Разработка новых методов управления характеристиками интегрально-оптических модуляторов на подложке ниобата лития для применения в системах обработки сигналов прецизионных оптических датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Тронев Александр Викторович

• Тронев Александр Викторович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Тронев Александр Викторович

Реферат по диссертации

Summary of the thesis

Основная часть диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературных источников по теме исследования

Раздел 1.1 Модулятор Маха-Цендера

1.1.1 Дрейф передаточной характеристики

1.1.2 Оптическая экстинкция

1.1.3 Амплитудно-частотная характеристика

Раздел 1.2 Интегрально-оптические разветвители

1.2.1 Направленные ответвители

1.2.2 Делители волнового фронта

Раздел 1.3 Фоторефрактивный эффект в кристаллах ниобата лития

Раздел 1.4 Покрывающие металлические пленки

Раздел 1.5 Характеристики аналоговых оптических сигналов, полученных внешней модуляцией

1.5.1 Аналитическая модель аналоговой линии

1.5.2 Влияние рабочей точки модулятора

Выводы по главе

Глава 2. Исследование дрейфа модулятора Маха-Цендера и его воздействия на аналоговые оптические сигналы

Раздел 2.1. Экспериментальное исследование

2.1.1 Исследование быстрого дрейфа

2.1.2 Исследование медленного дрейфа

2.1.3 Результаты исследования

Раздел 2.2 Стабилизация модулятора Маха-Цендера с двойным выходом в квадратурной рабочей точке

2.2.1 Экспериментальная установка

2.2.2 Система стабилизации рабочей точки

2.2.3 Влияние системы стабилизации рабочей точки на аналоговые

оптические сигналы

Раздел 2.3 Параметры аналоговой волоконно-оптической линии при смещении рабочей точки модулятора

2.3.1 Теоретическая модель

2.3.2 Макет аналоговой волоконно-оптической линии с оптическим усилителем

2.3.3 Результаты исследования

Выводы по главе

Глава 3. Фоторефрактивное управление характеристиками оптических волноводов в ниобате лития

Раздел 3.1 Подстройка коэффициента деления Х-ответвителя

3.1.1 Численное моделирование

3.1.2 Зондовая установка

3.1.3 Описание эксперимента

3.1.4 Результаты эксперимента

Раздел 3.2 Подстройка коэффициента деления У-разветвителя

3.2.1 Описание эксперимента

3.2.2 Результаты эксперимента

3.2.3 Численное моделирование

Выводы по главе

Глава 4. Лазерная модификация нанометровых металлических пленок на поверхности оптических волноводов

Раздел 4.1 Математическая модель

Раздел 4.2 Экспериментальное исследование

4.2.1 Химическое травление

4.2.2 Лазерная засветка

Раздел 4.3 Повышение экстинкции модулятора Маха-Цендера

Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

РЕФЕРАТ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка новых методов управления характеристиками интегрально-оптических модуляторов на подложке ниобата лития для применения в системах обработки сигналов прецизионных оптических датчиков»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования.

За последние десятилетия интерференционные оптические датчики прочно заняли свою нишу в высокоточных измерениях различных физических величин. При этом требования к точности измерений неуклонно повышаются с развитием современных технологий. Например, современные навигационные системы требуют разработки волоконно-оптических гироскопов класса точности 10-2 угловых градуса/час или выше [1], развитие нанотехнологий ставит задачу измерения перемещений с точностью в доли нанометров [2] и др. Отдельно стоят задачи фундаментальных исследований, например регистрации следов новых элементарных частиц и гравитационных волн [3]. Во всем мире активно ведутся работы, связанные с повышением чувствительности интерференционных оптических датчиков до уровня, ограниченного фундаментальным пределом квантовых шумов, а в некоторых случаях превышающей данный предел [4].

Для борьбы с шумами и паразитными сигналами, ограничивающими чувствительность оптических интерферометров, широко используется активная стабилизация и компенсация с использованием систем регулирования с обратной связью [5], где предварительная обработка оптических сигналов может быть реализована с использованием интегрально оптических схем, в частности интегрально оптических модуляторов, осуществляющих управление различными параметрами оптических сигналов: амплитудой, фазой и поляризацией.

Прецизионные интерферометрические системы оптических измерений предъявляют беспрецедентно высокие требования к параметрам интегрально -оптических модуляторов, прежде всего, к стабильности рабочих характеристик и предельно низкому уровню вносимых шумов.

Технология интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития является одной из базовых для разработки и производства современных

интегрально-оптических модуляторов [6]. Несмотря на то, что данная технология развивается уже более 40 лет и находится на промышленном уровне, отмеченные выше тенденции требуют нового взгляда и дополнительных исследований. Источники и механизмы возникновения шумов и преобразований оптического сигнала в интегрально-оптических схемах недостаточно изучены, а их физическая природа в полной мере не ясна. Также, недостаточно изучена связь шумов с топологией интегрально-оптических схем и параметрами технологического процесса их изготовления.

Таким образом, задача выявления физических механизмов и природы возникновения шумов в интегрально-оптических схемах, а также разработки методов их подавления и компенсации остается актуальной на сегодняшний день, а ее решение откроет новые пути повышения точности прецизионных оптических измерений.

Целью данной работы является разработка новых методов управления параметрами интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития для улучшения их стабильности и снижения уровня шумов в соответствии с требованиями современных систем прецизионных оптических измерений.

Для достижения поставленной цели требуется решение ряда задач:

- изучить процессы дрейфа рабочей точки на передаточной характеристике модулятора Маха-Цендера, разработать новые методы пассивной и активной стабилизации рабочей точки и выявить влияние стабильности положения рабочей точки на шумовые характеристики амплитудно-модулированных оптических сигналов;

- разработать новые аддитивные оптические методы улучшения характеристик интегрально оптических схем на подложках ниобата лития;

- исследовать влияние фоторефрактивного эффекта в кристаллической подложке ниобата лития на характеристики базовых интегрально-оптических элементов (делителей оптической мощности) при их локальной внешней засветке;

- разработать оптические методы модификации и микроструктурирования металлических наноплёнок на поверхности ниобата лития, исследовать влияние поверхностных металлических наноплёнок и микроструктур на их основе на характеристики титан-диффузных оптических волноводов;

- использовать разработанные аддитивные оптические методы улучшения характеристик интегрально оптических схем на подложках ниобата лития для повышения контраста амплитудных модуляторов путем высокоточной балансировки плеч интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) впервые исследовано влияние легирования подложки ниобата лития медью на характеристики дрейфа рабочей точки электрооптических модуляторов;

2) разработано оригинальное схемотехническое решение системы стабилизации рабочей точки электрооптических модуляторов Маха-Цендера с низким энергопотребление и питанием от подаваемого на модулятор оптического излучения (без дополнительного электрического питания);

3) впервые детально исследовано влияние фоторефрактивного изменения показателя преломления подложки ниобата лития при локальной внешней засветке на параметры волноводных делителей оптической мощности X- и Y- типа;

4) впервые проведен анализ влияния металлического наноразмерного покрытия на оптические потери и набег фазы в титан-диффузном волноводе на подложке ниобата лития;

5) разработан новый метод прецизионной подстройки характеристик волноводных компонентов путем лазерной модификации тонкой металлической пленки;

Практическое значение работы состоит в следующем:

1) показано что травление диэлектрического буферного слоя и легирование подложки ниобата лития медью ограничивает дрейф рабочей точки и снижает время выхода модуляторов в стационарный режим;

2) предложенный в работе метод активной стабилизации рабочей точки интегрально-оптического модулятора Маха-Цендера с двумя выходами устанавливает рабочую точку модулятора точно в заданном положении без использования дополнительной модуляции тоновым сигналом, что позволяет с использованием балансного детектирования реализовать эффективное подавление шумов интенсивности лазерного излучения на 20 дБ в широкой полосе частот до 3 ГГц;

3) продемонстрирована возможность стабилизации рабочей точки интегрально-оптических модуляторов без внешнего электрического питания;

4) в топологиях волноводных делителей оптической мощности Х и Y типа определены области наибольшей чувствительности к локальному изменению показателя преломления;

5) продемонстрирована возможность использования коммерчески доступных полупроводников лазеров накачки волоконных эрбиевых усилителей для прецизионной микро-модификации металлических нано-пленок на подложках ниобата лития;

6) разработана и изготовлена оригинальная оптическая зондовая установка для аддитивной подстройки и улучшения характеристик, изготовленных на подложках ниобата лития интегрально-оптических схем;

7) экспериментально продемонстрировано повышение контраста модуляторов Маха-Цендера более чем на 18 дБ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Травление буферного слоя, а также дополнительное легирование медью подложки ниобата лития ограничивает «медленную» составляющую дрейфа рабочей точки до уровня менее 1 В, и снижает время выхода в стационарный режим до 20 сек.

2. Метод удержания квадратурной рабочей точки модулятора Маха-Цендера с двойным выходом, использующий стабилизацию по отношению уровней оптической мощности, позволяет при балансном детектировании снизить уровень синфазных помех и шумов интенсивности лазерного излучения на 20 дБ, может быть реализован в исполнении с низким энергопотреблением и питанием от подаваемой на модулятор оптической мощности без дополнительного электрического питания.

3. Фоторефрактивный эффект может эффективно использоваться для компенсации технологических ошибок изготовления интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития: подстройки коэффициента деления волноводных X- и Y-разветвителей в диапазоне [-1 - 2] % и улучшения контраста модулятора Маха-Цендера более чем на 16 дБ.

4. Локальная засветка с пороговой интенсивностью 106 мВт/мм2 может быть использована для селективной лазерной модификации и микроструктурирования нанометровой металлической пленки на поверхности оптических волноводов на подложках ниобата лития и точной подстройки интегрально-оптических схем.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в рамках международных научных конференций CLEO/Europe-EQEC и Photorefractive photonics (PR) в 2017 и 2019 гг., на международной конференции SPIE Photonics Europe и 19 международной конференции «Оптика лазеров» в 2018 г., на международной конференции Asia communications and photonics conference (ACPC), на 6 международной конференции по современным нанотехнологиям и нанофотонике для науки и промышленности (ICMNNSI) и на всероссийской конференции по волоконной оптике (ВКВО) в 2017 г. Автор неоднократно выступал на семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и в Университете ИТМО.

Достоверность научных положений. Достоверность подтверждается согласием результатов теоретического анализа и численного моделирования с результатами экспериментальных исследований, а также с данными

известными из литературы. При проведении математического моделирования и обработке экспериментальных данных использовались современные программные пакеты: COMSOL Multiphysics®, Maple, Origin и другие. Экспериментальные исследования проводились с использованием современного измерительного оборудования и отработанных методик измерений. Результаты, представляющие научную новизну, обсуждались на научных конференциях и были опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов. По результатам исследований оформлен патент на изобретение. Результаты настоящего исследования используются в лаборатории квантовой электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компанией ООО «ИНОПТ» при разработке и изготовлении интегрально-оптических модуляторов для систем обработки сигналов волоконно-оптических датчиков, в том числе волоконно-оптических гироскопов навигационного класса точности.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 6 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 3 публикации в журналах из перечня ВАК, 1 патент и 1 публикация в ином издании.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунков и 2 таблицы, список цитированной литературы представлен 109 наименованиями.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, представлена научная новизна работы, а также определена практическая ценность полученных результатов и приведены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава работы посвящена обзору интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития [7], особое внимание уделено

амплитудным модуляторам на основе интерферометра Маха-Цендера, которые нашли широкое применение в современных оптических линиях связи. Отмечено, что особый интерес представляют применения интегрально-оптических модуляторов в системах формирования, передачи и обработки широкополосных аналоговых сигналов, в частности, в системах высокоточных оптических датчиков [8]. Отмечается, что данные применения выдвигают особенно жесткие требования к характеристикам модуляторов и их стабильности. В отличие от стандартных телекоммуникационных задач здесь становятся важны такие параметры модуляторов как линейность и контраст модуляции.

