 75 б/н 30 0,0013 1 - 2 2,5

НКС стекло 81805 323 75 б/н 60 3,5 10-5 1 - 2 2,1

НКС стекло А1 1000 75 105 60 0,003 2 - 3 2,2

НКС стекло А1 1000 90 105 60 0,004 2 - 3 2,5

НКС стекло 81805 1000 100 б/н 30 0,002 1 - 2 2,0

Использованные обозначения:

б/н - без дополнительного нагрева (температуру образца в плазме была около 80 °С); Рельеф поверхности на ДР - разница уровней областей «А» и «Б»; ДТ при 633 нм - снижение оптического пропускания образца на длине волны 633 нм относительно исходного образца.