СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАНАРНОГО ВОЛНОВОДА ОКСИДА ЦИНКА В НИОБАТЕ ЛИТИЯ
METHOD OF MAKING PLANAR WAVEGUIDE OF ZINC OXIDE IN LITHIUM NIOBATE

Изобретение относится к способу получения оптических планарных волноводов в ниобате лития для интегральной и нелинейной оптики. Повышение стойкости к оптическому излучению достигается за счет диффузии оксида цинка в ниобат лития. Полученные волноводные структуры используются для создания периодических доменных структур, позволяющих существенно расширить диапазон трансформации ими спектра лазерного излучения, и используются в режиме квазисинхронизма как для эффективной генерации второй оптической гармоники, так и для параметрического преобразования частоты в различные спектральные диапазоны.
Известен способ получения оптических титандиффузионных волноводов на основе монокристалла ниобата лития (Suchosky Paul G. IEEE J. Quantum Electron, 1987, Vol. 23, № 10, p.1673-1679). Диффузию титана проводят путем осаждения на поверхность ниобата лития металлической полоски титана толщиной 800 Å и температурной обработкой при температуре 1025°С в течение 6 часов. Недостатком данного способа является создание наряду с оптическим планарным волноводом для необыкновенной волны оптического канального титандиффузионного волновода.
Известен способ создания оптических канальных волноводов, включающий в себя термодиффузию пленки титана в подложку, из монокристалла ниобата лития (заявка РФ №94037128, дата опубл. 27.07.1996, G02B 6/12).
В данном способе полированные подложки из монокристалла ниобата лития подвергают предварительному температурному воздействию не менее 20 ч при температуре 900-1100°С.
Недостатком известного способа является возможность получения только канального волновода, а также длительная предварительная термическая обработка монокристалла ниобата лития.
Недостатком данного способа является то, что в процессе высокотемпературного отжига необходимо подавлять диффузию оксида лития с поверхности ниобата лития путем помещения на поверхность титанового покрытия высокотемпературной керамики.
3
3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу получения волновода является способ получения планарных, оптических волноводов Zn:LiNbO для интегральной и нелинейной оптики (Анисимов Д.О., Бородин М.В., Печенкин А.Ю., Смычков С.А., Халикулова С.Ф., Щербинина В.В. Планарные оптические волноводы Zn:LiNbO для интегральной и линейной оптики // Доклады ТУСУРа, №2 («»), часть 2, 2010, С.58-61).
3
Пленки оксида цинка толщиной 89 нм получают путем высокотемпературного отжига покрытия из пленкообразующих растворов нитрата цинка с салициловой кислотой на ниобате лития. К недостаткам данного способа относится первичная высокотемпературная деструкция (870-1050°С) нанесенного на поверхность ниобата лития пленкообразующего раствора нитрата цинка с салициловой кислотой. Такая обработка приводит к образованию более дефектной структуры оксида цинка и, как следствие, к снижению максимального приращения показателя преломления и количества волноводных ТЕ-мод, а также стойкости к оптическому излучению волноводов Zn:LiNbO.
3
Задачей настоящего изобретения является разработка стойкого к излучению в зеленой области спектра планарного волновода Zn:LiNbO со значениями максимального приращения показателя преломления 0,003-0,005 в ниобате лития диффузией из пленок оксида цинка для использования в устройствах нелинейной оптики. Способ создания планарного волновода оксида цинка на ниобате лития, включающий в себя приготовление пленкообразующего раствора с последующим выдерживанием его в течение 1 суток при комнатной температуре, нанесение его на полированный ниобат лития, сушку, отжиг, постепенное охлаждение в условиях естественного остывания муфельной печи, но в отличие от прототипа ниобат лития предварительно очищали 96%-ным раствором этилового спирта, сушку ниобата лития с нанесенным пленкообразующим раствором осуществляли при температуре 60°С в течение 1 часа, с последующим отжигом при 400°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 14°С/мин 1 час и при температуре 870-1050°С со скоростью нагрева 35°С/мин от 2 до 5 часов, при следующем соотношении компонентов пленкообразующего раствора, мас.%:
кристаллогидрат нитрата цинка - от 5,2 до 9,9%;
салициловая кислота - от 4,6 до 4,8%;
96%-ный раствор этилового спирта - остальное.
3
Конечный продукт представляет собой прозрачный материал с периодами периодически доменной структурой 6,7-6,9 мкм и числом ТЕ-мод при длинах волн 526,5; 632,8; 1053 нм 2-5. Свойства полученных образцов Zn:LiNbO приведены в таблице 1.