Нелинейные искажения, попадающие в частотную полосу системы и связанные с положением рабочей точки модулятора, существенно влияют на обработку аналоговых сигналов. Поэтому задача точного выставления и стабилизации рабочей точки модуляторов является одной из ключевых при использовании их в системах прецизионных оптических измерений. Данная задача усложняется присущим для модуляторов на подложках ниобата лития дрейфом [9], природа которого еще недостаточно изучена.

Контраст модуляции особенно важен при использовании модуляторов для формирования оптических импульсов в системах обработки сигналов распределенных волоконно-оптических датчиков и во многом является определяющим их шумовые и точностные характеристики. Ограничивающим фактором для увеличения контраста модуляции интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития являются неизбежные отклонения топологии, возникающие на этапе изготовления волноводов методом контактной литографии, а также дефекты, возникающие в процессе изготовления оптических волноводов. Это во многом обуславливает высокую стоимость и малый объем производства интегрально-оптических модуляторов с высоким контрастом модуляции, в то время как потребность в таких устройствах постоянно растет с все более широким распространением систем прецизионных оптических измерений.

Существует подход увеличения контраста модуляторов Маха-Цендера, основанный на введении дополнительных управляющих электродов и сложной системы управления с обратной связью [10]. Однако практическая реализация данного подхода затруднена из-за уже упомянутого дрейфа рабочей точки.

На основании проведенного обзора литературы были сформулированы задачи диссертационных исследований, связанные с изучением механизмов дрейфа рабочей точки модуляторов на подложках ниобата лития, разработкой новых методов точного выставления и стабилизации рабочей точки, а также разработкой новых методов пассивной подстройки контраста волноводных интерферометров, позволяющих скомпенсировать погрешности и дефекты, возникающие на этапе изготовления интегрально-оптических схем.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке новых методов точного выставления и активной стабилизации рабочей точки интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития.

В первой части данной главы проведено исследование дрейфа рабочей точки модулятора Маха-Цендера. Предварительные исследования подтвердили известный из литературы факт существования двух типов дрейфа рабочей точки, так называемых, быстрой и медленной составляющей, отличающихся своей природой и характерными временными постоянными [11].

Медленный дрейф модулятора характеризуется временем стабилизации порядка нескольких часов и в литературе описывается переносом и накоплением зарядов в паразитной емкостной нагрузке, формирующейся на границе электродов и неоднородной диэлектрической подложки. Борьба с медленной составляющей дрейфа может быть реализована за счет снижения паразитной емкости и за счет повышения проводимости. В работе были проверены оба подхода. Снижение паразитной емкости было реализовано за счет травления диэлектрического буферного слоя оксида кремния в межэлектродной области. Проводимость приповерхностного слоя подложки

ниобата лития была повышена путем легирования ионами меди методом высокотемпературной диффузии.

Для исследований была изготовлена серия экспериментальных образцов высокочастотных модуляторов Маха-Цендера. Использовались монокристаллические подложки конгруэнтного ниобата лития Х-среза. Оптические волноводы были сформированы методом термической диффузии титана [6]. На всех образцах использовалась конфигурация СВЧ электродов с диэлектрическим буферным слоем БЮ2. На нескольких образцах слой SiO2 в межэлектродном зазоре был вытравлен с использованием ИБ содержащего травителя. На одном из образцов для легирования подложки после изготовления волноводов и до изготовления электродов была проведена дополнительная операция по магнетронному напылению тонкой металлической пленки меди (20 нм). Легирование приповерхностного слоя под электродами осуществлялось путем термической диффузии при температуре 850 ° С в течение 30 минут. В образце, легированном медью, были использованы электроды без диэлектрического буферного слоя.

а)

б)

Рисунок 1 - Изменение медленного дрейфа рабочей точки интегрально-оптических

модуляторов на подложках ниобата лития Х-среза при: а) травлении подслоя БЮ2; б) медном легировании области под электродами.

Для исследования дрейфа была собрана экспериментальная установка с системой регулирования с обратной связью. Величина дрейфа определялась по величине напряжения обратной связи, необходимого для фиксации рабочей точки модулятора в минимуме передаточной характеристики. На рисунке 1

для сравнения приведены временные картины медленного дрейфа для модулятора до и после травления подслоя SiO2, а также при легировании подложки медью.

Медленный дрейф наблюдался как изменение напряжения смещения на входе модулятора. Для образцов с диэлектрическим буферным слоем модулятор так и не выходил в стационарный режим и продолжал дрейфовать вплоть до выхода системы за пределы диапазона изменений управляющего напряжения. Образцы с вытравленным буферным слоем выходили в стационарный режим. Время выхода на стационарные значения составляло до 10 часов и зависело от величины начального напряжения на электродах. Типичная временная зависимость представляла собой кривую переходного процесса в RC-цепи с постоянной времени 1,7 часа. Дрейф происходил в сторону уменьшения приложенного напряжения. Легирование подложки ионами меди существенно изменило картину дрейфа. Повышение проводимости приповерхностного слоя повысило скорость релаксации зарядов на паразитных емкостях. Приведенная на рисунке 1б) временная зависимость напряжения дрейфа описывается суммой двух экспонент с постоянными времени 7,5 минут и 9,5 часов. Что свидетельствует о появлении дополнительного канала переноса зарядов. Влияние примеси становится более выраженным при увеличении исходного напряжения смещения и позволяет более чем в 2 раза уменьшить диапазон медленного дрейфа, по сравнению с модулятором без легирования при высоких значениях смещения.

Быстрый дрейф в модуляторах Маха-Цендера наблюдается при резком скачкообразном переключении управляющего напряжения с характерным временем переходного процесса в несколько секунд. Для более ярко выраженного проявления быстрого дрейфа в экспериментах к электродам модуляторов прикладывались скачки напряжения большой амплитуды, в 10 раз превышающие полуволновое напряжение.

Быстрый дрейф связывают с неравномерным током зарядов между электродами из-за анизотропных свойств подложки [12], которые неизбежно проявляются в планарной конфигурации электродов интегрально оптического модулятора (рисунок 2а). Разница в сопротивлениях и емкостях в направлении перпендикулярном поверхности и в направлении вдоль поверхности кристаллической подложки может быть описана эквивалентной электрической схемой с делителями сопротивлений и емкостей (рисунок 2б). Изменение поля внутри кристалла связано с переходными процессами из состояния делителя емкостей, в начальный момент при изменении приложенного к электродам напряжения, в состояние делителя сопротивлений по мере того, как емкости заряжаются. Правомерность данной модели была подтверждена контрольным экспериментом с объемным фазовым модулятором в одном из плеч объемного интерферометра Маха-Цендера. В данной конфигурации прикладываемое электрическое поле было направлено строго вдоль оптической оси кристалла ниобата лития, быстрый дрейф практически не был заметен и составлял менее 1% от полуволнового напряжения (рисунок 3б).

а)

а.

bias

У///Л +///Л 1 \Х У///А V///X

^ - LiNbOjLN)

Рисунок 2 - Анизотропия кристаллической подложки ниобата лития как причина быстрого дрейфа интегрально-оптических модуляторов: а) конфигурация планарных электродов на подложке ниобата лития Х-среза; б) эквивалентная электрическая схема для

описания быстрого дрейфа.

Для экспериментальных образцов интегрально-оптических модуляторов быстрая составляющая дрейфа была хорошо выражена. На рисунке 3а показаны графики изменения напряжения смещения, вызванного быстрым дрейфом. Наименьшая амплитуда быстрого дрейфа соответствует образцу с буферным подслоем SiO2. На образцах с вытравленным буферным слоем и с легированием медью, для которых наблюдалось снижение медленного дрейфа, амплитуда быстрого дрейфа напротив выросла и достигала величин сравнимых с полуволновым напряжением.

Рисунок 3 - Картины быстрого дрейфа для: а) модуляторов Маха-Цендера; б) объемного фазового модулятора.

Данный переходной процесс не может быть описан простым экспоненциальным законом и сильно зависит от предыстории (ранее приложенного напряжения) и внешних условий (температура и влажность). Физическая природа столь сложного поведения в полной мере не ясна, существуют модели, которые пытаются связать данное поведение с подвижностью заряженных дефектов и ОН- групп или других ионов в приповерхностном слое подложки ниобата лития, а также наличием барьерного слоя на границе металл кристалл.

Поэтому для эффективной компенсации быстрой составляющей дрейфа рабочей точки необходимо использовать системы стабилизации с обратной связью. Травление буферного слоя ЗЮ2 и легирование медью должно быть использовано для снижения медленного дрейфа и позволит уменьшить

необходимый выходной диапазон изменения напряжения системы активной стабилизации.

Вторая часть первой главы посвящена разработке системы стабилизации рабочей точки. Требования, которые предъявляются к системе стабилизации рабочей точки модуляторов в составе систем обработки сигналов прецизионных оптических датчиков следующие: а) точность установки рабочей точки на передаточной характеристике 10-3 Уп; б) постоянная времени менее 20 мс; отсутствие вносимых в оптический сигнал шумов и искажений. По последней причине не может быть использован метод стабилизации рабочей точки с пилотным тоном [13], обеспечивающий очень высокую точность установки рабочей точки, но вносящий дополнительные шумы. В работе был разработан оригинальный метод стабилизации рабочей точки модулятора Маха-Цендера с двойным выходом. В модуляторе данной конфигурации выходной делитель оптической мощности в оптическом волноводном интерферометре Маха-Цендера выполнен в виде направленного Х-ответвителя (рисунок 4). Оптический сигнал в двух выходных каналах модулятора при приложении модулирующего напряжения изменяется в противофазе. Это позволяет использовать балансное детектирование и обеспечить необходимую высокую точность установки рабочей точки модулятора без использования пилотной модуляции. Отношение постоянных составляющих оптической мощности на двух выходах модулятора используется в системе ПИД-регулирования для вычисления управляющего напряжения смещения, необходимого для компенсации дрейфа рабочей точки. Для квадратурной рабочей точки данное соотношение строго равно 1. Потенциально можно выставить произвольную рабочую точку на передаточной характеристике модулятора, задавая величину данного соотношения для системы ПИД-регулирования.

Рисунок 4 - Интегрально-оптический модулятор с двойным выходом, использующейся в системе передачи аналоговых сигналов с балансным детектированием, и схема управления и стабилизации его рабочей точки.

Было разработано оригинальное схемотехническое решение реализации предложенного метода стабилизации рабочей точки. В качестве платформы для реализации ПИД-регулятора был выбран специализированный чип цифровой обработки сигналов на ядре ARM Cortex-M3, что позволило уменьшить энергопотребление системы до 5 мВт при постоянной времени регулятора 12 мс и диапазоне выходного напряжения [-10; 10] В. Столь низкое энергопотребление, а также малый размер, позволяют размещать предложенную систему стабилизации непосредственно в корпусе модулятора и использовать в качестве источника питания фотоэлектрический преобразователь, то есть запитывать систему стабилизации рабочей точки прямо от излучения, подаваемого на модулятор, без дополнительного электрического питания. Это особенно интересно для автономных систем, таких как удаленные антенны. Были проведены эксперименты с использованием коммерчески доступного фотоэлектрического преобразователя Kyosemi KPC8-T (рисунок 5), которые показали, что оптической мощности 15 мВт (1550 нм) на входе фотоэлектрического преобразователя достаточно для стабильной работы системы стабилизации рабочей точки модулятора.

Рисунок 5 - Демонстрация питания системы стабилизации рабочей точки оптическим излучением со входа модулятора.

