Стабильность интегрально-оптических схем на основе HxLi1-xNbO3 –волноводов в зависимости от состояния приповерхностного слоя кристалла ниобата лития тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Сосунов Алексей Владимирович

• Сосунов Алексей Владимирович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Сосунов Алексей Владимирович

Список сокращений

Введение

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Интегрально-оптическая схема (модулятор интенсивности излучения)

1.1.1 Краткая историческая справка

1.1.2 Описание интегрально-оптической схемы

1.1.3 Передаточная функция интегрально-оптической схемы

1.1.4 Электрооптический эффект

1.1.5 Волноводные моды

1.2 Дрейф рабочей точки интегрально-оптических схем

1.2.1 Введение в понятие дрейфа РТ

1.2.2 Источники дрейфа РТ и методы их устранения

1.3 Структура и свойства НЛ

1.3.1 Фазовая диаграмма системы Ы20-МЬ205

1.3.2 Собственная дефектная структура НЛ

1.3.3 Физические свойства НЛ

1.3.4 Особенности структуры и свойств приповерхностных слоёв кристалла НЛ

1.3.5 Строение нарушенного приповерхностного слоя

1.4 Протонообменные волноводы

1.4.1 Создание протонообменных волноводов

1.4.2 Структурные изменения НЛ при протонном обмене и постобменном отжиге

1.5 Основные выводы из обзора литературы

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Методы исследования поверхности и приповерхностного слоя

пластин ниобата лития

2.1.1 Оптическая микроскопия

2

2.1.2 Оптическая профилометрия

2.1.3 Сканирующая электронная микроскопия

2.1.4 Рентгеноструктурный анализ

2.1.5 Атомно-силовая микроскопия

2.2 Изготовление ИОС. Методы исследования оптических и дрейфовых характеристик ИОС

2.2.1 Изготовление ИОС

2.2.2 Модовая спектроскопия

2.2.3 Измерение оптических потерь и дрейфа рабочей точки ИОС при приложении напряжения

2.2.4 Дрейф рабочей точки ИОС при изменении температуры

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Результаты исследования состояния поверхности и приповерхностного слоя пластин НЛ

3.1.1. Результаты оптической микроскопии поверхности исследуемых пластин НЛ

3.1.2. Результаты оптической профилометрии поверхности исследуемых пластин НЛ

3.1.3. Результаты электронной микроскопии приповерхностного слоя пластин НЛ

3.1.4. Результаты рентгеноструктурного анализа поверхности исследуемых пластин НЛ

3.1.5. Результаты атомно-силовой микроскопии приповерхностного слоя пластин НЛ

3.1.6. Выводы к главе

3.2. Результаты исследования оптических и дрейфовых характеристик интегрально-оптических схем

3.2.1. Восстановление нарушенного приповерхностного слоя

3.2.2. Результаты модовой спектроскопии

3.2.3. Результаты исследования времени дрейфа рабочей точки в ИОС (кратковременной дрейф)

3.2.4. Результаты исследований температурного дрейфа рабочей точки в

ИОС (долговременный дрейф)

3.2.5. Выводы к главе

Заключение

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

Благодарности

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Список сокращений

НЛ - ниобат лития, LiNb03

ИОС - интегральная оптическая схема (модулятор интенсивности излучения) HxLil-xNb03 - волноводы, полученные методом протонного обмена РТ - рабочая точка ПО - протонный обмен

ПИД-контроллер - пропорционально-интегрально-дифференцирующий контроллер

ИК-спектроскопия - инфракрасная спектроскопия АСМ - атомно-силовой микроскоп ХМП - химико-механическая полировка

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стабильность интегрально-оптических схем на основе HxLi1-xNbO3 –волноводов в зависимости от состояния приповерхностного слоя кристалла ниобата лития»

Актуальность проблемы

Стабильность работы интегрально-оптических схем (ИОС) на основе к^1-л^ь03-волноводов, являющихся объектом настоящего диссертационного исследования, имеет ключевое значение при их эксплуатации. ИОС на ниобате лития (НЛ) имеют низкие оптические потери, высокую скорость обработки оптического сигнала и широкую оптическую полосу пропускания. Указанные характеристики позволяют широко применять ИОС в телекоммуникационных системах с высокой скоростью передачи данных и волоконно-оптических гироскопах, где необходима внешняя модуляция сигнала. В настоящее время такие системы могут передавать данные со скоростью более 100 Гбит/с. Рост объема данных приводит к необходимости повышения надежности и пропускной способности таких устройств.

Главными недостатками ИОС являются нелинейность передаточной функции и дрейф рабочей точки (РТ), из-за чего для коррекции работы ИОС невозможно применять широко распространенные стандартные ПИД -контроллеры. Возникает необходимость в применении специальных драйверов и поиске методов повышения стабильности РТ в ИОС. Эти недостатки проявляются в течение всего срока службы ИОС и могут приводить к ошибкам при передаче данных. Кроме того, ИОС является дорогостоящей высокотехнологичной продукцией, поэтому экономически целесообразно иметь качественный входной контроль пластин ниобата лития и высокий процент годной продукции.

Анализ публикаций (состояние вопроса к моменту начала работы)

ИОС на основе НЛ подробно описаны в научной литературе, как эффективные широкополосные устройства с низкими оптическими потерями. В настоящее время такие системы могут передавать данные со скоростью более 100 Гбит/с [1]. Рост объема данных приводит к необходимости повышения надежности и пропускной способности таких устройств. Однако

ИОС на основе НхЫ1-хМЬОз-волноводов обладают существенным недостатком в виде дрейфа РТ.

Исследование дрейфа РТ в ИОС предпринимаются с 1980-х годов прошлого века. Однако первые успехи были получены в 1990-х годах H. Nagata. Его многочисленные работы были посвящены изучению дрейфа РТ в ИОС на основе различных внешних аспектов, например, буферных слоёв и их модификации [2-4], срока службы модуляторов [5,6], температуры [7-10], механических напряжений [11] и энергии активации [6,12,13]. Все указанные работы относятся в первую очередь к титанодиффузным волноводам.

В начале 2000-х годов K.M. Kissa, а затем и H. Nagata получили более стабильные ИОС на основе отожженных протонообменных волноводов [1416]. Их работы были основаны, как на лабораторных, так и на полевых экспериментах, но имели определённую степень выборки, т.е. часть модуляторов в зависимости от условий эксперимента показывала отрицательные результаты. В тоже время, авторы [17] сообщили о температурной нестабильности НхЫ1-л^ЬО3-волноводов.

Повышению стабильности работы ИОС до сих пор посвящено множество работ [18-20], но метода, позволяющего полностью устранить дрейф РТ в модуляторах не предложено. Одним из объяснений может быть то, что ранее все источники дрейфа РТ рассматривались не как единая совокупность, а каждый по отдельности. В 2011 году Salvestrini проанализировал различные источники дрейфа РТ в коммерчески доступных модуляторах [21]. Проведенный анализ указывал на преобладающую роль внутреннего дрейфа РТ, т.е. дрейфа, обусловленного структурой НЛ. Salvestrini показал, что заряженные дефекты на поверхности ИОС в зависимости от приложенного напряжения или изменения температуры являются главными источниками дрейфа РТ. Также он отметил, что необходимо учитывать анизотропию кристалла НЛ и структуру

приповерхностного слоя кристалла, в котором формируются Нх^1-хЫЪ03-волноводы, но при этом должного внимания этим фактором не уделил.

Н^1-х^КЪ03-волноводы формируются на поверхности кристалла, и основной их объём лежит в слое глубиной не более 10 мкм. В работах [2225] было показано, что после шлифовки и полировки пластин НЛ образуется нарушенный приповерхностный слой, а на их поверхности могут оставаться разнонаправленные царапины даже после химико-механической полировки [26]. В работах [27,28] методами ИК-спектроскопии и микрорамановского анализа были получены подтверждающие результаты о наличие нарушенного приповерхностного слоя различной глубины (15-50 мкм) в зависимости от степени обработки поверхности кристалла НЛ.

Указанные изменения структуры кристалла НЛ необходимо рассматривать с микроскопической точки зрения как увеличение числа точечных дефектов и дислокаций в области Нл^1-л^Ь03-волноводов, что является важным с точки зрения стабильности ИОС. В недавно проведенном исследовании [29] было подтверждено, что измененное соотношение ^]/[ЫЪ] может указывать на существование более сложных форм несовершенств структуры приповерхностного слоя кристалла НЛ, например легких путей диффузии, чем просто наличие точечных дефектов. Увеличение числа дислокаций в приповерхностном слое НЛ приводит к росту подвижности ионов Н+, вносимых в структуру кристалла в ходе формирования волноводов методом протонного обмена (ПО). В связи с этим возникает необходимость в формировании волноводов с учетом нарушенного приповерхностного слоя [30,31], а наличие легких путей диффузии в области протонообменных волноводов может приводить к созданию локальных электрических полей и перераспределению заряженных дефектов при изменении температуры или постоянного внешнего напряжения.

Таким образом, к данному моменту в исследовании стабильности работы ИОС главным является направление, связанное с внутренним дрейфом РТ. Настоящая работа направлена на комплексное исследование

состояния приповерхностного слоя кристалла НЛ, а также устранение внутренних источников дрейфа РТ модуляторов на основе НХЫ1-ХМЬ03-волноводов для получения высокостабильных ИОС. Научная новизна работы:

1. Впервые установлена и исследована неизвестная ранее особенность строения приповерхностного слоя пластин ниобата лития, состоящая в том, что данный слой, характеризуется повышенной плотностью дефектов, в том числе дислокаций кристаллического строения, имеет четко выраженную границу, отделяющую его от остальной части кристалла, на которой скачком изменяются как структурные параметры, так и физические свойства кристалла.

