Способ формирования оптического волновода в кристалле ниобата лития
METHOD FOR FORMING AN OPTICAL WAVEGUIDE IN A LITHIUM NIOBATE CRYSTAL

3
Изобретение относится к области волноводной оптики, а именно к способам создания оптических канальных волноводов, и может быть использовано в интегральной оптике для изготовления волноводов и волноводных структур, а также при создании активных и пассивных элементов из монокристалла ниобата лития (LiNbO).
Известен способ формирования стационарных оптических волноводов методом протонного обмена [Патент RU 2334260 C1], который заключается в проведении реакции через маску специальной топологии в расплаве кислоты, где протонно-обменную реакцию проводят в герметичном автоклаве при низкочастотной вибрации и температуре 310-373°C в течение 5-22 часов.
Недостатком данного способа является то, что получаемые структуры содержат дефекты, формирующиеся в приповерхностном слое кристалла, в виду его подверженности резким изменениям фазового состава в течение протонного обмена и постобменного отжига.
Известен способ формирования стационарных оптических волноводов в монокристалле ниобата лития методом ионной имплантации [Патент US 5066514 A]. Суть данного способа заключается в бомбардировке выделенных областей кристалла потоком ускоренных ионов имплантируемого элемента, что влияет на показатель преломления облучаемой поверхности. Ионы внедряются в кристаллическую решетку, проникая на заданную глубину. Затем проводят отжиг для устранения дефектов.
Недостатком данного способа является высокий уровень собственных потерь, связанных с нестабильностью ионов имплантируемого элемента, из-за чего невозможно обеспечить воспроизводимость изготовления волноводов с удовлетворительным уровнем потерь.
Наиболее близким, в качестве прототипа, был выбран способ формирования оптических волноводов в монокристаллах ниобата лития методом диффузии [Патент RU 2089928]. Подложки из монокристалла ниобата лития с полоской металлического титана помещают в герметично закрытый контейнер в нагретой и насыщенной кислородом атмосфере с поддержанием температуры порядка 900-1100°C на 20 часов. Диффузией титана в подложку создают оптический титан-диффузионный канальный волновод. Общим признаком прототипа с предлагаемым способом является применение температурного нагрева кристалла.
К недостаткам данного способа относятся дрейф параметров устройств на основе таких титан-диффузионных волноводов из-за их подверженности к высоким оптическим повреждениям. Необходимы вспомогательные технологии подавления аут-диффузии лития и постдиффузионный высокотемпературный окислительный отжиг, что вносит дополнительные потери к параметрам итогового устройства. Так же, использование высоких температур влечет большие энергетические затраты.
Цель настоящего изобретения состоит в создании способа формирования волноводных структур, исключающего процесс внедрения примесей в кристалл ниобата лития и сопутствующие проблемы, связанные с энергозатратностью.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в исключении внедрения примесей в кристалл ниобата лития, в снижении воздействующей температуры до ΔT=6°С и продолжительности процесса формирования волновода до 65 с.
Указанная цель достигается тем, что необходимая для формирования волновода модуляция показателя преломления среды осуществляется под действием физических явлений: комбинацией вкладов фоторефрактивного и пироэлектрического эффектов при распространении лазерного излучения в нагретом кристалле.
Идеей предлагаемого изобретения является применение метода формирования волноводных элементов на основе кристаллических материалов путем оптического индуцирования канальных волноводов пироэлектрическими светлыми пространственными солитонами. В рамках предлагаемого изобретения для оптического индуцирования подобных структур в сегнетоэлектрических кристаллах использована комбинация вкладов фоторефрактивного и пироэлектрического эффектов, что позволяет формировать такие структуры в фоторефрактивных кристаллах ниобата лития.
Способ формирования структур реализуется за счет электрооптического эффекта, вызывающего изменение показателя преломления вещества из-за перераспределения зарядов в среде под действием электрического поля.
Фоторефрактивный эффект обусловлен возникновением электрического поля пространственного заряда при распространении лазерного излучения в сегнетоэлектрической среде. Показатель преломления изменяется локально, в области, где распространяется лазерное излучение. Данный эффект наглядно заметен, потому как проходящие через кристалл лазерные пучки претерпевают дифракционную расходимость, вызванную снижением показателя преломления.
Пироэлектрический эффект вызывает изменение показателя преломления под действием электрического поля, возникающего при изменении температуры кристалла. Поле пространственного заряда, формируемое за счет пироэлектрического эффекта противоположно по направлению полю пространственного заряда, обусловленного фоторефрактивным эффектом. Данное обстоятельство приводит к компенсации взаимно противоположных электрических полей в освещенной области кристалла, что предотвращает изменение показателя преломления в зоне их взаимодействия.
3
Таким образом, в освещенной области кристалла формируется пространственный светлый оптический солитон, когда в неосвещенной области показатель преломления уменьшается в виду самодефокусирующей нелинейности LiNbO. В результате образуется структура, характеризующаяся наличием областей с разными показателями преломления, которая может выступать в качестве оптического волновода.