Для демонстрации высоких характеристик разработанной системы стабилизации по точности выставления рабочей точки и низкого уровня вносимых шумов были проведены эксперименты по подавлению синфазной помехи при балансном детектировании оптических сигналов с модулятора с двойным выходом (рисунок 6). Данная схема может быть эффективно использована в системах обработки сигналов волоконно-оптических датчиков для подавления шума интенсивности лазерного диода (ЯШ). Продемонстрировано эффективное подавление синфазной помехи почти на 20 дБ в частотном диапазоне шириной свыше 2 ГГц, что свидетельствует о высокой точности выставления квадратурной рабочей точки модулятора с двойным выходом и об отсутствии дополнительных шумов, вносимых системой стабилизации рабочей точки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тронев Александр Викторович, 2019 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Jing Jin и др. In-Orbit Performance Evaluation of a Spaceborne High Precision Fiber Optic Gyroscope // Sensors. 2018. Т. 18. № 2. С. 106.

2. Kimura A. и др. A sub-nanometric three-axis surface encoder with short-period planar gratings for stage motion measurement // Precision Engineering. 2012. Т. 36. № 4. С. 576-585.

3. Abbott B.P. и др. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger // Phys. Rev. Lett. 2016. Т. 116. № 6. С. 061102.

4. Vahlbruch H. и др. Detection of 15 dB Squeezed States of Light and their Application for the Absolute Calibration of Photoelectric Quantum Efficiency // Phys. Rev. Lett. 2016. Т. 117. № 11. С. 110801.

5. Campagnolo L. и др. Flow profile measurement in microchannel using the optical feedback interferometry sensing technique // Microfluid Nanofluid. 2013. Т. 14. № 1-2. С. 113-119.

6. Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Applied Physics Reviews. 2015. Т. 2. № 4. С. 040603.

7. Chen A., Murphy E. Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications: CRC Press, 2011. 571 с.

8. Zhang H. и др. On-chip modulation for rotating sensing of gyroscope based on ring resonator coupled with Mach-Zehnder interferometer // Sci Rep. 2016. Т. 6. № 1. С. 19024.

9. Salvestrini J.P. и др. Analysis and Control of the DC Drift in LiNbO3-Based Mach-Zehnder Modulators // J. Lightwave Technol. 2011. Т. 29. № 10. С. 1522-1534.

10. Ogiso Y. и др. High Extinction-Ratio Integrated Mach-Zehnder Modulator with Active Y-Branch for Optical SSB Signal Generation // IEEE Photonics Technology Letters. 2010. Т. 22. № 12. С. 941-943.

11. Yamada S., Minakata M. DC Drift Phenomena in LiNbO3Optical Waveguide Devices // Japanese Journal of Applied Physics. 1981. T. 20. № 4. C. 733-737.

12. Ponomarev R.S. h gp. Short-term DC-drift in integrated optical Mach-Zehnder interferometer / nog peg. V.A. Andreev h gp. Kazan, Tatarstan, Russian Federation: , 2012. C. 841008.

13. Fu Y. h gp. Mach-Zehnder: A Review of Bias Control Techniques for Mach-Zehnder Modulators in Photonic Analog Links // IEEE Microwave. 2013. T. 14. № 7. C. 102-107.

14. Chen F. Optically induced change of refractive indices in LiNbO3 and LiTaO3 // Journal of applied physics. 1969. T. 40. № 8. C. 3389-3396.

15. Sathian J., Jaatinen E. Reducing residual amplitude modulation in electro-optic phase modulators by erasing photorefractive scatter // Optics express. 2013. T. 21. № 10. C. 12309-12317.

16. Neyer A. h gp. A beam propagation method analysis of active and passive waveguide crossings // Journal of lightwave technology. 1985. T. 3. № 3. C. 635642.

17. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. : Springer US,

2007.

SUMMARY OF THE THESIS

GENERAL DESCRIPTION OF WORK

Over the past decades interferometric optical sensors have confidently taken their place in high-precision measurements of various physical quantities. At the same time, the requirements for the measurement accuracy are quickly increasing with the development of modern technologies. For example, modern navigation systems require the development of fiber-optic gyroscopes with an accuracy class of 10-2 angular degrees/hour or higher [1], the development of nanotechnology poses the task of measuring displacements with an accuracy of a fraction of nanometers [2], etc. The problems of basic research, for example, registration of the traces of new elementary particles and gravitational waves [3] are also put emphasis on a high precision optical sensing technology. All over the world, work is actively being carried out to increase the sensitivity of interference optical sensors to a level limited by the fundamental limit of quantum noise, and in some cases exceeding this limit

[4].

To reduce noise and spurious signals that limit the sensitivity of optical interferometers, active stabilization and compensation are widely used in feedback control systems [5], where the preliminary processing of optical signals can be implemented using integrated optical circuits. In particular integrated optical modulators are used for control of various optical signals parameters: amplitude, phase and polarization.

High-precision interferometric systems of optical measurements impose unprecedentedly high demands on the parameters of integrated optical modulators, first of all, on the stability of operating characteristics and the extremely low level of introduced noise.

The technology of integrated optical circuits on lithium niobate substrates is one of the basic for the development and production of modern integrated optical modulators [6]. Despite the fact that this technology has been developing for more than 40 years and is at an industrial level, the trends noted above require a new look

and additional research. The sources and mechanisms of noises and optical signal distortions in integrated optical circuits are not well studied, and their physical nature is not fully understood. The relationship of noise with the topology of integrated optical circuits and the parameters of the technological process of their manufacturing is also required clarification.

Thus, the task of identifying the physical mechanisms and nature of the noise in integrated optical circuits, as well as developing methods for its suppression and compensation, remains relevant today, and its solution will open new ways to improve the accuracy of precision optical measurements.

The goal of this work is developing of new methods for the control of integrated optical modulators on lithium niobate substrates to improve their stability and reduce noises in accordance with the requirements of modern high-precision optical measurement systems.

To achieve this goal, a number of tasks should be solved:

- to investigate the processes of the working point drift on the transfer characteristic of Mach-Zehnder modulators, to develop new methods for passive and active stabilization of the working point and to reveal the influence of the stability of the working point position on noise characteristics of amplitude-modulated optical signals;

- to develop new additive optical methods for improvement of characteristics of integrated optical circuits on lithium niobate substrates;

- to study the impact of the photorefractive effect in the crystalline substrate of lithium niobate on the characteristics of basic integrated optical elements (optical power splitters);

- to develop optical methods for modifying and microstructuring metallic nanofilms on the surface of lithium niobate, to study the effect of surface metallic nanofilms and microstructures based on them on the characteristics of titanium-diffuse optical waveguides;

- to apply the developed additive optical methods for improvement of the characteristics of integrated optical circuits on lithium niobate substrates and for increasing extinction ratio of amplitude modulators by means of precise balancing of the Mach-Zehnder interferometer.

The scientific novelty of the work is as follows:

1) for the first time the effect of doping a lithium niobate substrate with copper on the characteristics of the working point drift of electro-optical modulators was investigated;

2) an original electronic circuit design has been developed for stabilizing the working point of the Mach-Zehnder electro-optical modulators with low power consumption which was fed by the optical radiation supplied to the modulator without an additional electrical power supply;

3) for the first time the effect of a photorefractive change in the refractive index of a lithium niobate substrate caused local external illumination on the parameters of waveguide optical direction X-coupler and Y-branch was studied;

4) the effect of a metal nanoscale coating on optical losses and phase delay in a titanium-diffuse waveguide on a lithium niobate substrate was analyzed;

5) a new method has been developed for precise adjusting of waveguide components characteristics by laser modification of a thin metal film;

The value for applications is as follows:

1) the etching of the dielectric buffer layer and the doping of the lithium niobate substrate with copper could be used for the limiting of the working point drift and reducing the time for reaching a modulator steady state operation;

2) the proposed method of precise setting and active stabilization of the working point of the dual output Mach-Zehnder integrated optical modulator does not use of additional pilot modulation and allows a realization of balanced detection with an effective suppression of laser random intensity noise by 20 dB in a wide frequency band up to 3 GHz;

3) the stabilization of an integrated optical modulator working point without external electrical power supply was demonstrated;

4) the regions of a high sensitivity to a local change in the refractive index on the topologies of waveguide direction X-coupler and symmetrical Y-branch were determined;

5) a commercially available pump laser for erbium-doped fiber amplifiers was used for the precise micro-modification of metal nanofilms on lithium niobate substrates;

6) an original optical probe setup for additive adjustment and improvement of lithium niobate integrated optical circuits was designed and produced;

7) an increase of extinction ratio of Mach-Zehnder modulators by more than 18 dB was experimentally demonstrated.

Scientific theses for proving:

1. Etching of the buffer layer and doping of lithium niobate substrate by copper limit the "slow" component of the working point drift in the range less than 1 V and reduce the time of exit to a steady state to 20 sec.

2. The method of the quadrature working point stabilization of a dual output Mach-Zehnder modulator with respect to ratio of output optical power levels allows balanced detection, reduction of synphase random intensity noise of laser by 20 dB, and can be implemented in a low-power consuming scheme and fed by input light intensity without additional electrical power supply.

3. The photorefractive effect can be effectively used for adjusting the splitting ratio of waveguide X-coupler and Y-branch in the range [-1 - 2] % and increase the Mach-Zehnder modulator extinction ratio by more than 16 dB.

4. Local illumination with a threshold intensity of 106 mW/mm2 can be used for selective laser modification and microstructuring of a nanometer metal film on the surface of optical waveguides on lithium niobate substrates and for fine tuning of integrated optical circuits.

Approbation. The main results of the work were reported and discussed at the international scientific conferences CLEO / Europe-EQEC and Photorefractive photonics (PR) in 2017 and 2019, at the international conference SPIE Photonics Europe and the 19th international conference "Laser Optics" in 2018, at the

international Asia communications and photonics conference (ACPC) and at the 6th international conference on modern nanotechnology and nanophotonic for science and industry (ICMNNSI). The author has repeatedly spoken at seminars in Ioffe Institute and ITMO University.

Results reliability. The reliability is confirmed by the agreement of the results of theoretical analysis and numerical modeling with the results of experimental investigations and with data known from the literature. Modern software packages, such as COMSOL Multiphysics®, Maple, Origin were used for mathematical modeling and experimental data processing. Experimental investigations were carried out using modern measuring equipment and proven measurement procedures. Results representing scientific novelty were discussed at scientific conferences and published in peer-reviewed scientific journals.

Applications of the results. The patent for an invention was issued based on the results of the investigations. The results are used in the laboratory of quantum electronics at Ioffe Institute and INOPT LLC for the development and manufacturing of integrated optical modulators for signal processing of fiber-optic sensors including navigation fiber-optic gyroscopes.

Publications. The results were published in 10 peer-reviewed papers. Six of them were in Web of Science or Scopus journals, three were in journals from the list of State Commission for Academic Degrees and Titles.

The structure and scope of the dissertation. The dissertation consists of an introduction, four chapters and a conclusion, set out on 113 pages of typewritten text, contains 53 figures and 2 tables, a list of cited literature is represented by 109 titles.

MAIN CONTENT OF WORK

An actuality of the dissertation topic is argued, the goal and tasks of the work are determined formulated, the scientific novelty of the work is picked out, a practical value of obtained results is shown, and the proved scientific theses are presented in the introduction.

The first chapter of the work is devoted to the review of integrated optical modulators on lithium niobate substrates [7]. A special attention is paid to amplitude modulators based on the Mach-Zehnder interferometer, which got a wide spread in modern optical communication systems. It is noted that the use of integrated optical modulators in systems for the generation, transmission, and processing of broadband analog signals, in particular, in systems of high-precision optical sensors [8], impose stringent requirements on modulators characteristics especially on their stability. In contrast to standard telecommunication applications, modulator parameters such as linearity and extinction ratio become important in these fields of use.

Nonlinear distortions in the frequency band of systems which can be associated with the position of the modulator working point significantly affect the processing of analog signals. Thus, the key task is of accurately setting and stabilizing the operating point of modulators in precision optical measurement systems. This task is complicated by the DC drift [9], the nature of which is not absolutely clear yet.