2. Впервые, установлена и исследована взаимосвязь между структурным состоянием приповерхностного слоя пластин ниобата лития и дрейфом рабочей точки интегрально-оптических схем, изготовленных на этих пластинах. Помимо известных внешних факторов, влияющих на стабильность интегрально-оптических схем на основе протонообменных волноводов в ниобате лития, выявлен и исследован дополнительный внутренний (материальный) фактор.

Практическая значимость результатов исследования:

1. Предложены и апробированы практические рекомендации для входного контроля пластин ниобата лития при производстве интегрально-оптических схем.

2. Предложены и апробированы практические рекомендации для повышения стабильности работы оптических параметров интегрально-оптических схем.

3. Предложены и апробированы методики контроля дрейфовых характеристик интегрально-оптических схем.

Эффективность данных рекомендаций была доказана на опытных образцах интегрально-оптических схем, полученных на действующем

производстве в Пермской научно-производственной приборостроительной компании (акт внедрения №15/0-25-а от 12.10.2020 г. - приложение Б).

Автор защищает

- оригинальные экспериментальные результаты исследования структуры и свойств приповерхностного слоя пластин НЛ;

- предложенный автором метод термической обработки пластин НЛ с целью уменьшения дефектности их приповерхностного слоя и снижение как кратковременного, так и долговременного дрейфов рабочей точки ИОС на основе ИхЫ1-хКЬ03-волноводов;

- разработанные автором практические рекомендации по повышению стабильности работы ИОС на основе НхЬ1ьхКЬ03 -волноводов.

Личный вклад автора

Все экспериментальные результаты получены при участии автора. Рентгенографические и электронно-микроскопические исследования (в части структурных методов), проведение протонного обмена, восстановление нарушенного приповерхностного слоя кристалла ниобата лития и исследование дрейфовых характеристик интегрально-оптических схем (в части интегрально-оптических методов) проводились автором лично.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается взаимодополняющим применением различных средств современного научно-технического инструментария и статистикой выполненных экспериментов, отсутствием каких-либо противоречий между новыми результатами, полученными лично автором и данными других авторов в тех областях, где эти результаты пересекаются.

Публикации и апробация работы

Результаты диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, из которых 5 статей в журналах, индексируемых в WoS/Scopus, 6 статей в журналах из списка РИНЦ (из них 4 - ВАК), 14 тезисов

конференций. Основные результаты диссертации были доложены на следующих краевых, всероссийских и международных конференциях: краевая научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Пермь, 2013, 2016, 2020); 5-я международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, 2016); международная конференция «СибОптика-2016» (Новосибирск, 2016); 22-я всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2016); II всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и студентов: фундаментальные и прикладные исследования в области материаловедения и машиностроения (Пермь, 2016); XV российская научная студенческая конференция по физике твердого тела ФТТ-2016 (Томск, 2016); международная конференция «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар, 2016, 2017); всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, 2017), X международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2018); всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника-2020» (Красноярск, 2020); 18-я международная научная конференция-школа «Материалы нано-, микро- оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2020), 10-я международная конференция «Фотоника и информационная оптика» (Москва, 2021).

Исследования, выполнялись при взаимодействии Пермского государственного национального исследовательского университета и Пермской научно-производственной приборостроительной компании в рамках следующих проектов: «Создание высокотехнологичного производства интегрально-оптических схем на ниобате лития для волоконно -оптических гироскопов и систем мониторинга электрического поля и биопотенциалов», № 13.G25.31.0004. «Разработка и освоение в серийном производстве интегрально-оптических сверхвысокочастотных модуляторов на 40 ГГц», № 188/11-ФЦП1-19.10ок. «Изучение структуры, состава, свойств протонообменных волноводов в ниобате лития для создания интегрально-

оптических фазовых модуляторов с низкими оптическими потерями и стабильными характеристиками», № 17-43-590309. «Изучение процессов формирования протонообменных волноводов интегрально-оптических фазовых модуляторов на основе отечественного ниобата лития для создания навигационного оборудования широкого спектра применения», № 20-42596001. «Совершенствование ионообменных методов формирования оптических волноводов для высокостабильных интегрально-оптических схем», № С-26/848.

Структура работы и объём

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, благодарностей, двух приложений и списка цитированной литературы, включающего 125 наименований. Общий объем диссертации 115 страниц, включая 43 рисунка и 6 таблиц.

Аннотация содержания

В первой главе дается литературный обзор по теме диссертационного исследования. Вторая глава посвящена экспериментальным методам, использованным для исследования структуры и свойств НЛ, а также дрейфовых характеристик ИОС. В третьей главе приведены результаты структурных исследований приповерхностного слоя пластин НЛ и влияния этого слоя на дрейф РТ в ИОС. В заключении приводятся основные результаты работы и выводы.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Интегрально-оптическая схема (модулятор интенсивности

излучения)

1.1.1 Краткая историческая справка

Прогресс в области формирования волноводных структур и реализация технологии одномодовых оптических волокон вызвали бурный рост исследований и разработок в области интегрально-оптических устройств в 1980-х годах, особенно в области широкополосных оптических модуляторов фазы и интенсивности излучения, переключателей и фильтров.

Разработчики стремились применить оптические модуляторы к оптоволоконной связи на большие расстояния. По сути, интерес к оптоволоконной связи проистекает из ее способности поддерживать передачу данных с высокой пропускной способностью на большие расстояния при минимальных затратах. А после того, как было получено оптическое волокно, легированное эрбием (усилитель), которое эффективно увеличивало пропускную способность волокон при их низкой стоимости, то интерес к устройствам с внешней модуляцией сигнала резко вырос.

Кроме того, развитие технологий волоконно-оптических компонентов было связано с широкой возможностью применения внешних оптических модуляторов интенсивности или фазы излучения не только для получения и обработки сигналов, а также для сенсоров, метрологии и гироскопов нового поколения [32,33]. Почти во всех случаях одновременно требовались низкие вносимые оптические потери, низкие напряжения и высокая скорость модуляции, что практически можно было реализовать на различных кристаллических и полупроводниковых материалах.

Таким образом, в 1980-х в первую очередь необходимо было продемонстрировать принципиальную возможность применения интегрально-оптических устройств [34].

Широкие возможности интегрально-оптических схем привели к неизбежному коммерческому успеху в 1990-х годах. Однако, замена прямой лазерной модуляции, существующей в то время, на внешнюю интегрально -оптическую была сложной задачей. Это было обусловлено тем, что интегрально-оптические схемы требовали существенного снижения стоимости и повышения производительности.

Таким образом, в 1990-2000-х годах основная задача состояла в оптимизации и повышении производительности, воспроизводимости результатов, а также полевых испытаниях, и повышении объемов производства ИОС [1,14,35,36].

Начиная с 2000-х годов по настоящее время, трафик, передаваемый по оптоволокну, продолжает расти очень быстрыми темпами. Общий объем трафика, передаваемого по глобальной сети Интернет, по оценкам, увеличивается со средним годовым приростом примерно в 45 %, что соответствует удвоению чуть менее чем за два года [37]. Это неизбежно сопровождается повышением спроса на надежность и пропускную способность ИОС.

Таким образом, тенденцией последнего десятилетия является увеличение возможностей и надежности высокоскоростных оптических модуляторов для кодирования оптического сигнала исходного лазера и, таким образом, управления передаваемыми данными.

1.1.2 Описание интегрально-оптической схемы

Модуляторы интенсивности излучения (in english: Optical Intensity

Modulators), изготавливаются на основе интегрально-оптического

интерферометра Маха-Цендера. Топология ИОС по типу интерферометра

Маха-Цендера, представленна на рис. 1.1 . ИОС представляет собой пластину

НЛ, на поверхности которой формируют одномодовые оптические

волноводы и тонкие металлические электроды переменного напряжения RF и

постоянного - Bias, предназначенные для модуляции и смещения сигнала,

соответственно. Смещение оптического сигнала необходимо в случае

14

дрейфовых процессов РТ в течение всего срока службы ИОС. ЛР-электроды применяются непосредственно для модуляции оптического излучения за счет электрооптического эффекта в НЛ. Тогда, при приложении напряжения к электродам ИОС, происходит изменение показателя преломления оптических волноводов, приводящее к появлению разности фаз в плечах ИОС и, в конечном счете, изменению выходной оптической мощности модулятора.

Рис. 1.1. Интегрально-оптическая схема по типу интерферометра Маха -

Цендера [20].

Большинство современных ИОС работают на длине волны 1,55 мкм. Данная длина волны соответствует третьему окну прозрачности для оптических волокон. Ширина и глубина оптических волноводов составляет порядка 5 мкм для работы в одномодовом режиме на длине волны 1,55 мкм. Соответственно, ИОС является модулятором интенсивности излучения.

Модуляторы на основе НхЫ1-хЫЬ03-волноводов до сих пор считаются устройствами с одними из лучших характеристик. Главными недостатками модулятора являются нелинейность передаточной функции и дрейф РТ, из-за чего для коррекции его работы невозможно применять широко распространенные стандартные ПИД-контроллеры. Возникает необходимость в применении специальных драйверов и поиске методов повышения стабильности РТ модуляторов.

1.1.3 Передаточная функция интегрально-оптической схемы

В ИОС оптический луч разделяется пополам вдоль двух симметричных волноводов (рис. 1.1). Тогда выходная амплитуда сигнала в точке соединения волноводов (уравнение 1.1) может быть представлена, как сумма амплитуд с фазовой задержкой:

А0Ш = ^(А1е^+А2^*), (1.1)

где А1, А2 - оптические амплитуды излучения в обоих волноводах, а Ф1, Ф2 -соответствующие фазовые задержки.

