ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ВОЛНОВОДОВ В НИОБАТЕ ЛИТИЯ ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ПРОТОННО-ИОННОГО ОБМЕНА

Введение........................................................................................................... 4
1 Общая характеристика ниобата лития....................................................... 6
1.1 Оптика волноводов................................................................................ 11
1.2 Геометрия и материалы изготовления волноводов............................ 17
1.3 Устройства ввода оптического излучения в волновод....................... 21
2 Методы получения волноводов.................................................................. 23
2.1 Ti-диффузионная технология.......................................................... 24
2.2 Диффузионный отжиг титан-диффузионного волновода.................. 29
2.3 Получение оптических волноводов методом ионного обмена (протонного замещения)................................................................................
34
2.4 Отжиг протонно-обменного волновода............................................... 43
3 Эксперимент по протонно-ионному замещению...................................... 45
Резюме……………………………………………………………………….. 62
Заключение ..................................................................................................... 65
Список использованных источников............................................................ 67

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы. Интегрально-оптические (ИО) устройства в настоящее время находят широчайший спектр применений в области оптоэлектронной обработки информации и оптической связи. Одним из основных элементов интегральной оптики является многофункциональный интегрально-оптический элемент (МИОЭ). Волноводы являются базисными элементами любых ИО схем. Пассивные волноводные структуры применяются для расщепления оптических сигналов и маршрутизации излучения по выбранным направлениям.
Одним из актуальных направлений в интегральной оптике является создание волноводных структур, элементов и устройств на основе ниобата лития. Благодаря неравному соотношению сторон кристаллической решетки ниобат лития имеет широкий спектр возможных сфер применения.
Преобразование частоты лазерного излучения методами нелинейной оптики широко используется в современной технике и в научных исследованиях. Диэлектрические волноводы в нецентросимметричных кристаллах, благодаря высокой интенсивности электромагнитных полей при заданной мощности, позволяют существенно увеличить эффективность нелинейно-оптических спектральных преобразований лазерного излучения, использующих квадратичную нелинейность. Легированные и номинально чистые кристаллы ниобата лития являются сегнетоэлектрическими многофункциональными материалами, на основе которых реализуются устройства интегральной и нелинейной оптики и модуляции лазерного излучения. Генерация второй оптической гармоники в этих кристаллах в условиях фазового синхронизма ограничена для ?2? спектральной областью от 0,5 мкм до 1,9 мкм. Однако возможность формирования в ниобате лития периодических доменных структур (ПДС) позволяет реализовать генерацию второй гармоники (ГВГ) в режиме квазисинхронизма, когда этот диапазон ограничивается сверху только областью прозрачности для волны накачки (?2?< 2,75 мкм), а снизу – для второй гармоники ( ?2? > 0,4 мкм).
На сегодняшний день существует множество методов изготовления волноводов в ниобате лития. Наиболее перспективными для создания нелинейно оптических элементов являются диффузионное легирование ниобата лития такими примесями, как цинк, галлий и титан, которые снижают фоторефрактивную чувствительность ниобата лития к излучению видимого диапазона при объемном легировании и метод протонного обмена (ионного замещения)
Цель работы – Сравнительный анализ методов изготовления волноводов в ниобате лития. Разработка методики и приборно-материальной базы для проведения эксперимента по протонно-ионному обмену. Изготовление волноводов методом ПИО. Оценка характеристик полученных волноводов.
Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:
1 Изучить наиболее популярные методы изготовления волноводов в ниобате лития.
2 Провести сравнительный анализ процессов изготовления волноводов в ниобате лития, выбрать наиболее перспективный метод.
3 Разработать и описать приборно-материальную базу для изготовления волноводов выбранным методом.
4 Изготовить волноводы в ниобате лития методом протонно-ионного обмена. Провести оценку характеристик полученных волноводов.
Объект исследования в данной диссертации – методики изготовления волноводов в ниобате лития. Характеристики волноводов полученных методом протонно-ионного обмена.
Предмет исследования в данной диссертации – сравнительный анализ наиболее распространенных методов изготовления волноводов. Практическая реализация эксперимента по изготовлению волновода методом протонно-ионного обмена.
В рамках поставленных задач тема была разработана в соответствии с поставленным заданием в полном объеме.
Новизна диссертации заключается в создании приборно материальной базы для проведения эксперимента по протонно-ионному обмену.
На защиту выносятся следующие положения:
1 Анализ методов изготовления волноводов различной формы в градиентном ниобате лития методом протонно-ионного обмена.
2 Практическая реализация эксперимента по изготовлению волноводов в ниобате лития методом протонно-ионного обмена.
3 Проведенная оценка характеристик полученных волноводов методом протонно-ионного обмена.
Теоретическая и практическая значимость исследования состоит в возможности применения разработанной методики для решения следующих задач:
- ускоренного изготовления волноводов методом протонно-ионного обмена в ниобате лития;
- проектирования технологических режимов изготовления волноводов с необходимыми оптико-физическими свойствами;
Полученные в данной работе результаты тесно связаны с научно-исследовательской работой, проводимой на кафедре оптоэлектроники КубГУ, и найдут реальное использование при проектировании технологии получения различных волноводных структур с требуемыми параметрами в ИО схемах.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Общая характеристика ниобата лития