The Mach-Zehnder modulator extinction ratio could be increased by active adjustment of a control voltage on additional electrodes using a complex feedback control system [10]. However, the practical implementation of this approach is difficult due to the DC drift mentioned early.

The tasks of the dissertation research were formulated based on the review of the literature. These tasks are related to the analysis of mechanisms of the working point drift in modulators on lithium niobate substrates, developing new methods for precise setting and stabilizing the working point, as well as working out new methods for passively adjusting the contrast of waveguide interferometers for compensation of errors and defects which arise at the stage of integrated optical devices fabrication.

The second chapter is devoted to the development of new methods for precise setting and active stabilization of the working point of integrated optical modulators on lithium niobate substrates.

The first part of this chapter surveys of the DC drift of the Mach-Zehnder modulator. Preliminary studies confirmed the existence of two types of the drift, the so-called fast and slow components which are different by nature and characteristic time constants [11].

The slow drift of modulators is characterized by a stabilization time of the order of several hours and is described in the literature by the transfer and accumulation of charges in a parasitic capacitive load formed at the interface of electrodes and an inhomogeneous dielectric substrate. The suppression of the slow component of the drift can be realized by reducing the parasitic capacitance and by the increasing the conductivity of the substrate. Both approaches were tested in the work. The decrease in stray capacitance was realized due to etching of the dielectric buffer layer of silicon oxide in the interelectrode region. The conductivity of the surface layer of the lithium niobate substrate was increased by doping with copper ions by high-temperature diffusion.

A series of experimental samples of Mach-Zehnder high-frequency modulators was fabricated. X-cut substrates of a monocrystalline congruent lithium niobate were used. Optical waveguides were formed by thermal diffusion of titanium [6]. All samples had a configuration of microwave electrodes with a dielectric buffer layer of SiO2. On several samples the SiO2 layer in the interelectrode gap was chemically etched using a hydrofluoric acid containing etchant. A thin metal film of copper (20 nm) was deposited by magnetron sputtering after the waveguides formation and before the electrodes producing on the one sample. Doping of the surface layer under the electrodes was carried out by thermal diffusion at a temperature of 850 ° C for 30 minutes. Electrodes without a dielectric buffer layer were used in a copper doped sample.

To study the drift, an experimental setup with a feedback control system was assembled. The magnitude of the drift was determined as the magnitude of the feedback voltage required to fix the working point of the modulator in the minimum of transfer function. Figure 1 shows the temporal behavior of the slow drift for the

modulator before and after etching of the SiO2 buffer layer and when the substrate was doped with copper.

-2 I-'-1-'-1-■ -2.5-1,-,-1-.-1-.-1-.-1-.-1-,-1-.-1

0 2 4 01234567

Time (hours) T,me (hours)

Figure 1 - The slow drift of the working point of integrated optical modulators on X-cut lithium niobate substrates. a) An influence of the SiO2 buffer layer etching. b) An influence of the

copper doping under the electrodes.

Slow drift was observed as a change in the bias voltage at the input of the modulator. Samples with a dielectric buffer layer did not achieve a stationary mode and continued drifting until the system went beyond the range of control voltage variations. Samples with an etched buffer layer successfully went into stationary mode. The stationary mode reaching time was up to 10 hours and depended on the magnitude of the initial voltage at the electrodes. A typical time dependence was an RC circuit transient curve with a time constant of 1.7 hours. The drift occurred in the direction of the applied voltage decreasing. Doping the substrate with copper ions significantly changed the drift picture. An increase in the conductivity of the surface layer increased the rate of charge relaxation on parasitic capacitances. The time dependence of the drift voltage shown in figure 1b) is described by the sum of two exponential dependences with different time constants of 7.5 minutes and 9.5 hours respectively. This indicates the appearance of an additional charge transfer channel. The effect of the doping becomes more pronounced with an increase in the initial bias voltage and makes it possible to reduce the slow drift range by more than 2 times compared with a modulator without doping at high bias values.

Fast drift in the Mach-Zehnder modulators was investigated at step-like switching of the control voltage. A characteristic transient time of the fast drift was

several seconds. The jump of applied voltage amplitude was 10 times greater than half-wave voltage for a more pronounced fast drift could be observed.

Fast drift is associated with a nonuniform current of charges between the electrodes due to the anisotropic properties of the substrate [12] which inevitably appear in the planar configuration of the electrodes of the integrated optical modulator (Figure 2a). The difference in resistances and capacitances in the direction perpendicular to the surface and in the direction along the surface of the crystalline substrate can be described by an equivalent electrical circuit with resistance and capacitance dividers (Figure 2b). The change in the field inside the crystal is associated with transients from the initial state of the capacitor divider to the state of the resistance divider as the capacitors charged. The applicability of this model was confirmed by a control experiment with a bulk electrooptical phase modulator in one of the arms of a Mach-Zehnder free space interferometer. In this configuration, the applied electric field was directed strictly along the optical axis (Z) of the lithium niobate crystal. The fast drift was practically imperceptible and amounted to less than 1% of the half-wave voltage (Figure 3b).

Figure 2 - Anisotropy of the crystalline lithium niobate substrate as a reason for the fast drift in integrated optical modulators. a) The configuration of planar electrodes on the X-cut lithium niobate substrate. b) The equivalent electronic circuit for describing fast drift.

The fast drift component was well pronounced for experimental samples of integrated optical modulators. Figure 3a shows plots of the bias voltage change caused by fast drift. The smallest amplitude of fast drift corresponds to a sample with the SiO2 buffer layer. The amplitude of fast drift increased and reached comparable to the half-wave voltage values on samples with an etched buffer layer and with copper doping, in the contrary to the slow drift which decreased.

Figure 3 - Fast drift behavior. a) Mach-Zehnder modulators. b) Bulk electrooptical phase

modulator.

This transient cannot be described by a simple exponential law and strongly depends on the previously applied voltage and external conditions (temperature and humidity). The physical nature of such a complex behavior is not fully understood. There are models which explain this behavior by the mobility of charged defects and OH groups or other ions in the surface layer of a lithium niobate substrate as well as by a barrier layer at the metal-crystal interface.

Thus, the stabilization systems with feedback control should be used for an effective fast drift component compensation. Etching of the SiO2 buffer layer and doping with copper should be used to reduce slow drift and reduce the necessary output voltage range of the active stabilization system.

The second part of the first chapter is devoted to the development of a stabilization system for the working point. The requirements for stabilization of the working point of modulators as part of signal processing systems for precision optical sensors are as follows: a) the accuracy of the working point setting on the

modulator transfer function is 10-3 V; b) a time constant of less than 20 ms; c) the absence of noises and distortions added to the optical signal. The method of the working point stabilization with a pilot tone [13] which ensures very high accuracy of the working point setting not applicable due to latter reason since it introduces additional noise. An original method of stabilization of the working point of the Mach-Zehnder modulator with double output was developed in thesis work. The output optical power splitter in the Mach-Zehnder optical waveguide interferometer was made as a directional X-coupler (Figure 4) which provided double output. The optical signal in the two output channels of the modulator changed out of phase when a modulating voltage was applied. A balanced detection could be used to provide the necessary high accuracy of the modulator working point setting without any pilot modulation. The ratio of CW optical power at the two outputs of the modulator was used in the PID control system for calculation of the bias control voltage necessary for the working point drift compensation. This ratio is strictly equal to 1 for a quadrature working point. An arbitrary working point on the modulator transfer function can be chosen by setting the corresponding ratio in the PID control system.

Figure 4 - Integrated-optical modulator with dual output used in optical analog systems with balanced detection and the control circuit for the working point stabilization.

An original electronic circuit has been developed for the proposed method demonstration. A specialized digital signal processing (DSP) chip based on the ARM Cortex-M3 core was chosen as a platform for implementing the PID controller

and made it possible to reduce the system power consumption to 5 mW with a regulator time constant of 12 ms and an output voltage range [-10; 10] V. Such a low power consumption, as well as a small size, allows to place the electronic circuits in the same package with the modulator chip and to use a photoelectric converter as a power source, that is, to powering stabilization system directly from the input light without additional electric power. This is especially interesting for stand-alone systems such as remote antennas. Experiments were performed with the commercially available Kyosemi KPC8-T photoelectric converter (Figure 5) which showed that an optical power of 15 mW (1550 nm) at the input of the photoelectric converter was enough for stable operation of the modulator working point stabilization system.

Figure 5 - The demonstration of optical poweing of the modulator working point

stabilization system.

Experiments on common-mode noise suppression using balanced detection of optical signals from a dual-output modulator were performed (Figure 6) for demonstration accuracy of the working point setting and the low level of introduced noises. This approach can be effectively used in signal processing systems of fiberoptic sensors for random intensity noise (RIN) suppression. An effective suppression by almost 20 dB in the frequency band of more than 2 GHz was demonstrated which indicates a high accuracy of the quadrature working point setting without any additional noise introduced by the operating point stabilization system.

10

a)

4 o

■o

c

5 »

o

■o

Cl U1 L ] b Jí II 3 ( t^ 1 l í 1 I! 1

Frequ e ncy, G Hz Fneq u e ncy, GHz

Figure 6 - a) An increase of the gain in an analog fiber-optic line with balanced detection. b) The suppression of common mode signal at the quadrature working point of the modulator.

Chapter 3 presents the results of studies of the photorefractive tuning of waveguide optical power splitters. The tuning of splitters could be used for the increase of an extinction ratio of integrated optical modulators based on Mach-Zehnder interferometers. It is known that a lithium niobate crystal has a pronounced photorefractive effect [14] which leads to a change in the refractive index in the illumination region. The impact of this effect on the propagation of light along optical waveguides is usually regarded as spurious [15] leading to a deterioration of characteristics. In this work, on the contrary, it was proposed to use the photorefractive effect for precise adjustment of the coupling ratio of waveguide optical power splitters and increasing of the extinction ratio of Mach-Zehnder modulators.

The idea of the tuning method is based on making a local correcting perturbation of the refractive index of the substrate. Since the characteristic photorefractive change in the refractive index in lithium niobate is ~ 10-4-10-3 [14] and it is comparable with the difference in the refractive indices of optical waveguides and the substrate, it was suggested that it can have an effective influence on the light propagation in optical waveguides.

Balanced detector

Si ngle detector

a)

b)

Figure 7 - Topology of integrated optical power splitters: a) directional X-coupler; b)

symmetrical Y-branch.

A numerical simulation using the beam propagation method (BPM) [16] was performed in order the most sensitive areas of waveguide optical power splitters were found. Two basic configurations were analyzed (Figure 7): a directional X-coupler and a symmetrical Y-branch. These configurations fundamentally differ in the optical power splitting mechanism. A directional X-coupler is an amplitude divider (waveguide analog of a semi-transparent mirror), and a symmetrical Y-branch is a wavefront divider (waveguide analog of two closely spaced diaphragms). The results of the analysis of the influence of local change in the refractive index on the splitting ratio of the waveguide TE mode with linear polarization parallel to the surface of the substrate are presented in Figure 8. The change of the refractive index in the form of a rectangular region of size 10x10 ^m with a uniform decrease by Anpr =-0.001 was considered.

a)

b)

-0.5

■15 -10 -5 0 5 10 15

Z, um

100 200 300 400 Y,

Figure 8 - The splitting ratio change caused by external illumination in different positions (circles are the results of numerical modeling, squares are experimental results): a) direction X-coupler (Y = 4 p,m, the illumination region moved along Z); b) a symmetrical Y-branch (Y = 0.65 p,m, the illumination region moved along Z); c) a symmetrical Y-branch (the illumination

region moved along one arm of the branch).

As was shown by the numerical model the most effective tuning of the splitting ratio of the directional X-coupler corresponds to the illumination of the center of the inter-waveguide region where the fields of the coupled waveguide modes have the largest overlap integral. The illumination of the waveguides where the highest intensity is concentrated does not have a significant effect on the splitting ratio.