Передаточная функция - это функция отношения выходной оптической

мощности Pout к входной Pin может быть записана в следующем виде:

р■

Рои1 = ^(1 + Ь^С05[Ф1-Ф2]1 (1.2)

где b = 2А1А2/А^2^2 это коэффициент оптического дисбаланса между двумя волноводами. В случае полной симметрии оптических волноводов b = 1. Фазовый сдвиг ДФ = Ф1 — Ф2 состоит из двух частей. В случае отсутствия приложенного напряжения ДФ = Ф0, а при приложенном напряжении к одному из волноводов:

ДФ = уДп2^Ь, (1.3)

л

где у - интеграл перекрытия электрического поля и волноводов, А - длины волны, L - длина волноводов, An - изменение показателя преломления:

V о

ДП = 2dn3ffreff' (Ы) где V - приложенное напряжение, d - расстояние между электродами, neff -

эффективный показатель преломления волновода, reff - эффективный электрооптический коэффициент, обусловленный материалом, оптической поляризацией и конструкцией электродов [14].

Объединяя уравнения (1.1)-(1.4), с учетом вносимых потерь Lin, обусловленных, например, переотражением от граней пластины передаточную функцию можно представить в следующем виде:

Р0ш(У. tJ) = L-^(\ + b^ COS g + Ф0(г, Т)])' (1.5)

где, Vn - полуволновое напряжение или напряжение необходимое для

перехода по мощности от максимума к минимуму и определяется:

X^d.

Vn =

rL-n* г . (1-6)

yL-neffreff

Из уравнений 1.5-1.6 можно сделать заключение, что Pout зависит, как от конструкционных, так и материальных параметров ИОС, которые зависят от различных внешних условий (температуры, напряжения, деформаций).

Передаточная функция идеальной интегрально-оптической схемы представлена на рис. 1.2. В реальных ИОС минимальная мощность на передаточной функции не равно нулю. Это связано с тем, что оптическая мощность не делится в равных пропорциях вдоль двух плечей ИОС, поэтому полная интерференция отсутствует. Кроме того, возможно переотражение от граней НЛ рассеянных волн, вносящих паразитные эффекты в выходную оптическую мощность [32].

Рис. 1.2. Передаточная функция ИОС.

Рабочая точка - это такое положение на передаточной функции ИОС, относительно которого происходит модуляция сигнала. Стандартным положением РТ для ИОС является середина линейного участка (точка квадратуры) передаточной функции [14]. В точке квадратуры глубина модуляции Ыв является максимальной и вычисляется как:

р

Мп = 10^1д^, (1.10)

Ртт

Смещение РТ приводит к быстрому уменьшению отношения Ртах/Ртт и соответственно резкому снижению эффективной глубины модуляции оптического сигнала, что в конечном счете приводит к росту количества ошибок при передаче данных и отказов работы ИОС.

1.1.4 Электрооптический эффект

Электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления материала под действием электрического поля. В ИОС на основе НЛ электрооптическим эффектом является линейное изменение показателя преломления волноводов в зависимости от приложенного напряжения к электродам модулятора и описывается следующим уравнением (эффект Поккельса):

1

= , (1.11)

'ч

где Гу - тензор третьего ранга, который можно представить в виде 6 строк и 3 столбцов [38]:

Г

0 Г12 Г13

0 - "Г12 Г13

0 0 Г33

0 Г51 0

Г51 0 0

Г12 0 0

Эффект Поккельса, как и эффект Керра, практически безынерционен (быстродействие порядка 10-10 с). Эффектом Керра пренебрегаем в силу его малости для НЛ.

ИОС обычно изготавливаются на основе кристаллов НЛ Х- и Ъ-срезов. В обоих случаях наиболее эффективная модуляция сигнала достигается, когда основные направления электрических полей, как модулирующего электрического сигнала, так и оптической волны совпадают с полярной ось Ъ кристалла НЛ (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Поперечное сечение ИОС для Х-среза НЛ.

Изменение приращения показателя преломления волноводов вдоль полярной оси кристалла будет определяться следующим соотношением:

1 о

Ащ = Апе = —-ПеГ33Ег,

(1.12)

где Г33 - максимальный электрооптический коэффициент (30,9-10-12 м/В), пе -необыкновенный показатель преломления, Ег - 2-компонента электрического поля.

1.1.5 Волноводные моды

Волновод (рис. 1.3) представляет собой тонкий диэлектрический канал, сформированный в приповерхностном слое кристалла НЛ. Распространение света в оптическом волноводе происходит за счет эффекта полного внутреннего отражения. Соответственно показатель преломления оптического волновода должен превышать значения показателей преломления окружающих его областей (условие каналирования света).

В зависимости от геометрических параметров волновода и его приращения показателя преломления решения системы уравнений Максвелла имеют фиксированный набор решений. Каждое решение этой системы является модой излучения в оптическом волноводе (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схематичное представление распространения мод излучения в

волноводе.

Известно, что для электромагнитной волны характерны электрическая ТЕ и магнитная ТМ поляризационные моды. Оптические волноводы, сформированные методом протонного обмена, поддерживают только ТЕ-моды излучения, потому что в ходе ПО необыкновенный показатель преломления волновода, соответствующий ТЕ-моде излучения увеличивается, а обыкновенный показатель преломления волновода, соответствующий ТМ-моде излучения уменьшается [39].

Возникновение дополнительных мод излучения в волноводах приводит к резкому ухудшению оптических характеристик ИОС из-за паразитной интерференции и возможных переотражений лучей от граней пластин НЛ. В связи с этим целесообразно использовать одномодовые оптические волноводы.

Количество распространяющихся мод излучения, а также условия их существования описываются дисперсионными кривыми [40]. Зная параметры оптических волноводов можно легко определить число распространяющихся мод излучения.

1.2 Дрейф рабочей точки интегрально-оптических схем

1.2.1 Введение в понятие дрейфа РТ

Дрейф РТ в ИОС по сути является дрейфом показателя преломления НЛ [41] в зависимости от температуры, деформаций, оптического излучения и дефектов структуры. Изменение показателя преломления оптических волноводов приводит к возникновению дополнительной разности фаз в

плечах ИОС, и, соответственно к изменению выходной оптической мощности (см. соотношение 1.5).

В научной литературе дрейфом РТ принято считать изменение постоянного напряжения Уыаз, подаваемое на электроды ИОС [12,42]. Однако, без потери общности рассуждений и для простоты исследований анализировать можно и выходную оптическую мощность ИОС в зависимости от времени, температуры или деформаций. Анализ изменения постоянного напряжения ¥ыая может быть одной из причин того, почему большинство работ посвящено конструкционным параметрам ИОС, а не материальным. Процессы, протекающие в приповерхностном слое НЛ в зависимости от внешних факторов, влияют, в первую очередь, на НхЫ1-хМЬОз-волноводы, так как они формируются в этом слое и соответственно на изменение показателя преломления НхЫ1-хМЬО3-волноводов, и, в конечном счете, на дрейф РТ.

Необходимо отметить тот факт, что работы, связанные и исследованием дрейфа РТ в модуляторах интенсивности излучения, проводились как на титанодиффузных, так и на протонообменных волноводах. При этом дрейфовые явления, происходящие в таких волноводах схожи по своей сути и происхождению [41].

Таким образом, источники дрейфа РТ в ИОС и методы их устранения, представленные в следующем разделе, рассматриваются на основе обоих типов оптических волноводов, считая, что процессы, происходящие в них, имеют одинаковую природу.

1.2.2 Источники дрейфа РТ и методы их устранения

К источникам дрейфа РТ в ИОС относится: перераспределение заряженных дефектов, анизотропия кристалла НЛ, температура, механические напряжения, буферные слои и фоторефрактивный эффект. В данной главе рассмотрим каждый из этих источников более подробно, а также предложенные методы их устранения.

А. Фотоиндуцированный дрейф РТ

При интенсивном оптическом излучении можно изменить показатель преломления НЛ. Фоторефрактивный процесс является результатом сочетания электрооптических, фотоэлектрических и фотопроводящих свойств НЛ. Считается, что в ИОС оптическое излучение равномерно сбалансировано (1:1) в двух плечах, так что разница изменения показателя преломления из-за фотовольтаического эффекта будет равна по знаку и величине в обоих плечах модулятора. Однако, из-за того, что в реальных модуляторах баланс может быть слегка нарушен, происходит небольшое смещение РТ. Известно, что фоторефрактивный эффект в НЛ сильно проявляется только на коротких (менее 830 нм) длинах волн [43], а рабочая длина волны модулятора составляет 1550 нм. В работе [44] сообщили о большом фотоиндуцированном дрейфе РТ в модуляторах с титанодиффузными волноводами. В качестве решения проблемы авторы предложили отжиг во влажном кислороде, после которого чувствительность дрейфа РТ к фоторефрактивному эффекту значительно снижается. В процессе отжига положительно заряженные ионы Н+ смещаются, компенсируя электрическое поле, создаваемое фоторефрактивным эффектом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сосунов Алексей Владимирович, 2022 год

Источник питания

Рис. 2.12. Схема проведения температурных ипытаний ИОС.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Результаты исследования состояния поверхности и приповерхностного слоя пластин НЛ

3.1.1. Результаты оптической микроскопии поверхности исследуемых

пластин НЛ

Поверхность и приповерхностный слой пластин НЛ имеют ключевое значение при производстве элементов ИОС, т.к. на поверхность наносят электроды, а в приповерхностном слое формируют ИхЬ^-хМЬОз-волноводы. Методами оптической микроскопии и профилометрии проводили анализ качества оптической поверхности исследуемых пластин НЛ и сравнивали с заявленными паспортными данными.