В отличие от прототипа, в предлагаемом способе формирование волноводной структуры происходит за счет модуляции показателя преломления в локально освещенной области кристалла без внедрения примесей. Механизмом формирования структуры в прототипе является диффузия примесей при нагреве кристалла ниобата лития. В предлагаемом способе нагрев осуществляется для формирования поля пространственного заряда, обусловленного пироэлектрическим эффектом, что в совокупности с полем пространственного заряда, обусловленного фоторефрактивным эффектом, приводит к возникновению области с повышенным показателем преломления и, соответственно, формированию волноводной структуры. Способ, описанный в прототипе, подразумевает нагрев кристаллической подложки ниобата лития до 900-1100°C. В предлагаемом способе нагрев осуществляется не выше чем на 6°C. Процесс диффузии в прототипе составляет не менее 20 часов. В предлагаемом способе процесс формирования волновода занимает не более 65 с. Геометрические размеры формируемой волноводной структуры в способе, описанном в прототипе, определяются габаритами нанесенной маски на подложку кристалла. В предлагаемом способе геометрия волновода задается размером формирующего лазерного пучка.
Формирование структуры достигается следующим образом:
1. Лазерное излучение с длиной волны 457 нм фокусируется на входную грань кристалла ниобата лития. Необходимо соблюдение линейной поляризации света, ориентация которой совпадает с оптической осью кристалла. Диаметр формируемого волноводного канала соответствует диаметру светового пятна, попадающего на входную грань кристалла.
2. Кристалл размещается на нагревательном элементе.
3. Для контроля процесса записи, анализатор лазерных пучков настраивается на изображение с выходной грани кристалла.
4. Одновременно на кристалл подается лазерное излучение и осуществляется его постепенный нагрев до ΔT=6°С.
5. Когда диаметр светового пятна на выходной грани становится равным диаметру такового на входной грани - волновод считается сформированным. Нагрев прекращается. Интенсивность излучения формирующего пучка устанавливается на значение в единицы мкВт для исключения влияния фоторефрактивных искажений.
6. Осуществляется контроль сформированной структуры (проводится сравнение диаметра светового пучка на входной и выходной гранях; оцениваются потери).
3
На фиг. 1 изображена схема экспериментальной установки для формирования волноводных структур, где: 1) источник лазерного излучения, 2) фокусирующая линза, 3) кристалл LiNbO, 4) нагреватель, 5) масштабирующая линза, 6) анализатор лазерных пусков.
Источником излучения являлся лазер КLM-457/50 с длиной волны 457 нм и линейной поляризацией света.
Фокусирующей линзой задается размер лазерного пучка, соответствующий диаметру формируемого волновода. Расчет диаметра сфокусированного излучения проводится по формуле (1):
0
где λ - длина волны лазерного излучения, F - фокусное расстояние линзы, D - диаметр лазерного излучения (по уровню половинной интенсивности).
0
Фокусное расстояние фокусирующей линзы составляет 1 см, что позволяет сформировать на входной грани кристалла световое пятно диаметром 9,7 мкм при D=600 мкм.
3
Кристалл ниобата лития имеет размеры 20×7×1 мм вдоль осей X, Y, Z соответственно и направлением оптической оси C, совпадающей с осью Z. Кристалл размещается на элементе Пельтье, сопряженного с блоком управления для контроля температуры.
Масштабирующая линза проецирует изображение с выходной грани кристалла на анализатор лазерных пучков в увеличенном масштабе. Соотношение сторон и масштаб вычисляется по формуле (2):
где u - расстояние до объекта, v - расстояние до изображения.
Фокусное расстояние масштабирующей линзы 3 см. Путем соотношения расстояний от кристалла до линзы в 3,3 см, и от линзы до анализатора 33 см было получено 10-ти кратное увеличение изображения.
Каждый элемент установки размещается на линейные трансляторы с возможностью микрометрической подстройки по трех осям (X, Y, Z).
Температура регистрируется термопарой, подключенной к контроллеру температуры. Регистрация картин распределения интенсивности лазерного излучения проводится анализатором лазерных пучков OPHIR BeamStar BS-FW-FX33.
2
В процессе записи мощность лазерного излучения составляет P=0,15 мВт (интенсивность I=150 Вт/см), а изменение температуры ΔТ=6°С.
вых
На фиг. 2 представлены графики зависимости диаметра (D) пятна от времени (t) и температуры (T) в процессе формирования волноводной структуры на длине волны 457 нм. Как видно из полученных характеристик для формирования волноводной структуры потребовалось 65 с при динамическом изменении температуры в 6°C.
На фиг. 3 приведены картины распределения интенсивности световых полей (верхний ряд) и соответствующие им профили (нижний ряд): а) на входной грани кристалла, б) на выходной грани кристалла в начальный момент времени, в) на выходной грани кристалл спустя 22 с - пятно расширилось, под действием фоторефрактивного эффекта, г) на выходной грани кристалла спустя 50 с при нагреве кристалл - происходит компенсация дифракционных искажений, д) на выходной грани кристалла спустя 65 с - полная компенсации дифракции светового пучка с образованием светлого солитона и формированием волноводного канала.