For the configuration of a symmetrical Y-branch, on the contrary, the maximum effect on the splitting ratio is observed when one of the waveguide arms is exposed directly, and a local decrease in the refractive index leads to a decrease in the optical power at this output arm.

An original optical probe setup was designed and built (Figure 9) for experimental demonstration of the photorefractive tuning of integrated optical circuits on lithium niobate substrates. A single-mode fiber optical probe was positioned at a distance of 1 - 2 ^m from the substrate surface and formed a light spot with a diameter of about 10 ^m on the surface of the substrate. A visible light (He-Ne laser, X = 633 nm, P = 2 mW) with an exposure time of rpr - 300 s was used

for effective photorefractive excitation. The sample was fixed on a 3-axis micro positioning stage. The inputs and outputs of splitters were coupled with optical fibers, so a continuous monitoring of the changes in the splitting ratio was carried. A single-frequency semiconductor laser with 10 mW output light power and 1550 nm wavelength was used for the monitoring of splitting ratio changes.

Figure 9 - Experimental setup for precise adjusting of integrated-optical circuits: 1 is an integrated optical circuit, 2 is 3-axis micro positioning stage, 3 is a source of control laser radiation, 4 is a single-mode optical fiber, 5 is a microscope, 6 is DFB laser (1550 nm), 7 is an attenuator, 8 is a polarization controller, 9 is a photodetector.

The experimental results of photorefractive tuning of the splitting ratio are shown on the same graph as the results of numerical simulation in Figure 8. The maximum changes in the splitting ratio were about 1 - 2%. With the assumption that one imperfect splitter was adjusted, and the second splitter was ideal the change in the splitting coefficient K was converted into a change in the extinction ratio of Mach-Zehnder modulator ER as

ER = 10 • lg

1 + 2yj (1 - K ) K 1 - 2yj (1 - K ) K

(1)

An equivalent increase in the extinction ratio was 10 - 16 dB with an initial value of 30 dB which is a typical for commercially available Mach-Zehnder modulators. Thus, the developed method provides a unique opportunity for fine tuning of fabricated modulators at the stage of packaging. A relatively simple equipment for its implementation and the ability to erase the change in case of an unsatisfactory result are clear advantages of the method which can be widely used to optimize the characteristics of lithium niobate modulators.

The fourth chapter describes a new method of increasing the extinction ratio of Mach-Zehnder integrated optical modulators by precision balancing the optical losses in the arms of the interferometer. It was proposed that the loss in optical waveguides could be changed by optical modification of a nanometer surface metal film.

The first section of the chapter presents the results of a theoretical analysis of the effect of a surface metal film on the loss of an optical waveguide. A simplified beam model was used (Figure 10a), where the channel diffuse waveguide in lithium niobate was replaced by a planar waveguide with a stepped refractive index profile.

In accordance with the beam model, the power loss coefficient is described by the expression

1 - RR

a =-^, (2)

2^ tgp

where = 1 corresponds to the total internal reflection at the substrate boundary, and the reflection from the metal film depends on its thickness as

r12 + r23eXP (iS)

R =

1 + r12r23 eXP(

~ O 2nd

8 = 2-cos#,

where n = s' + is" is the complex refractive index of the film, r12 and r23 are the reflection coefficients from the boundaries of the metal film calculated by the Fresnel formulas.

Note that the film will have a different effect on the loss of two fundamental orthogonally polarized modes of the optical waveguide. Optical losses are due to both attenuation of optical radiation in the thickness of the metal film and light leakage due to violation of the conditions of total internal reflection and are strongly dependent on the film thickness. Figure 10b presents the theoretical dependences of the linear optical loss at a wavelength of 1550 nm for two polarization modes on the thickness of the metal film. The calculations were made for titanium-diffuse waveguides on niobate substrates with An = N - n = 0.001, W = 7 ^m and titanium was considered as the material of the surface metal film. The choice of titanium is determined by such material characteristics as good adhesion to the substrate of lithium niobate and a strong influence on the optical mode.

n Film width, nm

Figure 10 - The effect of a thin metal film on the surface of the waveguide a) a beam model; b) calculated dependence of linear optical losses on the thickness of metal film.

It can be noticed in the dependences in figure 8 that the effect of the film is significantly different for different polarization modes. For TM polarization, the losses increase with increasing film thickness. A small maximum is observed at a film thickness of about 40 nm which is associated with plasmon - polariton resonance [17]. The losses drop sharply with increasing film thickness and become less than 0.3 dB / mm with a thickness of more than 100 nm for the TE mode. This behavior is widely used for producing integrated optical polarizers. In this case, a significant effect on TE mode was more interesting, because namely TE mode is

used in the most common integrated optical-Mach-Zehnder modulators on X-cut lithium niobate substrates. A strong effect of the metal film on the loss is observed for thicknesses less than 10 nm for the TE mode.

Experiments on the measurements of additional linear optical losses in diffuse channel waveguides on a lithium niobate substrate introduced by a metal film were carried out in order the results of theoretical analysis to be confirmed. A set of samples of direct channel titanium-diffuse waveguides with a 5 nm thick titanium metal film deposited onto the surface by magnetron sputtering was prepared on substrates of X-cut lithium niobate. The measured losses for the experimental samples were 0.95 and 1.3 dB / mm for the TE and TM modes, respectively which is in good agreement with the theoretical results obtained on the basis of a simplified beam model. An experiment on the chemical etching of the film was carried out. A rapid increase in optical losses for the TE mode was observed with decreasing film thickness during etching. A stepwise decrease in losses during complete etching of the film also agrees with the dependence obtained from the calculation using the beam model.

The possibility of using an optical probe setup to perform point modification of the metal coating of waveguides and to perform high-precision adjustment of optical losses was investigated. The same setup as in the study of the photorefractive tuning of optical power splitters (Figure 9) was used. The only difference was that a more powerful light source was used to act on the metal film, namely a pump laser diode for erbium-doped amplifiers with a wavelength of980 nm and an output power of 600 mW. The minimum diameter of the illumination region was 10 ^m, and the light intensity on the substrate surface was ~ 106 mW / mm2. An increase in the transparency of the metal film in the visible range was observed (Figure 11) in the field of exposure to optical radiation. The optical probe was scanned in the direction perpendicular to the direction of the waveguide at a distance of 50 ^m at a speed of ~ 1 mm/s for the whole cover of the optical waveguide by the irradiation area. The region of film modification by a single pass through an optical microscope was visible in the form of a more transparent strip with a width of ~ 6 ^m. The extended

sections of the modified film on the surface of the channel optical waveguide were obtained by zigzag scanning, when after each single pass across the direction of the optical waveguide, the probe was displaced along the direction of the optical waveguide with a step of 10 ^m. The optical modification of the titanium film led to a decrease in linear waveguide losses by 1.05 and 1.4 dB/mm for TE and TM polarization modes respectively.

N Polyline Profile AX—23 6680 jjm \Z-0 0107 ^

c)

R

Figure 11 - Results of optical modification of a titanium film: a) image from an optical microscope, b) image from an optical profilometer, c) profile of the zigzag scan.

Investigations of the modified sections of the film using an optical profilometer, as well as electron and atomic force microscopes showed that in the field of optical modification, the surface swelled to a height of about 15 nm relative to the surface of the metal film. X-ray photoelectron spectroscopy revealed spectral lines corresponding to the formation of titanium oxy nitride in the modification regions.

The proposed optical loss control method was used to balance the losses in the arms of the Mach-Zehnder interferometer. An experimental sample of the

modulator was made. A small region (~ 3 mm) of both two arms of the waveguide interferometer was covered with a titanium film 5 nm thick. The total optical losses in the modulator without taking into account losses on coupling to optical fiber was 4.5 dB. The estimation of the additional losses introduced by the metal film is 3 dB. The optical modification of the film was carried out with continuous monitoring of the modulator extinction ratio by the level of output optical power at the transfer function minimum (Figure 12). The balancing was carried out using following procedure. A test modification of a small portion of the film was made on an arbitrary arm of the modulator. If an increase in extinction ratio was observed, a zigzag scanning of the probe continued until the increase in extinction ratio gave way to a decrease in extinction ratio. If initially a decrease in the extinction ratio was observed, the modification of the titanium film on the other arm of the interferometer was proceed.

Figure 12 shows the transfer function of the modulator before and after balancing the optical loss. The magnitude of the extinction ratio increase depended on the position of the working point, since the application of an electric field introduced additional asymmetry into the interferometer. The maximum experimentally achieved increase in extinction ratio was 17 dB, up to 47 dB at the first zero of the transfer function (~ 2.5 V). A further increase in extinction ratio was limited by the characteristic of the measurement system and also by the resolution along the length of the modified section. It should be noted that the described adjustment can be performed at the final stage of modulator fabrication process at the stage of assembly into the package.

o

\ 10 dB

\ 13 dB

\ 15.5 dB

17 dB

•so4 . , .

•10

•5

0

Bids volt.Mjf [V]

10

Figure 12 - The transfer characteristic of the modulator before (black) and after (gray) adjusting

In conclusion, the main results of the work are formulated:

- The conducted experimental studies showed the possibility of reducing the range of slow drift of the working point of the Mach-Zehnder integrated optical modulators made on lithium niobate substrates by removing the dielectric buffer sublayer between the electrodes and doping the region of the electrodes with copper ions.

- The system for the working point stabilization of a dual output Mach-Zehnder modulator has been developed and demonstrated high accuracy and low noise level.

- The low-power consumption allowed powering the working point stabilization system by a light supplied to the modulator. A high accuracy and stability of the working point setting was confirmed in experiments on the suppression of synphase random intensity noise of laser diodes.

- An original method of photorefractive adjustment of the splitting ratio of waveguide optical power splitters was proposed. The most sensitive areas to local changes in the refractive index were determined for two basic topologies: a directional X-coupler and a symmetric Y-branch. The possibility of adjusting the splitting ratio of integrated optical splitters on a lithium niobate substrate in the

the modulation contrast.

range of 1 - 2% was demonstrated which can be used for the Mach-Zehnder integrated optical modulator extinction ratio increasing by almost 16 dB.

- The technique for optical modification of a nanometer metal film was proposed for precise control of waveguides optical losses.

- An optical probe setup for precise tuning of the characteristics of integrated optical circuits on lithium niobate substrates was designed and built. The Mach-Zehnder modulator extinction ratio was adjusted and the increase from 30 to 47 dB was experimentally demonstrated.

AUTHOR'S PAPERS

In journals from the list of State Commission for Academic Degrees and Titles: A1. Petrov A.N., Tronev A.V., Lebedev V.V., irichev I.V., Velichko E.N.,

Shamrai A.V. An increase in the transmission efficiency of an RF fiber-optic line using the working point of an external modulator // Tech. Phys. 2015. Vol. 60, № 5. P. 761-766. A2. Karavaev P.M., irichev I.V., Agruzov P.M., Tronev A.V., Shamray A.V. Polarization separation in titanium-diffused waveguides on lithium niobate substrates // Tech. Phys. Lett. 2016. Vol. 42, № 5. P. 513-516. A3. Parfenov M.V., Tronev A.V., Ifichev I.V., Agruzov P.M., Shamrai A.V. Photorefractive Correction of the Coupling Ratio of an Integrated Optical Directional X-Coupler on a Lithium Niobate Substrate // Tech. Phys. Lett. 2019. Vol. 45, № 3. P. 187-189. In journals from Scopus/WoS list:

A4. Tronev A.V., Parfenov M.V., Dolbik D. D., Agruzov P.M, Ilichev I.V., Shamray A.V. Photorefractive trimming of Ti in-diffused waveguides for high performance lithium niobate photonic integrated circuits // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. Т. 867. С. 12-15. A5. Tronev A., Zuev D., Makarov S., Stepanov S., Agruzov P., Ilichev I., Shamray A. Femtosecond laser micro-inscription and machining for high performance lithium niobate photonic integrated circuits // 2017 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC). Munich: IEEE, 2017. С. 1-1. A6. Tronev A.V., Parfenov P.M., Agruzov P.M., Ilichev I.V., Shamrai A.V. Fabrication of high-performance lithium niobate photonic integrated circuits using laser microtrimming // 3D Printed Optics and Additive Photonic Manufacturing / под ред. G. von Freymann, A.M. Herkommer, M. Flury. Strasbourg, France: SPIE, 2018. С. 35-35. A7. Tronev A.V., Ilichev I.V., Agruzov P.M., Parfenov M.V.; Shamray L.V., Shamray A.V. Extinction Ratio Improvement of Lithium Niobate Modulators

for Quantum Communication Systems // 2018 International Conference Laser Optics (ICLO). St. Petersburg: IEEE, 2018. С. 438-438. A8. Tronev A.V., Parfenov M.V., Agruzov P.M., Ilichev I.V., Shamray A.V. Performance Improvement of Lithium Niobate High Extinction Ratio Modulators by Means of Photorefractive Trimming // Asia Communications and Photonics Conference. Guangzhou, Guangdong: OSA, 2017. С. S3J.4. Patents:

A9. Тронев А.В., Ильичев И.В., Агрузов П.М., Парфенов М.В., Шамрай А.В. Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития // Патент 2646546; заявка от 26.12.2016 № 2016152103; опубликован 05.03.2018.