В результате исследования было явно выявлено большое количество разнонаправленных царапин по всей площади поверхности для пластин НЛ производства Sipat (рис. 3.1а), а для пластин НЛ производства Crystal Technology и Фомос-Материалс незначительное количество локальных точечных дефектов (рис. 3.1б,в). Очевидно, что все эти особенности являются следствием финишной обработки пластин НЛ, а именно резки, шлифовки и полировки. Именно от качества финишной обработки зависит состояние поверхности пластин НЛ. Локальные точечные дефекты могут быть сформированы частицами полирующего порошка или остатками грязи, которые остались после полировки.

Оптическое качество поверхности пластин производства Sipat не отвечает заявленным паспортным данным (табл. 2.1): не более 10 шт. царапин на 100% площади поверхности всей пластины. На основе данных оптической микроскопии, можно однозначно сказать, что на пластинах Sipat принципиально невозможно изготовление высокостабильных ИОС. Таким образом, данный метод с нашей точки зрения является простым и может в дальнейшем использоваться на начальном этапе контроля состояния пластин НЛ при производстве различных устройств.

Рис. 3.1. Поверхность пластин НЛ производства Sipat (а), Crystal Tech. (б),

Фомос-Материалс (в).

3.1.2. Результаты оптической профилометрии поверхности исследуемых

пластин НЛ

Методом оптической профилометрии были исследованы такие параметры поверхности пластин НЛ, как шероховатость и размер дефектов. Результаты анализа представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Результаты оптической профилометрии

Образец Шероховатость поверхности (Ra), нм Паспортные данные(Ra), нм Вид дефектов (размер дефектов)

Sipat 3,9±0,3 < 0,7 нм царапины (глубина до 20 нм)

Crystal T. 0,8±0,2 локальные дефекты (средняя высота ~5 нм)

Фомос 0,9±0,2 —

Шероховатость поверхности пластин НЛ производства Crystal Technology и Фомос-Материалс находится в пределах погрешности измерений и удовлетворяет паспортным данным, в то время как образец Sipat существенно превышает заявленные паспортные характеристики по шероховатости поверхности в 5 раз. Размеры дефектов на поверхности исследуемых пластин НЛ были проанализированы (рис. 3.2). Для пластин Sipat характерно наличие разнонаправленных царапин глубиной до 20 нм. Для пластин Crystal Technology характерны локальные точечные дефекты со средней высотой ~5 нм, а пластины Фомос-Материалс практически не имеет каких-либо поверхностных дефектов.

Таким образом, пластины производства Фомос-Материалс и Crystal Technology имеют достаточно высокое оптическое качество поверхности по сравнению с пластинами производства Sipat. Данный метод прекрасно дополняет результаты оптической микроскопии и позволяет утверждать, что на основе пластин Фомос-Материалс и Crystal Technology возможно создание наиболее качественных НхЫ1-хЫЪО3-волноводов с высокой степенью

повторяемости их рабочих характеристик и стабильностью.

67

0.530"

nm

■+14.80

б

^I'fcti, v- ,, ■

' ^ *- W- ' Ji-

J '

00081

-15.26

Рис. 3.2. Поверхность пластин НЛ производства Sipat (а), Crystal Tech. (б),

Фомос-Материалс (в).

3.1.3. Результаты электронной микроскопии приповерхностного слоя

пластин НЛ

Электронно-микроскопические исследования проводили на свежих сколах пластин НЛ. Выбор именно такой методики обусловлен тем, что свежий скол образца дает дополнительную информацию о состоянии приповерхностного слоя пластин НЛ. Дополнительная информация может быть получена, если структура приповерхностного слоя пластин НЛ отличается от структуры остального объема материала, в противном случае мы должны наблюдать ювенильную (чистую) поверхность скола, полученную вдоль определенной кристаллографической плоскости. На рис. 3.3 представлены изображения поперечного сечения (свежих сколов) исследуемых пластин НЛ после излома. Из полученных микрофотографий видно, что траектория движения трещины в ходе формирования скола меняется вблизи поверхности исследуемых пластин НЛ, то есть происходит многочисленное дробление единой трещины. Распространение трещины происходит по главному направлению, вдоль определенной кристаллографической плоскости, но из-за столкновения с дефектами и ядрами дислокаций направление трещины претерпевает изменения, которые мы наблюдаем в виде измененного рельефа поверхности скола. Это, конечно же, обусловлено высокой концентрацией дефектов структуры приповерхностного слоя пластин НЛ.

Таким образом, после разрушения исследуемых пластин НЛ наблюдается картина, характеризующая их состояние нарушенного приповерхностного слоя в зависимости от качества резки, шлифовки и полировки. На основе полученных микрофотографий проводили оценку средней глубины нарушенного приповерхностного слоя исследуемых пластин НЛ, т.к. глубина может варьироваться вдоль всего поперечного сечения пластины. Средняя глубина нарушенного приповерхностного слоя исследуемых пластин составляет порядка 15 мкм (Sipat), а для пластин Crystal Technology и Фомос порядка 10 мкм.

69

20 мкм

Рис. 3.3. Микрофотографии поперечного сечения исследуемых пластин НЛ после излома: Sipat (а), Crystal Technology (б), Фомос-Материалс (в).

Результаты, представленные на рис. 3.4 отражают состояние приповерхностного слоя пластин НЛ и факт, что канальные НхЫ1-хМЬО3-волноводы формируются именно в нем. При изготовлении ИОС необходимо учитывать, что протонообменные волноводы формируются в нарушенном приповерхностном слое НЛ. В противном случае, неизбежно повышение брака при производстве ИОС, неповторяемость результатов при постоянстве технологии и дрейф оптических характеристик.

Рис. 3.4. Микрофотографии канальных волноводов после излома пластины

НЛ фра^.

Также с помощью энергодисперсионного анализа исследовали состав приповерхностного слоя исследуемых пластин НЛ после излома (табл. 3.2). Из представленных данных следует, что химический состав материала существенным образом зависит от глубины слоя. Наибольшие отклонения в отношении КЬ/О для ЫКЬОз наблюдаются на глубине до 10 мкм для всех экспериментальных образцов (идеальное соотношение 1:3 для КЬ/О -33 ат.%). Наблюдается нехватка атомов КЬ. Влияние соотношения металл/кислород мало изучено, главным образом потому, что конгруэнтные кристаллы НЛ имеют тенденцию расти без кислородных вакансий, а анионная подрешетка полностью занята в выращенных кристаллах. Тем не менее, рассмотрим эти результаты ещё раз в главе 3.1.5 в совокупности с механическими свойствами исследуемых пластин для формирования итоговой картины о состоянии нарушенного приповерхностного слоя пластин НЛ.

Таблица 3.2. Результаты элементного анализа исследуемых пластин НЛ

Глубина, мкм Б1ра1 СгуБ1а1 ТееИ. Фомос

ЯЪ/О, ат.% ЯЪ/О, ат.% ЯЪ/О, ат.%

0-10 26 28 22

11-20 32 33 30

21-50 33 33 33

Полученные результаты в данной главе необходимо учитывать при создании различных устройств, так как при термической, химической обработке и/или при воздействии локальных электрических полей в НЛ может происходить неконтролируемое перемещение заряженных дефектов вдоль ядер дислокаций и как следствие возникновение различных дрейфовых эффектов. С помощью описанной методики были исследованы более 50 шт. образцов с разных пластин НЛ и производителей (набор статистики). Для всех исследуемых пластин было выявлено наличие нарушенного приповерхностного слоя, отделенного четкой границей от бездефектной области.

3.1.4. Результаты рентгеноструктурного анализа поверхности исследуемых

пластин НЛ

Исследования тонкой структуры и деформаций в приповерхностном слое пластин НЛ проводили методом рентгеноструктурного анализа с помощью двухкристального спектрометра.

На рис. 3.5 представлены дифракционные кривые исследуемых пластин, полученные от отражающей плоскости (110). Тонкая структура всех исследуемых пластин несовершенна, что подтверждается несимметричностью линий относительно максимума дифракционных пиков. Для пластин Б1ра1 возможно наличие малоугловых границ (фрагментация). Указанная фрагментация проявляется в большей степени на малых углах в, что говорит о наличии фрагментов с несколько увеличенным периодом кристаллической решетки по отношению к исходной структуре НЛ.

29,°

20,°

20,°

Рис. 3.5. Дифракционные кривые: Sipat (а), Crystal Technology (б), Фомос-

Материалс (в). 73

Полученные результаты подтверждаются расчетами деформаций в нарушенном приповерхностном слое исследуемых пластин путем анализа уширения дифракционных кривых, полученных от отражающих плоскостей (110) и (220). В таблице 3.3 приведены результаты расчетов деформаций в приповерхностном слое исследуемых пластин НЛ.

Таблица 3.3. Деформации (по уширению линий)

Образец Деформации, 10-4

Sipat 2,4

Crystal Technology 1,4

Фомос-Материалс 1,5

Из полученных данных следует, что состояние нарушенного приповерхностного слоя образца Sipat примерно на 40% имеет больше искажений кристаллической решетки по сравнению с образцами Crystal Technology и Фомос-Материалс.