Пример 1. Пленкообразующий раствор готовят путем растворения 0,4461 г кристаллогидрата нитрата цинка и 0,4144 г салициловой кислоты в 10 мл 96%-ного раствора этилового спирта. Раствор выдерживают сутки и наносят на поверхность обработанного спиртом ниобата лития. Скорость вытягивания пленки из пленкообразующего раствора составляет 100 мм/мин. Полученную пленку раствора на ниобате лития сушат 1 час при температуре 60°С и отжигают в муфельной печи 1 час при температуре 400°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 14°С/мин. В данных условиях получают на ниобате лития оксид цинка, после чего образец отжигают 3 часа при температуре 880°С со скоростью нагрева 35°С/мин. В данных условиях получается волновод с максимальным приращением показателя преломления 0,003, характеризующийся тремя ТЕ-модами при длинах волн 526,5 и 632,8 нм.
Пример 2. Пленкообразующий раствор готовят путем растворения 0,4461 г кристаллогидрата нитрата цинка и 0,4144 г салициловой кислоты в 10 мл 96%-ного раствора этилового спирта. Раствор выдерживают сутки и наносят на поверхность обработанного спиртом ниобата лития. Скорость вытягивания пленки из пленкообразующего раствора составляет 100 мм/мин. Полученную пленку раствора на ниобате лития сушат 1 час при температуре 60°С и отжигают в муфельной печи 1 час при температуре 400°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 14°С/мин. В данных условиях получают на ниобате лития оксид цинка, после чего образец отжигают 3 часа при температуре 900°С со скоростью нагрева муфельной печи 35°С/мин. В данных условиях получается волновод с максимальным приращением показателя преломления 0,005, характеризующийся двумя ТЕ-модами при длинах волн 526,5 и 632,8 нм.
Пример 3. Пленкообразующий раствор готовят путем растворения 0,8922 г кристаллогидрата нитрата цинка и 0,4144 г салициловой кислоты в 10 мл 96%-ного раствора этилового спирта. Раствор выдерживают сутки и наносят на поверхность обработанного спиртом ниобата лития. Скорость вытягивания пленки из пленкообразующего раствора составляет 100 мм/мин. Полученную пленку раствора на ниобате лития сушат 1 час при температуре 60°С и отжигают в муфельной печи 1 час при температуре 400°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева муфельной печи 14°С/мин. В данных условиях получают на ниобате лития оксид цинка, после чего образец отжигают 2 часа при температуре 870°С со скоростью нагрева муфельной печи 35°С/мин. В данных условиях получается волновод с максимальным приращением показателя преломления 0,004, характеризующийся двумя ТЕ-модами при длине волны 526,5 и тремя ТЕ-модами при длине волны 632,8 нм.
В таблице 1 приведены условия диффузии и характеристики образцов полученных волноводов. Количество ТЕ-мод зависит от термической обработки образцов.
На рисунке 1 представлена термограмма разложения высушенного пленкообразующего раствора, указывающая на обоснованность выбора температурного режима отжига пленок на ниобате лития при температуре 400°С. Из термограммы видно, что при температуре 380°С начинает окисляться салицилат ион (экзотермический эффект горения органических остатков) и при 550°С заканчивает формироваться оксид цинка. Результаты количественного термического анализа представлены в таблице 2. Из таблицы видно, что конечным продуктом отжига пленкообразующего раствора является оксид цинка.
3
3
Преимуществом заявленного изобретения является возможность получения волноводов Zn:LiNbO из пленкообразующих растворов на основе солей цинка(II). Способ позволяет снизить трудоемкость и энергоемкость процесса получения пленок оксида цинка на ниобате лития и получать стойкий к излучению в зеленой области спектра планарный волновод Zn:LiNbO со значениями максимального приращения показателя преломления 0,003-0,005.
Таблица 1
Условия диффузии цинка в ниобате лития и свойства полученных образцов волноводов
Диффузия
Срез
Число ТЕ мод
526,5 нм
632,8 нм
1053 нм
2 раза по часу, 870°С
Y
2
3
1
2 раза по часу, 870°С
Y
2
3
1
2 часа, 930°С
Y
2
2
1
3 раза по часу, 880°С
Х
3
3
1
2 раза по 2 часа и 1 час, 870°С
Х
3
3
2
3 раза по часу
Х
2
2
1
Таблица 2
Количественные характеристики термического анализа высушенного ПОР состава Zn(C<sub>6</sub>H<sub>4</sub>(OH)COO)OH HNO<sub>3</sub>адс.
температурные интервалы, °С
убыль массы теор., %
убыль массы прак., %
удаляющееся вещество
промежуточный/конечный продукт
25-190
11,15
10,29
HNO<sub>3</sub>(адс.)
Zn(C<sub>6</sub>H<sub>4</sub>(OH)COO)OH
191-550
24,43
25,19
C<sub>6</sub>H<sub>4</sub>(ОН)COOH
ZnO