Other papers:

A10.Тронев А.В., Ильичев И.В., Агрузов П.М., Парфенов М.В., Шамрай А.В. Фоторефрактивное управление коэффициентом деления интегрально-оптических разветвителей на кристаллах ниобата лития // Фотон-Экспресс - 2017. - Т. 6. - № 6. - С. 108-109.

REFERENCES

1. Jing Jin h gp. In-Orbit Performance Evaluation of a Spaceborne High Precision Fiber Optic Gyroscope // Sensors. 2018. T. 18. № 2. C. 106.

2. Kimura A. h gp. A sub-nanometric three-axis surface encoder with short-period planar gratings for stage motion measurement // Precision Engineering. 2012. T. 36. № 4. C. 576-585.

3. Abbott B.P. h gp. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger // Phys. Rev. Lett. 2016. T. 116. № 6. C. 061102.

4. Vahlbruch H. h gp. Detection of 15 dB Squeezed States of Light and their Application for the Absolute Calibration of Photoelectric Quantum Efficiency // Phys. Rev. Lett. 2016. T. 117. № 11. C. 110801.

5. Campagnolo L. h gp. Flow profile measurement in microchannel using the optical feedback interferometry sensing technique // Microfluid Nanofluid. 2013. T. 14. № 1-2. C. 113-119.

6. Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Applied Physics Reviews. 2015. T. 2. № 4. C. 040603.

7. Chen A., Murphy E. Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications: CRC Press, 2011. 571 c.

8. Zhang H. h gp. On-chip modulation for rotating sensing of gyroscope based on ring resonator coupled with Mach-Zehnder interferometer // Sci Rep. 2016. T. 6. № 1. C. 19024.

9. Salvestrini J.P. h gp. Analysis and Control of the DC Drift in LiNbO3-Based Mach-Zehnder Modulators // J. Lightwave Technol. 2011. T. 29. № 10. C. 1522-1534.

10. Ogiso Y. h gp. High Extinction-Ratio Integrated Mach-Zehnder Modulator with Active Y-Branch for Optical SSB Signal Generation // IEEE Photonics Technology Letters. 2010. T. 22. № 12. C. 941-943.

11. Yamada S., Minakata M. DC Drift Phenomena in LiNbO3Optical Waveguide Devices // Japanese Journal of Applied Physics. 1981. T. 20. № 4. C. 733-737.

12. Ponomarev R.S. h gp. Short-term DC-drift in integrated optical Mach-Zehnder interferometer / nog peg. V.A. Andreev h gp. Kazan, Tatarstan, Russian Federation: , 2012. C. 841008.

13. Fu Y. h gp. Mach-Zehnder: A Review of Bias Control Techniques for Mach-Zehnder Modulators in Photonic Analog Links // IEEE Microwave. 2013. T. 14. № 7. C. 102-107.

14. Chen F. Optically induced change of refractive indices in LiNbO3 and LiTaO3 // Journal of applied physics. 1969. T. 40. № 8. C. 3389-3396.

15. Sathian J., Jaatinen E. Reducing residual amplitude modulation in electro-optic phase modulators by erasing photorefractive scatter // Optics express. 2013. T. 21. № 10. C. 12309-12317.

16. Neyer A. h gp. A beam propagation method analysis of active and passive waveguide crossings // Journal of lightwave technology. 1985. T. 3. № 3. C. 635642.

17. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. : Springer US,

2007.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Актуальность работы

За последние десятилетия интерференционные оптические датчики прочно заняли свою нишу в высокоточных измерениях различных физических величин. При этом требования к точности измерений неуклонно повышаются с развитием современных технологий. Например, современные навигационные системы требуют разработки волоконно-оптических гироскопов класса точности 10-2 угловых градуса/час или выше [1], развитие нанотехнологий ставит задачу измерения перемещений с точностью в доли нанометров [2] и др. Отдельно стоят задачи фундаментальных исследований, например регистрации следов новых элементарных частиц и гравитационных волн [3]. Во всем мире активно ведутся работы, связанные с повышением чувствительности интерференционных оптических датчиков до уровня, ограниченного фундаментальным пределом квантовых шумов, а в некоторых случаях превышающей данный предел [4].

Для борьбы с шумами и паразитными сигналами, ограничивающими чувствительность оптических интерферометров, широко используется активная стабилизация и компенсация с использованием систем регулирования с обратной связью [5], где предварительная обработка оптических сигналов может быть реализована с использованием интегрально оптических схем, в частности интегрально оптических модуляторов, осуществляющих управление различными параметрами оптических сигналов: амплитудой, фазой и поляризацией.

Прецизионные интерферометрические системы оптических измерений предъявляют беспрецедентно высокие требования к параметрам интегрально -оптических модуляторов, прежде всего, к стабильности рабочих характеристик и предельно низкому уровню вносимых в линию шумов.

Технология интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития является одной из базовых для разработки и производства современных интегрально-оптических модуляторов [6]. Несмотря на то, что данная технология развивается уже более 40 лет и находится на промышленном уровне, отмеченные выше тенденции требуют нового взгляда и дополнительных исследований. Однако, источники и механизмы возникновения шумов и преобразований оптического сигнала в интегрально -оптических схемах недостаточно изучены, а их физическая природа в полной мере не ясна, поскольку существующие теоретические модели не дают полную картину преобразования фазы, амплитуды и поляризации оптического излучения. Также, недостаточно изучена связь шумов с топологией интегрально-оптических схем и параметрами технологического процесса их изготовления.

Таким образом, задача выявления физических механизмов и природы возникновения шумов в интегрально-оптических схемах, а также разработки методов их подавления и компенсации остается актуальной на сегодняшний день, а ее решение откроет новые пути повышения точности прецизионных оптических измерений.

Целью данной работы является разработка новых методов управления параметрами интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития для улучшения их стабильности и снижения уровня шумов в соответствии с требованиями современных систем оптических прецизионных измерений.

Для достижения поставленной цели требуется решение ряда задач:

- изучить процессы дрейфа рабочей точки на передаточной характеристике модулятора Маха-Цендера, разработать новые методы пассивной и активной стабилизации рабочей точки и выявить влияние

стабильности положения рабочей точки на шумовые характеристики амплитудно-модулированных оптических сигналов;

- разработать новые аддитивные оптические методы улучшения характеристик интегрально оптических схем на подложках ниобата лития;

- исследовать влияние фоторефрактивного эффекта в кристаллической подложке ниобата лития на характеристики базовых интегрально-оптических элементов (делителей оптической мощности) при их локальной внешней засветке;

- разработать оптические методы модификации и микроструктурирования металлических наноплёнок на поверхности ниобата лития, исследовать влияние поверхностных металлических наноплёнок и микроструктур на их основе на характеристики титан-диффузных оптических волноводов;

- использовать разработанные аддитивные оптические методы улучшения характеристик интегрально оптических схем на подложках ниобата лития для повышения контраста амплитудных модуляторов путем высокоточной балансировки плеч интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера.

Научная новизна работы заключается в следующем:

6) впервые исследовано влияние легирования подложки ниобата лития медью на характеристики дрейфа рабочей точки электрооптических модуляторов;

7) разработано оригинальное схемотехническое решение системы стабилизации рабочей точки электрооптических модуляторов Маха-Цендера с низким энергопотребление и питанием от подаваемого на модулятор оптического излучения (без дополнительного электрического питания);

8) впервые детально исследовано влияние фоторефрактивного изменения показателя преломления подложки ниобата лития при локальной внешней засветке на параметры волноводных делителей оптической мощности X- и Y- типа;

9) впервые проведен анализ влияния металлического наноразмерного покрытия на оптические потери и набег фазы в титан-диффузном волноводе на подложке ниобата лития;

10) разработан новый метод прецизионной подстройки характеристик волноводных компонентов путем лазерной модификации тонкой металлической пленки;

Практическое значение работы состоит в следующем:

8) показано что травление диэлектрического буферного слоя и легирование подложки ниобата лития медью ограничивает дрейф рабочей точки и снижает время выхода модуляторов в стационарный режим;

9) предложенный в работе метод активной стабилизации рабочей точки интегрально-оптического модулятора Маха-Цендера с двумя выходами устанавливает рабочую точку модулятора точно в заданном положении без использования дополнительной модуляции тоновым сигналом, что позволяет с использованием балансного детектирования реализовать эффективное подавление шумов интенсивности лазерного излучения на 20 дБ в широкой полосе частот до 3 ГГц;

10) продемонстрирована возможность стабилизации рабочей точки интегрально-оптических модуляторов без внешнего электрического питания;

11) в топологиях волноводных делителей оптической мощности Х и Y типа определены области наибольшей чувствительности к локальному изменению показателя преломления;

12) продемонстрирована возможность использования коммерчески доступных полупроводников лазеров накачки волоконных эрбиевых усилителей для прецизионной микро-модификации металлических нано-пленок на подложках ниобата лития;

13) разработана и изготовлена оригинальная оптическая зондовая установка для аддитивной подстройки и улучшения характеристик, изготовленных на подложках ниобата лития интегрально-оптических схем;

14) экспериментально продемонстрировано повышение контраста модуляторов Маха-Цендера более чем на 18 дБ.

Положения, выносимые на защиту:

5. Травление буферного слоя, а также дополнительное легирование медью подложки ниобата лития ограничивает «медленную» составляющую дрейфа рабочей точки до уровня менее 1 В, и снижает время выхода в стационарный режим до 20 сек.

6. Метод удержания квадратурной рабочей точки модулятора Маха-Цендера с двойным выходом, использующий стабилизацию по отношению уровней оптической мощности, позволяет при балансном детектировании снизить уровень синфазных помех и шумов интенсивности лазерного излучения на 20 дБ, может быть реализован в исполнении с низким энергопотреблением и питанием от подаваемой на модулятор оптической мощности без дополнительного электрического питания.

7. Фоторефрактивный эффект может эффективно использоваться для компенсации технологических ошибок изготовления интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития: подстройки коэффициента деления волноводных X- и Y-разветвителей в диапазоне [-1 - 2] % и улучшения контраста модулятора Маха-Цендера более чем на 18 дБ.

8. Локальная засветка с пороговой интенсивностью 106 мВт/мм2 может быть использована для селективной лазерной модификации и микроструктурирования нанометровой металлической пленки на поверхности оптических волноводов на подложках ниобата лития и точной подстройки интегрально-оптических схем.