3.1.5. Результаты атомно-силовой микроскопии приповерхностного слоя

пластин НЛ

Механические свойства в той или иной степени отражают реальную структуру материала. В данной работе полученные экспериментальные данные анализировали с помощью кривой Бочвара-Одинга, которая устанавливает зависимость между плотностью дислокаций р и пределом текучести материала о (рис. 3.6). На рис. 3.6 положению 1 - соответствует теоретически возможный предел текучести, когда дислокации отсутствуют. При появлении первых дислокаций предел текучести резко уменьшается -положение 2 (реальные слабодеформированные кристаллы), а с увеличением деформаций происходит упрочнение кристаллов - положение 3.

Плотность дислокаций может меняться в широких пределах значений и зависит от материала, в том числе и от его состояния. Дислокации влияют не только на механические свойства (прочность и пластичность), но и на другие свойства кристаллов. От плотности дислокаций зависит большинство

74

технически важных свойств кристаллов. Плотность дислокаций, которая может быть разной в различных микроучастках материала, влияет на механизм, скорость и направление структурных изменений. С увеличением плотности дислокаций возрастают внутренние напряжения, изменяются оптические свойства, изменяется электропроводность.

Рис. 3.6. Кривая Бочвара-Одинга.

Кроме того, очевидно, что дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле [123]. Соответственно состояние реальной структуры кристаллов влияет на электрооптические свойства материалов, что является весьма важным в настоящей работе с точки зрения повышения стабильности работы ИОС. От состояния приповерхностного слоя пластин НЛ, в котором формируются протонообменные волноводы, будет зависеть большинство интегрально-оптических характеристик.

На рис. 3.7 для пластин Sipat и Crystal Technology представлены экспериментальные данные зависимости глубины проникновения индентора от расстояния до поверхности пластины НЛ. Полученные результаты достаточно хорошо описываются с помощью простых деформационных кривых, характерных для реальных кристаллов (рис. 3.6). В области 1, что соответствует внутренним (глубинным) слоям НЛ плотность дислокаций

минимальна, а предел текучести максимален (максимальная твердость материала). С появлением первых дислокаций глубина проникновения индентора резко увеличивается (область - 2), что по кривой Бочвара-Одинга соответствует структуре реальных кристаллов с малой плотностью дислокаций. Текучесть материала возрастает. В области 3, вблизи самой поверхности пластины НЛ, где плотность дислокаций максимальна, происходит упрочнение кристалла, в соответствии с кривой Бочвара-Одинга и текучесть материала уменьшается. При этом необходимо отметить, что основные изменения элементного состава (соотношение металл/кислород), указанные ранее в главе 3.1.3 наблюдаются именно в приповерхностном слое глубиной до 10 мкм, для которого характерно максимальное размножение дефектов структуры, согласно проведенному анализу в данном разделе.

Таким образом, все результаты, полученные структурными методами, взаимно дополняют друг друга. Для всех исследуемых образцов характерно наличие нарушенного приповерхностного слоя со средней глубиной 10-15 мкм, состояние которого существенно отличается от остального объема материала. Измененное состояние приповерхностного слоя необходимо с микроскопической точки зрения рассматривать как увеличение концентрации дефектов структуры. Этот эффект несомненно связан с финишной обработкой пластин НЛ, а именно резкой, шлифовкой и полировкой, что сопровождается неизбежным ростом дефектов, в том числе дислокаций с повышением внутренних напряжений в приповерхностном слое исследуемых пластин НЛ.

Представленные результаты по составу, структуре и механическим свойствам исследуемых пластин НЛ позволили сформировать полную картину о состоянии нарушенного приповерхностного слоя и понимание в необходимости его контроля для совершенствования устройств на базе оптических материалов.

20-

S

Z 18

то"

о. о 16

Р

I 14

а>

Ч

X

s 12

к

х 10

Z

а>

00

о 8

X

зс

X X 6

о

CL с 4

то

X X 2 -

ю «

>» л

q 0 -

-2 -

1

ШШ?1

■»-1-'-1—

10 15

—I-1-1

20 25

■»-1-r

30

—I-1-1

35 40

ч-1-•-1

45 50

Расстояние, мкм

5 -,

го

н z

О) d z

i 3

s z

0) m о z

s 2 z

0

Q. С

го

1 1 Ю

с

б

hi

-Г"

10

-г-

15

-Г"

20

25

—I

30

Расстояние, мкм

Рис. 3.7. Механические свойства приповерхностного слоя исследуемых пластин НЛ с наложением кривой Бочвара-Одинга: Sipat (а), Crystal

Technology (б).

3.1.6. Выводы к главе 3.1

1. При идентичных паспортных данных показано существенное различие состояния поверхности и приповерхностного слоя исследуемых пластин НЛ;

2. Структурными методами показано, что поверхность пластин Sipat имеет множество царапин, повышенные микронапряжения и шероховатость в отличие от пластин Фомос и Crystal Technology.

3. С помощью электронной микроскопии на свежих сколах исследуемых пластин НЛ выявлено наличие обособленного нарушенного приповерхностного слоя с повышенной плотностью дислокаций с четко выраженными границами и средней глубиной 10-15 мкм;

4. Методом наноиндентирования показано, что приповерхностный слой с нарушенной структурой характеризуются существенной вариацией механических свойств по глубине, что связано с размножением дефектов, в том числе дислокаций в ходе производства пластин НЛ;

5. Необходима разработка методики восстановления нарушенного приповерхностного слоя пластин НЛ.

3.2. Результаты исследования оптических и дрейфовых характеристик

интегрально-оптических схем

3.2.1. Восстановление нарушенного приповерхностного слоя

Восстановление нарушенного приповерхностного слоя, исследование интегрально-оптических характеристик НхЫ1-хМЬ03-волноводов и изготовление ИОС проводили исключительно на пластинах производства Crystal Technology. Это обусловлено несколькими факторами. Во-первых, из результатов структурных исследований следует непригодность пластин Sipat для изготовления высокостабильных ИОС, а во-вторых, для пластин НЛ производства Фомос-Материалс освоено только мелкосерийное производство.

Таким образом, взяв за основу пластины НЛ производства Crystal Technology, восстановление нарушенного приповерхностного слоя проводили с помощью процедуры гомогенизирующего предотжига. Указанная методика была выбрана по нескольким причинам: 1 - простота, 2 - возможность включить данную процедуру без серьезных затрат в технологический цикл, 3 - имеются предпосылки, указывающие на эффективность методики в работах [7,31,51], 4 - результаты структурных исследований и общеизвестные данные физического материаловедения о положительном влиянии отжига кристаллов (снятие микронапряжений, повышение однородности структуры).

Для определения наиболее оптимальной температуры гомогенизирующего предотжига НЛ эксперимент проводили в воздушной атмосфере в интервале 400-800 °С с шагом в 100 °С. Данный интервал был выбран из следующих соображений. Ниже 400 °С трудно ожидать серьезных структурных изменений, а выше 800 °С катионная подрешетка НЛ нарушается [124,125], а процесс снятия напряжений сопровождается образованием кислородных вакансий [64], а также чтобы избежать потери атомов Li [29].

Образцы предварительно были нарезаны с одной пластины размером 10 на 15 мм и при каждой температуре отжигались по три пластины. На первой пластине после проведения гомогенизирующего предотжига производился излом для анализа свежего скола с помощью сканирующей электронной микроскопии по разработанной методике. На второй пластине проводили формирование планарных протонообменных волноводов согласно методике приведенной в главе 2.2.1 (В, Г). На каждом этапе формирования волноводов (до протонного обмена, после протонного обмен и после постобменного отжига) проводили анализ состояния структуры кристалла в зависимости от температуры предотжига методом рентгеноструктурного анализа. На заключительном этапе исследовали оптические характеристики планарных волноводов с помощью модовой спектроскопии в зависимости от температуры предотжига. Третья пластина НЛ выступала в качестве контрольной.

Далее рассмотрим результаты восстановления нарушенного приповерхностного слоя пластин НЛ. На рис. 3.8 представлен график зависимости глубины нарушенного приповерхностного слоя от температуры гомогенизирующего предотжига.

Рис. 3.8. Средняя глубина нарушенного приповерхностного слоя НЛ в зависимости от температуры гомогенизирующего предотжига.

Средняя глубина нарушенного приповерхностного слоя исходной пластины составила ~8 мкм. С повышением температуры гомогенизирующего предотжига происходит уменьшение глубины нарушенного слоя. При 500 °С нарушенный слой практически исчезает, (рис. 3.9), что вероятно связано с повышением однородности структуры, а при более высоких температурах вновь возникает (600-800 °С). Объяснить данный факт можно тем, что при повышенных температурах начинается перестройка структуры НЛ, приводящая к повышению внутренних напряжений кристаллической решетки, что подтверждается рассчитанными деформациями в исходном слое путем анализа уширения дифракционных кривых (рис. 3.10а-кривая предотжиг НЛ). Однако уширение нарушенного приповерхностного слоя в области температур 600-800 °С находится в пределах разброса значений и может быть связано с его размытием. Тем не менее, с технологической точки зрения и совокупности всех результатов оптимальной является температура гомогенизирующего предотжига 500 °С.

Далее рассмотрим результаты влияния гомогенизирующего предотжига на состояние структуры НЛ в ходе формирования планарных НхЫ1-хМЬ03-волноводов. После проведения протонного обмена были получены четыре неравновесные кристаллические у0-фазы (рис. 3.10б) [101], характеризующиеся своим периодом кристаллической решетки или деформациями (Лй/й - относительное изменение межплоскостного расстояния). Наибольшие деформации кристаллической решетки наблюдаются у поверхности пластины НЛ. Степень деформаций каждой кристаллической у^-фазы анализировали в зависимости от температуры предотжига НЛ. Из рис. 3.10в видно, что зависимость Лй/й для каждой фазы имеет общие закономерности. Это означает, что процесс протонного обмена происходит идентичным образом, а на деформации влияет только сама исходная структура приповерхностного слоя НЛ.