Ниобат лития (LiNbO3, LN) невозможно найти в природе. Монокристалл LN был впервые выращен в лаборатории Белла и его сегнетоэлектрические свойства были предсказаны Маттиасом и Ремейком. Теоретически сегнетоэлектрические свойства LN были изучены Швайнлером, используя метод Слетера, предложенный для BaTiO3. Свойства LN были изучены, спустя 15 лет, независимо Бальманом , Федуловым с соавторами и Нассау с соавторами , которым удалось вырастить большие кристаллы LN методом Чохральского. Низкие акустические потери позволяют использовать LN для производства устройств на поверхностно акустических волнах. В настоящее время промышленно производится несколько тонн LN в год. LN широко используется в создании разнообразных устройств, использующих его упругие, пьезоэлектрические, диэлектрические, акустооптические, электрооптические, пироэлектрические, фотоупругие и фотовольтаические свойства. LN – одноосный кристалл, обладающий в сегнетоэлектрическом состоянии симметрией C3v (R3c), доменной структурой только со 180° доменными стенками и шестиугольной формой доменов. Важными параметрами кристалла являются значения спонтанной поляризации Ps = 70 мкКл/см2 , коэрцитивного поля Ec = 210 кВ/см, температуры Кюри Tc = 1210 °C, и основных пьезоэлектрических коэффициентов: d15 = 70, d22 = 20, d31 = –1, d33 = 6 пм/В, показатели преломления для обыкновенной волны n0 = 2,2866 и для необыкновенной волны ne = 2,2028 для лазерного излучения с длиной волны 632,8 нм [6–8]. Ярко выраженный электрооптический эффект позволяет in situ наблюдать кинетику доменной структуры [9]. Более того, изучение доменной структуры LN обусловлено интересом к материалу с точки зрения практического применения [10–13]. LN является модельным кристаллом для изучения кинетики доменов. 14 Наиболее популярный является конгруэнтный состав LN (congruent lithium niobate, CLN). Весьма большое коэрцитивное поле делает приложение необходимого порогового поля в достаточной степени сложной с точки зрения практики задачи. Поэтому, LN долгое время считался «замороженным» сегнетоэлектриком. Недавно, новые представители семейства LN с составом, близким к стехиометрическому, стали доступны для исследователей и практических применений. Стехиометрический LN (SLN) имеет значительно более низкие коэрцитивные поля и необычную кинетику доменной структуры [10; 11; 14].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Салех, Б. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Т.1. Б. Салех, М. Тейх. – Издательский дом: “Интеллект”, 2012. – 760 с.
2. Галуцкий, В.В. Электронный лабораторный практикум по дисциплине «Оптоэлектронные квантовые приборы и устройства» / В.В. Галуцкий, Н.В. Киселёв, Е.В. Строганова. – Краснодар: Новация, 2016. –
3. Галуцкий, В.В. Электронный комплекс расчета параметров оптических нелинейных сред / В.В. Галуцкий, Е.В. Строганова. – Краснодар: Новация, 2016. – 80 с.
4. Дмитриев, В.Г. Прикладная нелинейная оптика / В.Г. Дмитриев, Л.В. Тарасов. – Издательство: “ФИЗМАТЛИТ”, 2004. – 512 с.
5. Сосунов, А. В. Связь структурных особенностей приповерхностных слоев монокристалла ниобата лития с показателем преломления оптических волноводов / А. В. Сосунов, Р.С. Пономарев, А.Б. Волынцев // V Международная конференция по фотонике и информационной оптике: сборник научных трудов – НИЯУ «МИФИ», 2016. – С. 109–110.
6. Электрооптическая эффективность фазовых модуляторов на основе протонообменных LiNbO3 волноводов / С. М. Кострицкий, Ю.Н. Коркишко, В.А. Федоров и др. // V Международная конференция по фотонике и информационной оптике: сборник научных трудов – НИЯУ «МИФИ», 2016. – С. 329–333
7. Кострицкий, С. М. Электрооптический переключатель 1x2 на основе канальных волноводов в кристаллах LiNbO3 / С. М. Кострицкий, Ю.Н. Коркишко, В.А. Федоров // VI Международная конференция по фотонике и информационной оптике: сборник научных трудов – НИЯУ «МИФИ», 2017. – С. 342– 343.
8. Безпалый, А. Д. Оптическое формирование канальных волноводов и планарных дифракционных решеток в фоторефрактивном приповерхностном слое ниобата лития / А. Д. Безпалый, А. О. Верхотуров, В.М. Шандаров // Ученые записки физического факультета Московского Университета. – 2016. – № 5. –
9. Григорьев, В. А. Применение теории оптических волноводов к исследованию и разработке оптических преобразователей для помехоустойчивых систем связи / В. А. Григорьев // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. – 2010. – № 1–2. – C. 64–68.
10. Planar and ridge waveguides formed in LiNbO3 by proton exchange combined with oxygen ion implantation / Shao-Mei Zhang, Ke-Ming Wang, Xiangzhi Liu, Zhuanfang Bi, and Xiu-Hong Liu, // Opt. Express. – 2010. Vol.18. P.15609-15617.

Весь текст будет доступен после покупки