Глава 1. Обзор литературных источников по теме исследования

Интегрально-оптические схемы на подложке ниобата лития (ЫМЬ03) находят всё большее применение в областях науки и техники, связанных с генерацией и обработкой оптических сигналов. В условиях непрерывного развития технологий, вызванного, в первую очередь, массовым распространением широкополосного доступа в интернет и внедрением мобильных сетей пятого поколения, наиболее востребованными устройствами на подложке ниобата лития являются электрооптические модуляторы. Традиционно основной областью применения электрооптических модуляторов остаются цифровые телекоммуникационные сети, однако, в последние годы наблюдается всё больший интерес к аналоговым оптическим линиям с амплитудной модуляцией для передачи высокочастотных сигналов на большие расстояния [1]. В первую очередь, это устройства опроса и регистрации отклика в оптических измерительных системах, в том числе, распределенных массивы оптических датчиков, где интегрально-оптические модуляторы на подложках ниобата лития используются для генерации импульса опроса, а также более сложные интерферометрические схемы детектирования, где они используются для оптического управления и формирования сигналов обратной связи. Кроме того, это сети Каёю-оуег-йЬег, где интегрально-оптические модуляторы используются для распределения широкополосного радиочастотного аналогового сигнала по оптической линии до пассивных антенных модулей [2], системы радиофотоники, квантовой криптографии и другие приложения с повышенными требованиями к качеству передаваемого сигнала.

Ниобат лития - сегнетоэлектрический двулучепреломляющий кристалл, относящийся к кристаллографической группе т3 и обладающий выраженной собственной поляризацией вдоль оси Ъ [3]. Показатели преломления по и пе

для обыкновенного и необыкновенного луча, соответственно, равны 2,21 и 2,13 для длин волны 1,55 мкм[4]. Температура Кюри составляет 1483 К,

материал стабилен при комнатной температуре. Помимо сегнетоэлектрических свойств, в кристалле ниобата лития выражены пироэлектрический, фотовольтаический, а также электрооптический эффекты. Именно благодаря ярко выраженному линейному электрооптическому эффекту, ниобат лития имеет значительные преимущества перед другими электрооптическими материалами как материал для изготовления электрооптических модуляторов. Благодаря большому значению электрооптического коэффициента г33, для управления интегрально-

оптической схемой на подложке ниобата лития, требуются сравнительно небольшие электрические напряжения. Малое время электрооптического отклика позволяет создавать эффективные широкополосные электрооптические модуляторы с частотами управляющих сигналов до десятков, и даже сотен гигагерц [5].

Рисунок 1.1 - Конфигурации интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата

лития: а) Х-срез, б) Ъ-срез.

Электрооптические модуляторы чаще всего изготавливаются на подложках Х-среза или 7-среза кристалла ниобата лития, их топология приведена на рисунке 1.1. В обоих случаях, наибольшая амплитуда модуляции при равном напряжении смещения достигается тогда, когда направление электрического поля совпадает с кристаллографической осью Ъ кристалла ниобата лития. Как показано на рисунке 1.1а, на подложке Х-среза, оптический волновод формируется в подложке между электродами и направлен вдоль оси У, при этом в центре оптического волновода направление приложенного электрического поля параллельно поверхности подложки и

совпадает с осью Ъ. Изменение показателя преломления в этом случае описывается формулой:

Дп2 =-, (1.1)

где Е - проекция на ось Ъ вектора напряженности электрического поля, появившегося при приложении модулирующего напряжения к электродам. В модуляторах на подложке Ъ-среза, свет распространяется вдоль оси Х кристалла (рисунок 1.1б), оптический волновод формируется под одним из электродов и поле Е в этом случае приложено перпендикулярно к поверхности подложки.

Раздел 1.1 Модулятор Маха-Цендера

Наиболее широкое распространение в настоящее время получила схема электрооптического модулятора на основе интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера, топологическая схема которого приведена на рисунке 1.2а [6; 7].

Напряжение, которое формируется пленочными электродами на поверхности кристалла, в такой схеме оказывается противоположным для плеч интерферометра, что приводит к изменению показателя преломления одного плеча относительно другого благодаря линейному электрооптическому эффекту в кристаллах ниобата лития. Относительное изменение показателя преломления между плечами интерферометра ведет к изменению разности фаз сигналов, складываемых на выходе интерферометра [8]. Максимальное значение выходной оптической мощности достигается в схеме 1х1 в случае, когда сигналы в двух плечах интерферометра синфазные. Максимальное затухание достигается, когда сигналы плеч складываются в выходном разветвителе в противофазе [9]. В схеме 1х2 на выходе модулятора присутствует направленный оптический делитель, соответственно, выходные сигналы такого модулятора сдвинуты друг относительно друга по фазе на п и их интенсивность перераспределяется при изменении напряжения смещения

[10]. Передаточная характеристика модулятора Маха-Цендера периодическая, как показано на рисунке 1.2б.

Рисунок 1.2 - Модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера.

В модуляторах Маха-Цендера на основе эффекта Поккельса, в случае, когда его разветвители симметрично выделяют и складывают сигнал в плечах, коэффициент передачи Т определяется как:

Т = 1 (1 + соб (аУ)),

(1.2)

где V - напряжение смещения модулятора, а - коэффициент пропорциональности. В таком случае, сигнал на выходе сбалансированного модулятора Маха-Цендера может быть представлен в следующем виде:

№ (г )1 ¿Аруг (г)) =

(1.3)

Е (г) =1Е (вгАру (г)Ь + вгАру(г)):

= Е соб

Ауу (г )-*фУ2 (г)

Ьв

Ару2 (г )+1Ару2 (г )Ь

где АУ(У) - разность фаз в плечах интерферометра, У и У2 - напряжение

смещения в его плечах, Ь - длина взаимодействия волноводов интерферометра с электрическим полем пленочных электродов.

Учитывая, что в модуляторах на кристаллах ниобата лития разность фаз между плечами интерферометра линейно зависит от величины приложенного напряжения смещения, выражение (1.3) может быть записано в виде

Е (: ) = А( :) е

М:) _

л/2

С / \ ж \

1 + ооб

/ л ж

V ^тУ

в (:)- VI (:)) 1 е'2""(К1 (:) + (:))

(1.4)

где Ул - полуволновое напряжение, соответствующее изменению разности фаз на л. Для современных коммерческих модуляторов Маха-Цендера характерны значения полуволнового напряжения в переделах от 3 до 5 В [1113]. При использовании модулятора в С-диапазоне входного оптического излучения (от 1528.77 нм до 1568 нм), его полуволновое напряжение сохраняется с высокой стабильностью при смещении длины волны источника

[14].

Модулятор Маха-Цендера на подложке ниобата лития отличается от аналогичных устройств, обеспечивающих внешнюю модуляцию оптического излучения, рядом полезных свойств. Полуволновое напряжение модулятора может быть уменьшено путем увеличения длины взаимодействия Ь [15]. В случае несимметричности прикладываемого к плечам интерферометра напряжения, возможно поддержание дополнительной фазовой модуляции выходного амплитудно-модулированного сигнала (чирп). Величиной чирпа можно управлять путем балансировки напряжения смещения: в случае совпадения амплитуд смещения наблюдается полное подавление чирпа [16], в то время как подстройка напряжения в определенном плече позволяет как увеличивать, так и уменьшать величину чирпа в выходном сигнале [17]. Контрастность амплитудной модуляции в выходном сигнале модулятора Маха-Цендера может быть более 25 дБ [18]. Малые оптические потери в модуляторе [19] связаны с минимальным поглощением оптического излучения в инфракрасном диапазоне в ниобате лития [20]. Полоса пропускания очень широкая, более 40 нм [21].

В модуляторе Маха-Цендера ярко выражено влияние топологии электродов модулятора, а также электрических характеристик подложки на величину полуволнового напряжения, которое выражается как

У = А! И ^у1 (х у) 5 (15)

л пътЬ{{ Е (х, у)

Л Лхйу (х I (X, у)

V

где \ - длина волны входного оптического излучения, Ь - длина области

взаимодействия электродов с волноводами интерферометра, I (х, у) -

распределение интенсивности в диффузном волноводе, Е (х, у)/V -

нормированное распределение электрического поля в области взаимодействия, эквивалентное 1/d в случае прямоугольных электродов, где

й - ширина зазора между электродами [22].

При использовании оптических модуляторов в составе высокоточных оптических измерительных систем, наиболее важным требованием является поддержание высокого качества сигнала при выполнении электрооптических преобразований, то есть, обеспечение низкого уровня искажений в выходном сигнале на всей рабочей полосе частот, а также высокого соотношения сигнал/шум. При работе в составе аналоговой оптической линии, качество выходного сигнала модулятора Маха-Цендера определяется временной стабильностью положения рабочей точки, равномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а также его коэффициентом оптической экстинкции.

1.1.1 Дрейф передаточной характеристики

Дрейфом передаточной характеристики в модуляторе называют постепенное изменение напряжения смещения, необходимое для поддержания модулятора в фиксированной рабочей точке [14; 23; 24] Наличие дрейфа является серьезным недостатком модуляторов на подложках ниобата лития, так как из-за него остро встает необходимость в непрерывной подстройке напряжения смещения для фиксации модулятора в оптимальном положении передаточной характеристики.

В качестве основной причины дрейфа передаточной характеристики, в литературе называется внешнее воздействие: изменение температуры, влажности, приложение вибрации, либо деформирующего воздействия. Кроме этого, дрейф передаточной характеристики может быть связан с фотоиндуцированными процессами в подложке ниобата лития, особенно при использовании модулятора совместно с коротковолновыми источниками высокой мощности. Также в литературе отмечаются внутренние источники дрейфа в модуляторах на кристаллах ниобате лития, связанные с пространственными зарядами в подложке и их постепенному стоку [25].

Несмотря на то, что дрейф передаточной характеристики в модуляторах ни ниобате лития известен давно и его исследованию и способами минимизации посвящено много статей, основным методом его компенсации является использование систем автоматической стабилизации рабочей точки с обратной связью по выходному сигналу модулятора [26; 27], а внутренняя природа явления до сих пор остается неизученной. Из применяемых систем автоматической подстройки напряжения смещения, популярными в настоящий момент являются основанные на подаче на вход модулятора «пилотного тона» - низкочастотного синусоидального сигнала и последующим контролем уровня его нелинейных искажений в выходном излучении схемы. Предложенный метод позволяет эффективно фиксировать рабочую точку, однако является технически сложным, так как требует генерации пробного сигнала высокой чистоты от искажений, а также ограничивает рабочий диапазон частот модулятора снизу и уменьшает соотношение сигнал/шум.

1.1.2 Оптическая экстинкция

Оптическая экстинкция, или контрастность модуляции сигнала -отношение интенсивностей выходного сигнала модулятора в максимуме и минимуме передаточной характеристики и выражается в децибелах. При полной симметрии интерферометра в составе модулятора Маха-Цендера,

величина контрастности его модулированного сигнала стремится к бесконечности и проявляется как полное отсутствие сигнала на выходе в минимуме передаточной характеристики. В реальных образцах модулятора неизбежно присутствует асимметрия, которая связана с неидеальным разделением и сложением сигналов в интерферометре, а также с различием оптических потерь в его плечах. Выходной сигнал несимметричного модулятора Маха-Цендера выражается по следующей формуле [16]:

1

Е (: ) = - Ео

2

где

' (: + (: у.)

(1.6)

У= * ^ (1.7)

л/ЕЯ +1

где ЕЯ - коэффициент экстинкции.

При использовании модулятора Маха-Цендера в линии опроса сети распределенных оптических датчиков, его коэффициент оптической экстинкции напрямую определяет соотношение сигнал/шум в выходном сигнале всей системы. Помимо этого, контрастность конкретного модулятора определяет возможность его использования и в других системах. Например, для коммутации оптических сигналов требуются модуляторы с величиной экстинкции 40 дБ [28] и более [29]. При построении цифровых оптических систем связи, требуется контрастность амплитудной модуляции сигнала более 20 дБ, так как разбалансировка интерферометра приводит к возникновению неконтролируемого чирпа [30], уменьшение экстинкции до уровня 10 дБ ведет существенному росту ошибок при цифровой передаче.