а

*

S3400 20.0kV SE 5.0um

S3400 20.0kV SE 5 Oum

f

Рис. 3.9. Глубина нарушенного слоя НЛ в зависимости от температуры гомогенизирующего предотжига : исходный (а), 400 °С (б), 500 °С (в).

СО 4

S

Si 3

ce S

Oi 2 О

0

400

Постобменный отжиг НЛ Пред отжиг H Л

500 600

т, °с

700

800

X Л

В

0,1

0,01 -

0,001

-0,002 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012

Деформации, Ad/d

25

400

500

600

700

800

900

т, °с

Рис. 3.10. Деформации в приповерхностном слое (а), набор ß-фаз после ПО при температуре предотжига 500°С (б), деформации ПО-фаз в зависимости

от температуры предотжига (в). 83

Далее был проведен постобменный отжиг для снятия внутренних напряжений после процесса протонного обмена и восстановления электрооптических коэффициентов. Рассчитанные деформации (рис. 3.10а-кривая постобменный отжиг НЛ) во-первых, показывают неполное восстановление кристаллической решетки НЛ после постобменного отжига, а во-вторых, сохранение той структуры, которая была получена после гомогенизирующего предотжига, т.к. зависимость деформаций до и после протонирования от температуры предотжига качественно совпадает.

Таким образом, наиболее однородная структура как исходного кристалла НЛ, так и НхЫьхМЬОз-волноводов, формируется при температуре гомогенизирующего предотжига 500 °С. Данная температура является оптимальной с точки зрения восстановления (однородности) нарушенного приповерхностного слоя кристалла НЛ, и для формирования более стабильных НхЫ1-хМЬОз-волноводов в интегрально-оптических схемах.

3.2.2. Результаты модовой спектроскопии

Приращение и профиль необыкновенного показателя преломления Д^ планарных НхЫ1-хМЬОз-волноводов определяли с помощью модовой спектроскопии в зависимости от температуры предотжига (рис. 3.11). На основе полученных данных вычисляли глубину волноводного слоя д.

Профили волноводных слоёв имеют градиентное распределение независимо от температуры гомогенизирующего предотжига, а Дп варьируется от 0,02 до 0,03 на глубине от 4,5 до 5,5 мкм, что соответствует одномодовому режиму работы. При этом с повышением температуры предотжига Д^ на поверхности уменьшается. Это связано с тем, что концентрация дефектов структуры, куда могут попасть протоны в ходе процесса протонного обмена уменьшается. Однако с точки зрения снижения дрейфа РТ повышение однородности структуры, как приповерхностного слоя, так и НхЫ1-хМЬО3-волноводов является принципиально важным, а небольшое уменьшение Д^ некритично для производительности ИОС.

Рис. 3.11. Профили планарных НхЫ1-хЫЪ03 - волноводов в зависимости от температуры гомогенизирующего предотжига.

Рис. 3.12. Зависимость Апе и 5 от температуры предотжига.

На рис. 3.12 показано соотношения Ane от глубины волноводного слоя ô. В области температур 400-500 °С наблюдается обратно-пропорциональная зависимость Ane(ô) в связи с уменьшением степени неоднородности структуры у поверхности НЛ. Протоны занимают места на более глубоких поверхностных слоях и распространяются вглубь кристалла в ходе протонного обмена и постобменного отжига.

Таким образом, на основе результатов модовой спектроскопии можно сделать следующие выводы. Оптические характеристики планарных протонообменных волноводов согласуются с ранее описанными структурными изменениями кристаллической решетки НЛ в зависимости от температуры гомогенизирующего предотжига. Температура гомогенизирующего предотжига 500 °С является наиболее оптимальной для восстановления нарушенного приповерхностного слоя НЛ и формирования ИхЫ1-хКЪОз-волноводов, что сказывается на деформациях кристаллической решетки протонообменных слоев и зависимости Ane по глубине волноводного слоя.

В следующих главах рассмотрим влияние гомогенизирующего предотжига НЛ при температуре 500 °С на дрейфовые характеристики интегрально-оптических схем при приложении напряжения и изменении температуры.

3.2.3. Результаты исследования времени дрейфа рабочей точки в ИОС

(кратковременный дрейф)

Перед проведением исследований времени дрейфа рабочей точки,

измеряли оптические потери модуляторов до и после стыковки с

оптоволокном методами оптической рефлектометрии и волокно-волокно

(fiber-to fiber), соответственно. Известно, что погонные оптические потери

стабильных отожженных протонообменных волноводов в НЛ составляют

~ 0,15 дБ/см [39]. В результате испытаний были получены аналогичные

результаты. Погонные потери составляли 0,13-0,17 дБ/см, а средние

оптические потери (волокно-волокно) - 6,5 дБ. Разброс значений погонных

86

оптических потерь обусловлен главным образом погрешностью измерений. Величина средних оптических потерь волокно-волокно обусловлена, в первую очередь, потерями на стыках кристалла НЛ и оптических волокон. В приложении А к диссертации представлены восстановленные передаточные функции исследуемых ИОС и их оптические характеристики, такие как полуволновое напряжение, глубина модуляции, погонные и оптические потери.

Исследование кратковременного дрейфа РТ при приложении напряжения проводили в диапазоне ±8 В. Результаты измерения выходной оптической мощности Pout для ±3 и ±7 В подаваемого напряжения представлены на рис. 3.13. Аналогичные результаты получены во всем диапазоне подаваемого напряжения.

В тот момент, когда происходит переключение напряжения на электродах ИОС (смена полярности), вектор напряженности электрического поля меняет свое направление на противоположное. Соответственно, после переключения, напряжение остается постоянной величиной. Таким образом, после смены полярности напряжения, положение РТ или величина Pout зависят только от процессов, происходящих в самих канальных НхЫ1-хМЬО3-волноводах или в окружающих их областях.

На рис. 3.13 показано, что при смене полярности напряжения, происходит скачкообразное изменение значения выходной оптической мощности, соответствующее положению РТ на передаточной функции ИОС. При этом РТ проскакивает свое равновесное положение и в течение некоторого короткого промежутка времени, отчетливо наблюдающегося после обратного переключения полярности, возвращается в исходное (равновесное) положение.

Время, за которое выходная оптическая мощность возвращается в первоначальное значение (разница менее 1 %) после двукратного (-7В ^ +7В ^ -7В) переключения является, в нашем случае, временной характеристикой дрейфа РТ, показывающей насколько быстро происходит подавление дрейфа

РТ. На рис. 3.13 показано сравнение движения рабочей точки после смены полярности напряжения для ИОС с гомогенизирующим предотжигом НЛ и без него. Время дрейфа для ИОС с предотжигом НЛ в 2,5 раза меньше и составляет 116±22 с, в то время как для ИОС без предотжига НЛ время дрейфа РТ - 286±37 с.

Такая существенная разница во времени подавления дрейфа РТ обусловлена более однородной структурой вследствие восстановления нарушенного приповерхностного слоя НЛ после гомогенизирующего предотжига. В процессе восстановления структуры приповерхностного слоя происходит снятие внутренних напряжений (уменьшение деформаций), снижение количества, как точечных, так и линейных дефектов. Тогда при приложении напряжения к электродам ИОС заряженным дефектам гораздо труднее передвигаться, создавая при этом локальные деполяризующие электрические поля в области НхЫ1-хКЪО3-волноводов, влияющих на изменение показателя преломления волноводов и, в конечном счете, на дрейф РТ.

Таким образом, во-первых, показано, что структура и свойства приповерхностного слоя НЛ влияют на дрейфовые характеристики ИОС через электрооптический эффект, а во-вторых, метод термического предотжига пластин НЛ продемонстрировал свою эффективность для уменьшения кратковременного дрейфа РТ.

Также нужно отметить, что рабочая точка в ИОС с невосстановленной структурой приповерхностного слоя НЛ нестабильна после первой смены знака приложенного напряжения. Это вероятнее всего связано с активацией заряженных дефектов в приповерхностных слоях пластины НЛ и протонообменных волноводов. Анализ энергии активации внутреннего дрейфа РТ при изменении температуры рассмотрен в следующей главе.

нл

о Пред отжиг НЛ

400

100

300

400

200 Время, с

Рис. 3.13. Кратковременный дрейф РТ в ИОС при ±7 В (а) и ±3 В (б).

3.2.4. Результаты исследований температурного дрейфа рабочей точки в

ИОС (долговременный дрейф)

С точки зрения стабильности работы устройства и его надежности необходимо знать величину энергии активации Ea дрейфа рабочей точки ИОС. В нашем исследовании данный параметр является ключевым для анализа долговременного дрейфа РТ.

Известно, что с повышением температуры происходит ускорение дрейфа РТ [3]. Это явление удобно анализировать с помощью функции Аррениуса для расчета энергии активации Ea [12].

Эксперимент проводили согласно следующим рассуждениям. Рабочую точку фиксировали на линейном участке передаточной функции при постоянном напряжении V0=4,5 В. Экспериментально установлено, что при изменении температуры рабочая точка смещается и в течение определенного времени выходит в новое равновесное состояние (насыщение), тогда выходную оптическую мощность Pout можно представить в виде степенной функции:

Pout(t)/Po=A0^n, (3.1)

где t - время, P0 - выходная оптическая мощность при V0. Скорость дрейфа рабочей точки снижается с увеличением времени работы устройства dP0ut(t) j.n—l

--1' 1, соответственно индекс n должен находиться в диапазоне

dt

0<n<1. В то же самое время, Pout зависит от температуры и её также можно представить в виде степенной функции:

Pout(t, T)/P0 = (B0(T) • t)n, (3.2)

-Eg

где T - температура, B0(T)~e ^t - константа скорости дрейфа РТ пропорциональна функции Аррениуса.