Для увеличения коэффициента экстинкции модулятора Маха-Цендера может быть применена активная подстройка коэффициента деления волноводного разветвителей через дополнительные электроды, к которым прикладывается необходимое смещение [31].

1.1.3 Амплитудно-частотная характеристика

На практике амплитудно-частотная характеристика конкретного модулятора Маха-Цендера определяется его электрической полосой пропускания, которая ограничена частотой, на которой амплитуда модуляции уменьшается на 3 дБ по сравнению с амплитудой радиочастотного сигнала на входе модулятора.

В фабричных модуляторах Маха-Цендера, полоса пропускания описывается несколько более сложно, чем затухание, связанное с ростом волнового сопротивления. На амплитудно-частотной характеристике модулятора выделяют ряд аномальных откликов, которые имеют разную природу:

а) дрейф носителей заряда в подложке ниобата лития, описывается как переходной процесс в емкостной нагрузке и наблюдается на частотах до ~ 1 МГц [32];

б) формирование акустических волн на поверхности ниобата лития, наблюдаемое на частотах до ~ 1 ГГц и вызывающее спады АЧХ в пределах 1 дБ [33, р. 3];

в) акустические резонансы в подложке модулятора, вызывающие резкие провалы в АЧХ с шириной до 100 кГц и затуханием до 1 дБ [34];

г) резонансы, связанные с упругой деформацией материала подложки, которые для ниобата лития наблюдаются в полосе до 100 МГц [35] и особенно выражены в модуляторах на 2-срезе кристалла [36].

Раздел 1.2 Интегрально-оптические разветвители

Неизменными компонентами интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера, лежащего в основе электрооптического модулятора, являются интегрально-оптические разветвители. Как уже было обозначено, именно несимметричность разделения и сложения оптических сигналов в плечах

интерферометра, вследствие неизбежных неточностей технологического процесса, приводит к понижению коэффициента экстинкции модулятора и возникновению паразитной фазовой модуляции. Основными типами применяемых разветвителей являются делители волнового фронта - У-разветвители, и делители амплитуды - направленные ответвители.

1.2.1 Направленные ответвители

Применяемые для построения интегрально-оптических модуляторов направленные ответвители на подложке ниобате лития являются частным случаем связанных волноводов. Типичным представителем направленных разветвителей является Х-ответвитель (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Схема Х-ответвителя, где Ь - длина взаимодействия между модами волноводов.

При описании взаимодействия связанных волн в Х-ответвителе достаточно ограничиться двухволновым приближением, когда рассматриваются только две моды, сохраняющие фазовый синхронизм, а вклад остальных возбуждаемых мод принимается равным нулю [37; 38]. Данные монохроматические волны являются собственными модами волноводов, образующих разветвитель и могут быть выражены как:

(1.8)

= (1.9)

где Л1т и Л2п - комплексные амплитуды волн, ры и р2п - постоянные

распространения, знак выражения в аргументе экспоненты в (1.9) описывает направление распространения волн в волноводах - «минус» соответствует однонаправленной связи волн, когда фазовые скорости имеют одинаковое

направление, «плюс» соответствует противоположно направленному распространению волн.

В случае возникновения возмущений в поле волноводной моды в области перекрытия, между ними формируется связанное состояние, которое характеризуется резонансной перекачкой оптической мощности. В направленных X-разветвителях на подложке ниобата лития, возмущение поля волноводной моды описывают как внесение дополнительного источника поляризации среды, а резонансная перекачку оптической мощности - как процесс взаимодействия связанных мод с полем распределения поляризации источника. Для собственных мод (1.8) и (1.9) изменение амплитуд вдоль оси Z описывается системой уравнений для связанных волноводных мод:

daXm .

= -iP\ma\m — iKmna2n '

az (1.10) da9n

-— = —lK CL ,

7 т г 2л 2я nm \m'

dz

где Kmn и Knm- коэффициенты связи, параметр S = (P1m -Дп)/2 описывает

фазовый синхронизм связанных мод. В общем случае синхронизм определяется не только постоянными распространения связанных волноводов, но также и пространственным распределением возмущения. Из закона сохранения энергии следует, что К^ = ±Киот, где «плюс» и «минус»

соответствуют сонаправленному и противоположно направленному распространению волн. При сонаправленном распространении волн, для граничных условий (0) = 1 и Aт (0) = 0, из системы уравнений (1.10)

следуют следующие выражения для мощности, переносимой модами a и a [39]:

/

Б1П

?2 п (Ц

КЬЛ 1 +

(8)2 к К ,

1+

Б1П

11"(Ц Н8у

КЬА 1 +

8 2

к К у

8 2

к К у \

(1.11)

/

1 +

(8)2 к К у

соб

КЬА 1 +

(8 к Ку

(1.12)

где К = \Ктп |2, Ь - длина области взаимодействия. При 8 = 0 соблюдается

условие равенства фаз между модами связанных волноводов. В этом случае наблюдается циклическая мощности с линейным периодом Ц = ж/2К на

длине связи Ь.

В литературе приводится анализ связанных волноводов[40; 41], на основании которого формулируются определенные соотношения между фазами распространяемых сигналов. Из-за диэлектрических свойств среды, перекачка оптической мощности происходит только при условии отставания оптической волны от поляризационного отклика подложки, следовательно возбуждаемая мода а2и будет неизбежно отставать от поляризационной волны, синфазной полю моды аХт. Из этого правила следует необходимость обеспечения определенного фазового соотношения между полем поляризации моды а1ш и оптическим полем моды а2„. Данное соотношение между полями связанных волноводов может быть использовано для построения интегрально-оптических схем на подложке ниобата лития. В частности, использование направленного Х-ответвителя на выходе интерферометра в модуляторе Маха-Цендера позволяет получить два сигнала с разностью фаз в п, что используется для подавления синфазных помех и повышения коэффициента передачи линии при использовании балансного детектирования [42].

Помимо направленных разветвителей с параллельным участком взаимодействия волн, важное практическое значение имеют разветвители, в которых расстояние между связанными волноводами меняется вдоль 2 как ё (г ) = + / (г), где - минимальное расстояние зазора, / (г) - функция

изменения расстояния. Переменное расстояние между волноводами направленного разветвителя улучшает его спектральные характеристики, по сравнению со схемой с постоянным расстоянием зазора, так как их изготовление требует повышенного контроля технологических параметров формирования волноводов на подложке ниобата лития.

В систему уравнений (1.10) для описания направленных разветвителей с переменным зазором между слабосвязанными волноводами вводится дополнительный коэффициент связи К (г), который выражается как [43]:

К (г ) = К 'в~аа(г) = К (0) в~а/( (1.13)

где а- коэффициент затухания оптического сигнала, К (0) - максимальный

коэффициент связи, соответствующий области с минимальным зазором. В этом случае, в выражениях для переносимой мощности (1.11) и (1.12) линейный коэффициент связи КЬ заменяется на нормированный, определяющий величину перекачки вдоль оси 2:

К (г ) = 2К (0 ) |2 е"а/( г) . (1.14)

Данное выражение применимо только когда расстояние между волноводами описывается четной функцией. После расхождения волноводов на некоторое расстояние г = £ , связь между их модами становится

пренебрежимо малой и перекачиваемая оптическая мощность перестает увеличиваться по мере смещения вдоль оси 2, следовательно, необходимо ограничить область интегрирования в (1.14) с гд по £ .

В вырожденном случае направленного разветвителя, когда ширина области взаимодействия приближается к ширине волноводов, происходит переход к разветвителям с локальной связью. Типичным представителем таких устройств на подложке ниобата лития являются делители волнового фронта на основе У-разветвителя.

1.2.2 Делители волнового фронта

В интегральной оптике волноводные У-разветвители используются, в первую очередь, в качестве делителей оптической мощности в составе более сложных интегрально-оптических схем: модуляторов, разветвителей оптических сигналов, переключателей и коммутаторов. Также возможно использования этого типа разветвителей для управления параметрами оптического сигнала в составе модовых фильтров и преобразователей длин волн. Основные типы волноводных разветвителей показаны на рисунке 1.4

[39].

Рисунок 1.4 - Основные типы волноводных делителей волнового фронта: а) симметричный У-разветвитель; б) несимметричный У-разветвитель; в) идеальная модель У-разветвителя с плавным

волноводным переходом.

Все указанные типы делителя волнового фронта проявляют свойствам синфазного деления поступающей на вход оптической мощности, параметры которого определяются углом расхождения 26 между выходными волноводами [44]. В случае малого значения угла расхождения, разветвитель работает как модовый селектор, переходящий в классический разветвитель с ростом угла расхождения. Также с ростом угла расхождения плеч наблюдается рост внутренних оптических потерь в связи с изменением условий взаимодействия полей выходных волноводов [45].

При анализе обычно используют идеальную модель делителя волнового фронта с адиабатическим уширением входного волновода от Ж до 2Ж. Далее волноводный раструб раздваивается и образует два выходных волновода, симметрично расходящихся под углом 20 друг к другу, как показано на рисунке 1.4в. Полагается, что в представленной модели отсутствуют оптические потери [46], связанные с расширением входного волновода, а в общие оптические потери вносят вклад только рассогласование распределения оптических мод из-за разницы ширин входных и выходных волноводов [47], изгибы и изломы волноводов, а также связанность полей мод на выходе разветвителя [48]. Углы расхождения плеч, при которых связью между выходными волноводами можно пренебречь, определяются из условия 0> К/уп , где К - средний коэффициент связи выходных волноводов, /п -

коэффициент затухания поля в подложке. Так, для направленного разветвителя на подложке ниобата лития с шириной волновода 3,5 мкм, при значениях угла расхождения, больших 0,5°, связь выходных плеч разветвителя становится меньше 10% [49].

На практике в топологии Y-разветвителя часто используют волноводную вставку, которая формирует срезанный угол сопряжения расходящихся волноводов, как это показано на рисунке 1.8б. Разветвители с такой топологией обладают большими оптическими потерями, по сравнению с симметричной схемой. К примеру, несимметричный разветвитель на основе одномодовых волноводов на подложке ниобата лития при Б ¡Ж < 0,5

превосходит симметричную схему по потерям на 10...20 % [50]. Для уменьшения потерь, вносимых сопряжением полей на выходе интегрально-оптического Y-разветвителя с малыми углами разветвления (0« 0,5...1°), в расходящихся плечах применяют изогнутые волноводные секции с большим радиусом кривизны.

Раздел 1.3 Фоторефрактивный эффект в кристаллах ниобата лития

Фоторефрактивным эффектом, или фоторефракцией, называют обратимое изменение показателя преломления в электрооптических материалах в локальной области под действием интенсивного оптического излучения. Данный эффект во многих работах рассматривается как негативный [51; 52], так как приводит к изменениям характеристик интегрально-оптических схем при вариациях входной оптической мощности. В кристаллах ниобата лития фоторефрактивный эффект проявляется как изменение необыкновенного показателя преломления на величину порядка 103 [53, р. 3].

В электрооптическом материале существуют донорные и акцепторные центры, и ЫА соответственно, которые зачастую соответствуют двум различным валентным состояниям одного и того же примесного элемента, такого, как Бе2+ (донор) [54] и Бе3+ (акцептор) [55] для ниобата лития. Неравномерная засветка кристалла излучением соответствующей длины волны приводит к ионизации доноров и генерации свободных носителей заряда (электронов, дырок, либо их пар). Далее они перемещаются через зону проводимости, либо через валентную зону, и захватываются атомами-акцепторами. В результате индуцируется перераспределение зарядов между областью засветки и затемненной областью. Связанное с перераспределением пространственных зарядов электрическое поле вызывает изменение коэффициента преломления в локальной области из-за линейного электрооптического эффекта [3; 56]:

' 1 Л

А

к п у

= гткЕк, (1.15)