Уравнение 3.2 не отражает полностью физический смысл явления дрейфа РТ, а выражает экспериментально наблюдаемый профиль изменения Pout, который можно использовать для сравнительного анализа Ea дрейфа РТ модуляторов с восстановленной структурой приповерхностного слоя НЛ. На

рис. 3.14 показаны зависимости Pout от времени при различных температурах.

Время, ч

Время, ч

Рис. 3.14. Выходная оптическая мощность ИОС при температурах 50-90 °С до (а) и после (б) восстановления нарушенного приповерхностного слоя

пластин НЛ.

Для определения Еа сначала проводили нормировку экспериментальных данных и строили зависимость Рвш в логарифмическом масштабе (рис. 3.15). Для вычисления коэффициентов А0 и п производили линейную аппроксимацию экспериментальных данных.

л

& 10 о х

О

г

к го

iC

о ф

У S

ь

§ 1

к го

X X

го ш о а

5 2 а о

ь 0,1 ° 0,001

Р /Р = А х t"

rout /Г0 М0 Л 1

0,01

0,1

Время, ч

а

• 50 °С о 70 °С » 90 °С

10

10

J I-о О х

о 2 К

го а

о ф

У S I-с

о

к го

X X

го

0Q

о

Q.

2 а. о

к 0,1 О

1 -

0,001

б

▼ * ▼ Т ▼ ............1ЦПМ1 ^^

• 50 "С

р /р = л х t" rout /Г0 М0 л 1 о 70 °С * 90 °С

0,01 0,1

Время, ч

10

Рис. 3.15. Отнормированная Pout: до (а) и после (б) восстановления нарушенного приповерхностного слоя пластин НЛ.

Далее из равенства уравнений 3.1 и 3.2, вычисляли константу скорости дрейфа РТ - Во. На завершающем этапе строили зависимость ^(Во (1/Т) для вычисления энергии активации. Для построения функции Аррениуса использовали рассчитанные коэффициенты, представленные в таблице 3.4 при температурах 50-90 °С. Энергия активации дрейфа рабочей точки ИОС после восстановления структуры нарушенного приповерхностного слоя НЛ составила 1,5 эВ, что в два раза превышает значение контрольных образцов ИОС без применения гомогенизирующего предотжига, £а=0,8 эВ (рис. 3.16).

Таблица 3.4. Рассчитанные коэффициенты.

Образец Температу ра, °С Коэффициент, Ао Коэффициент, п Скорость дрейфа РТ, Во [1/ч]

Исходный НЛ 50 0,842 0,068 0,079

70 0,909 0,128 0,475

90 1,112 0,191 1,745

Восстановл енный НЛ 50 0,783 0,051 0,008

70 0,992 0,024 0,708

90 1,050 0,043 3,180

10

О Рн

0,1

0,01

0,001

о\ • НА

О Предотжиг НА

Еа2=0.8 эВ

Еа1=1.5 эВ

О

90 °С 70 °С 50 °С

0,0027 0,0028 0,0029 0,0030 0,0031

1/Т, 1/К

Рис. 3.16. Графики Аррениуса.

0,0032

В работе [5], на основе полученных значений энергии активации дрейфа РТ (0,7; 1,0 и 1,2 эВ) проводили оценку числа отказов при эксплуатации модуляторов в течение 20 лет. Число отказов при 50 °С составило 3 ошибки с Еа.= 1,2 эВ, 25 ошибок с Еа.= 1,0 эВ и 260 ошибок с Еа.= 0,7 эВ. Следовательно, чем выше энергия активации дрейфа РТ, тем выше стабильность всего устройства и можно ожидать меньшего числа ошибок при длительной эксплуатации ИОС. Полученные нами сравнительные результаты Еа1/Еа2=2, где Еа1 - энергия активации дрейфа РТ модулятора после восстановления нарушенного приповерхностного слоя кристалла НЛ, а Еа2 - энергия активации контрольного образца ИОС без применения гомогенизирующего предотжига. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности более длительной эксплуатации с меньшим числом отказов ИОС, прошедших процедуру гомогенизирующего предотжига при заданных возможностях драйвера.

Таким, образом, для того чтобы перевести систему в целом в неравновесное состояние необходимо приложить энергии в два раза больше, другими словами, стабильность системы повышается после восстановления нарушенного приповерхностного слоя кристалла НЛ - дрейф рабочей точки снижается. Это происходит за счет меньшего количества заряженных дефектов (более однородная структура) в области канальных волноводов и приповерхностного слоя кристалла НЛ.

Таким образом, в ходе температурных испытаний было показано существенное увеличение энергии активации дрейфа РТ в ИОС после восстановления нарушенного приповерхностного слоя кристалла НЛ (долговременный дрейф). Предложенная идея повышения стабильности работы ИОС за счет контроля материальных параметров передаточной функции показала свою эффективность в различных экспериментальных условиях и может быть применима к системам на основе других оптических материалов.

3.2.5. Выводы к главе 3.2

1. Установлено, что температура гомогенизирующего предотжига 500 °С является наиболее оптимальной для восстановления нарушенного приповерхностного слоя пластин НЛ и формирования стабильных Н^ь xNbOз-волноводов, что отражается деформациями структуры протонообменных слоёв и зависимостью Дпе от глубины волноводного слоя.

2. Показано, что восстановление нарушенного приповерхностного слоя НЛ приводит к снижению времени кратковременного дрейфа РТ в 2,5 раза и повышению энергии активации дрейфа РТ в 2 раза в ходе длительных температурных исследований ИОС (долговременный дрейф);

3. Показана взаимосвязь структурного состояния нарушенного приповерхностного слоя НЛ и дрейфовых характеристик ИОС.

Заключение

В настоящей работе рассмотрена проблема дрейфа рабочей точки ИОС с позиции материальных, структурных параметров системы. До сих пор проблема дрейфа РТ, рассматривалась как совокупность различных внешних факторов (буферные слои, температура, деформации и т.д.) и не уделялось должного внимания материальным параметрам ИОС (структура и свойства приповерхностного слоя НЛ). Важность материальных параметров заключается в том, что протонообменные волноводы формируются в приповерхностном слое глубиной до 10 мкм и от его состояния, в том числе, будет зависеть стабильность работы ИОС.

Первый этап работ заключался в исследовании состояния нарушенного приповерхностного слоя пластин НЛ различных производителей, используемых при производстве ИОС. Для этого была разработана специальная методика (излом пластин), позволяющая получить дополнительную информацию о состоянии нарушенного приповерхностного слоя НЛ. Исследования проводили на свежих сколах пластин различными структурными методами. Выявлено наличие нарушенного приповерхностного слоя для различных производителей пластин НЛ со средней глубиной 10-15 мкм. Указанный слой характеризуется существенной вариацией состава и механических свойств по глубине, что, несомненно, связано с повышенной плотностью дефектов и размножением дислокаций в ходе производства пластин НЛ. Отличительными особенностями исследуемых пластин НЛ производства Sipat от образцов Фомос и Crystal Technology являются множественные царапины, повышенные микронапряжения и шероховатость поверхности. Таким образом, показано, что все исследуемые пластины имеют как общие закономерности, так и существенные отличия, которые не указываются в паспортных данных, но от которых будет существенно зависеть стабильность работы ИОС.

Второй этап работ заключался в восстановлении нарушенного приповерхностного слоя пластин НЛ производства Crystal Technology с

последующим созданием на их основе ИОС. Восстановление нарушенного приповерхностного слоя проводили с помощью гомогенизирующего предотжига. Данная методика является достаточно простой, эффективной и не требует серьезных затрат. В результате исследований было показано, что температура гомогенизирующего предотжига 500 °С является наиболее оптимальной для восстановления нарушенного приповерхностного слоя НЛ. При указанной температуре происходит снижение внутренних напряжений в приповерхностном слое НЛ, что положительно сказывается в процессе протонного обмена. Также, в ходе протонного обмена обнаружено снижение деформаций кристаллической решетки НЛ. Повышение однородности структуры подтверждается оптическими характеристиками волноводов.

Таким образом, на втором этапе работ удалось определить оптимальный температурный режим для восстановления нарушенного приповерхностного слоя НЛ и формирования протонообменных волноводов.

Третий, завершающий этап работ заключался в изготовлении партии ИОС на основе НЛ с восстановленной структурой приповерхностного слоя и исследованием дрейфовых характеристик. Дрейф рабочей точки в ИОС исследовали при приложении напряжения к электродам модулятора (кратковременной дрейф) и при изменении температуры (долговременный дрейф). В результате исследований показано, что кратковременной дрейф рабочей точки при приложении напряжения снижается в 2,5 раза по сравнению с образцами ИОС без применения гомогенизирующего предотжига с 286 до 116 секунд. На основе результатов температурных испытаний ИОС были проведены расчеты энергии активации дрейфа рабочей точки. Сравнительный анализ показал повышение энергии активации в 2 раза с 0,8 до 1 ,5 эВ для ИОС после проведения гомогенизирующего предотжига НЛ. То есть для того чтобы перевести систему в неравновесное состояние необходимо приложить энергии в два раза больше, другими словами, стабильность системы повышается после восстановления нарушенного приповерхностного слоя НЛ.

Таким образом, на завершающем этапе продемонстрировано повышение стабильности работы исследуемых ИОС на основе протонообменных волноводов в НЛ после процедуры гомогенизирующего предотжига при 500 °С.

В настоящем исследовании удалось пройти весь путь от выяснения особенностей структурного состояния пластин НЛ, в которых формируются волноводные системы и их негативного влияния на стабильность ИОС до разработки конкретных практических рекомендаций по устранению этого негативного влияния, и апробации этих рекомендаций на конкретных изделиях серийного производства.

Общие выводы

1. Выявлено и исследовано особое структурное состояние пластин ниобата лития в виде четко ограниченного и обособленного приповерхностного слоя, содержащего высокую плотность дефектов, в том числе дислокаций кристаллического строения, сформированного в процессе их резки, шлифовки и полировки; именно в этом приповерхностном слое располагаются волноводные слои ИОС и именно дефектное состояние этого слоя ухудшает рабочие характеристики ИОС.

2. Установлен оптимальный режим термического предотжига для наиболее эффективного восстановления нарушенного приповерхностного слоя пластин ниобата лития и формирования в нем более стабильных, как по кратковременному, так и долговременному дрейфам рабочей точки ИОС на основе HxLil-xNbOз-волноводов.

3. Предложены практические рекомендации по входному контролю качества исходных пластин НЛ, повышению стабильности, получаемых на их основе ИОС и методам контроля оптических характеристик данных интегрально-оптических схем в Пермской научно-производственной приборостроительной компании (акт внедрения №15/0-25-а от 12.10.2020 г. -приложение Б).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах Статьи WoS/Scopus:

1. Sosunov A.V., Ponomarev R.S., Mushinsky S.S., Minkin A.M., Volyntsev A.B. Influence of lithium niobate sublayer structure to refractive index of optical waveguides // Ferroelectrics. 2016. Vol. 494 (1). P. 131-137.

2. Sosunov A.V., Ponomarev R.S., Yuriev A.B., Volyntsev A.B. Effect of the structure and mechanical properties of the near-surface layer of lithium niobate single crystals on the manufacture of integrated optic circuits // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2017. Vol. 53. № 1. P. 82-87.

3. Sosunov A.V., Ponomarev R.S., Yuriev V.A., Tsiberkin K.B., Volyntsev A.B. Features of structure and mechanical properties LiNbO3 // Ferroelectrics. 2017. Vol. 506 (1). P. 24-31.

4. Sosunov A., Ponomarev R., Semenova O., Petukhov I., Volyntsev A. Effect of pre-annealing of lithium niobate on the structure and optical characteristics of proton-exchanged waveguides // Optical Materials. 2019. Vol. 88. P. 176180.

5. Sosunov A.V., Ponomarev R.S., Mushinsky S.S., Volyntsev A.B., Mololkin A.A. and Malejacq V. Effect of the Structure of the Lithium Niobate Surface Layer on the Characteristics of Optical Waveguides // Crystallography Reports. 2020. Vol. 65. №. 5. P. 786-791.

Статьи РИНЦ:

6. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., А.А. Журавлев, Мушинский С.С. Подавление дрейфа рабочей точки интегрально-оптических схем на основе ниобата лития // Вестник Пермского университета. Физика. 2021. № 2. С. 5-13 (ВАК).

7. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Мушинский С.С., Волынцев А.Б. Мололкин А.А., Малежак В. Влияние структуры приповерхностного слоя ниобата лития на характеристики оптических волноводов // Кристаллография. 2020. Т. 65. № 5. С. 818-823 (ВАК).

8. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Юрьев А.Б., Волынцев А.Б. Влияние структуры и механических свойств приповерхностного слоя монокристалла ниобата лития на процесс производства интегрально-оптических схем // Автометрия. 2017. Т. 53. №1. С. 100-106 (ВАК).

9. Семенова О. Р., Сосунов А. В., Чуракова А. И. Моделирование кривых дифракционного отражения от протонообменных слоев монокристалла ниобата лития // Вестник Пермского университета. Физика. 2020. № 4. С. 17-28 (ВАК).

10. Сосунов А.В., Мушинский С.С., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б., Галуцкий В.В., Шмаргилов С.А. Оценка применимости кристаллов ниобата лития Z-среза с заданным распределением примесей для изготовления протонообменных волноводов // Вестник Пермского университета. Серия Физика. Вып. 2. 2017. С. 69-73.

11. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Бачурихин В.П., Волынцев А.Б., Шитоев И.Д., Мушинский С.С. Структурные особенности поверхностных слоев монокристалла ниобата лития // Вестник Пермского университета. Сер. Физика. Вып. 1(26). 2014. С. 5-8.

Тезисы конференций:

12. Сосунов А.В., Пономарев Р.С. О возможных причинах дрейфа показателя преломления в интегрально-оптических схемах // Материалы краевой научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Физика для Пермского края. 2013. С. 57-59.

13. Сосунов А.В., Юрьев В.А., Волынцев А.Б. Микротвердость приповерхностного слоя LiNbO3 // Физика для Пермского края [электронный ресурс]: материалы регион. науч.-практ. конф. студ., асп. и молодых ученых. 2016. С. 56-58

14. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Связь структурных особенностей приповерхностных слоев монокристалла ниобата лития с показателем преломления оптических волноводов // Сборник 5

международной конференции по фотонике и информационной оптике. 2016. С. 109-110.

15. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б., Циберкин К.Б. Феноменологическая модель описания пластической деформации в ЫМЬОз при переменной нагрузке // Сборник тезисов, материалы 22 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. 2016. С. 197-198.

16. Сосунов А.В., Пономарев Р.С. Механические свойства приповерхностного слоя монокристалла ниобата лития // Сборник материалов международной конференции СибОптика. 2016. С. 20-23.

17. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Влияние приповерхностного слоя монокристалла ниобата лития на стабильность характеристик оптических модуляторов // Сборник XV Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела. 2016. С. 86-87.

18. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Особенности структуры и механических свойств монокристалла ниобата лития // Материалы 22 международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред». 2016. С. 255-259.

19. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Влияние предотжига пластин ниобата лития на характеристики протонообменных волноводов // Материалы 22 международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред». 2017. С. 299-303.

20. Сосунов А.В., Пономарев Р.С. Приповерхностные слои кристалла ниобата лития как фактор нестабильности характеристик интегрально -оптических схем // Фотон-экспресс. № 6. 2017. С. 114.

21. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Влияние предотжига пластин ниобата лития на формирование оптических волноводов // Сборник трудов международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики-2018». 2018. С. 312-313.

22. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. О повышении стабильности работы интегрально-оптического модулятора на основе кристалла ниобата лития // Сборник трудов 18-й международной научной конференции-школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение». 2020. С. 23.

23. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Энергия активации постоянного дрейфа рабочей точки электрооптических модуляторов на основе ниобата лития с восстановленной структурой // Сборник трудов первой всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская фотоника-2020». 2020. С. 34.

24. Чернов Р.Ю., Сосунов А.В., Пономарев Р.С. Исследование коротковременного дрейфа рабочей точки оптических модуляторов на основе ниобата лития с восстановленной структурой. Физика для Пермского края [Электронный ресурс]: материалы региональной науч.-практ. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2020. С. 28-31.

25. Сосунов А.В., Волынцев А.Б. Стабильность интегрально-оптических схем на основе HxLil-xNbO3-волноводов в зависимости от состояния приповерхностного слоя кристалла ниобата лития // Сборник 10 международной конференции по фотонике и информационной оптике. 2021. С. 43-44.

Благодарности

Автор диссертации благодарит:

1. Заведующего кафедрой нанотехнологий и микросистемной техники ПГНИУ, д.ф.-м.н., профессора А.Б. Волынцева за руководство настоящей диссертационной работой.

2. Всех сотрудников кафедры нанотехнологий и микросистемной техники ПГНИУ за помощь и поддержку при реализации диссертационной работы.

3. Начальника отдела интегральной оптики и технологий ПАО Пермская научно-производственная приборостроительная компания С.С. Мушинского за помощь в создании экспериментальных образцов интегрально-оптических схем.

4. Доцента кафедры английского языка и профессиональной коммуникации ПГНИУ Н.А. Рукавишникову за обсуждение диссертационной работы.

5. Директора юридической компании «Корноушкин и партнеры» И.А. Корноушкина за поддержку при реализации диссертационной работы.

Список литературы

1. Noguchi K. Broadband optical modulators: science, technology, and applications / ed. Chen A., Murphy E.J. Boca Raton: CRC Press, 2012. 548 p.

2. Nagata H. et al. Impurity evaluations of SiO2 films formed on LiNbO3 substrates // Jpn. J. Appl. Phys. 1995. Vol. 34, № 2R. P. 606-609.

3. Nagata H., Kiuchi K. Temperature dependence of dc drift of Ti:LiNbO3 optical modulators with sputter deposited SiO2 buffer layer // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 73, № 9. P. 4162-4164.

4. Nagata H., Kitanobou T. Process control for a SiO2 buffer layer of LiNbO3 modulators to obtain reduced dc drift performance // Opt. Eng. 1997. Vol. 36, № 12. P. 3478-3480.

5. Nagata H., Papasavvas N., Maack D.R. Bias stability of OC48 x-cut lithium-niobate optical modulators: four years of biased aging test results // IEEE Photonics Technol. Lett. 2003. Vol. 15, № 1. P. 42-44.

6. Nagata H. et al. DC drift activation energy of LiNbO3 optical modulators based on thousands of hours of active accelerated aging tests // IEEE Photonics Technol. Lett. 2002. Vol. 14, № 8. P. 1076-1078.

7. Nagata H. et al. Improved Long-Term DC Drift in OH-Reduced Lithium Niobate Optical Intensity Modulators. // Appl. Opt. 1996. Vol. 35, № 34. P. 6828-6830.