CC BY
27
УДК 535.32: 621.378
В. В. Хомченко, А. В. Хомченко, д-р физ.-мат. наук, Е. В. Глазунов
НЕЛИНЕЙНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА В ВОЛНОВОДНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТИ
Рассмотрены возможности методов волноводной спектроскопии для исследования свойств наноразмерных тонкопленочных структур. Данный подход основан на анализе фотоиндуцированных изменений в пространственном распределении интенсивности лазерного пучка, отраженного от призменного устройства возбуждения волноводной моды в исследуемой структуре.
Активные исследования в области нелинейной оптики наноразмерных тонкопленочных структур обусловлены широким спектром их возможных применений в устройствах управления светом и обработки информации. В настоящей работе представлены результаты разработки новых методов исследования свойств таких структур.
Оптические характеристики пленок (показатель преломления и коэффициент поглощения) были исследованы волноводными методами с применением техники призменного возбуждения направляемых мод в тонкопленочной структуре, основанными на регистрации пространственного фурье-спектра волноводных мод [1]. В качестве источника света применялся Не-Ые-лазер с длиной волны излучения 632,8 нм, работающий в режиме непрерывной генерации. Пространственное распределение интенсивности отраженного светового пучка измерялось с помощью линейки фотоприемников. Ошибка измерения интенсивности света составляла 0,1 %. Нелинейные показатель преломления п2 и коэффициент поглощения к2 пленки были также определены волноводным методом в ходе регистрации изменений фурье-спектра моды при вариациях интенсивности падающего светового пучка в условиях самовоздействия. Методика проводимых измерений и установка описаны в [2].
В ходе исследований нелинейных свойств тонкопленочных структур было обнаружено существование определенных диапазонов интенсивности падающего излучения, в которых фурье-спектр моды претерпевает резкие изменения. Такой диапазон интенсивности характерен для каждой конкретной структуры и зависит от ее толщины, поглощения материала и нелинейных оптических постоянных. При этом структуры проявляли свойства кубично-нелинейной среды: изменения показателя преломления п и коэффициента поглощения к были линейно связаны с изменением интенсивности зондирующего света. А влияние термооптического эффекта, т.е. изменение показателя преломления вследствие нагрева пленки при поглощении излучения, по нашим оценкам, были на два порядка меньше регистрируемых значений. Зависимости оптических свойств от интенсивности зондирующего излучения для стеклообразных и поликристаллических полупроводниковых пленок, пленок из стекол, легированных полупроводниками, носили немонотонный характер [3]. Так при исследовании нелинейных свойств пленок из стеклообразного сульфида мышьяка (толщиной до 5,0 мкм) была получена немонотонная зависимость постоянной распространения волноводной моды к'(1) от интенсивности света. Зависимость коэффициента отражения светового пучка при возбуждении волноводной моды с помощью призменного элемента связи и интенсивности отраженного пучка в процессе последовательного увеличения интенсивности зондирующего света также носили немонотонный характер [3]. Нелинейность оптических свойств тонкопленочных структур существенно зависела от оптического
качества поверхности подложки. На рис. 1 приведены зависимости Н'(1) для трех пленок 8п02, нанесенных на различные подложки в течение одного процесса осаждения, где АЬ'(1) = Ь'(1) - Ь'(10), а 10 - интенсивность света, при которой
нелинейные эффекты не регистрировались. В качестве подложек при этом использованы кварцевое стекло и структуры «кварцевое стекло - дефектная пленка 8ЮХ». Толщина пленок БЮХ составляла 1 мкм. Нелинейность оптических свойств более ярко выражена в волноводных структурах, содержащих в качестве буферного слоя между подложкой и волноводом дефектную БЮХ-пленку, имеющую более высокие значения коэффициента поглощения. Анализ наших экспериментальных данных и результатов других исследований позволил сделать вывод о том, что оптическая нелинейность в таких структурах обусловлена электронными процессами на границах раздела «полупроводник - диэлектрик», и ее возникновение связано с модификацией системы энергетических уровней электронных состояний в запрещенной зоне тонкопленочного материала [4].
I
Рис. 1. Зависимости АИ’(1) для пленки 8п02 на подложке (1) и структуры «8п02 - 8ЮХ -подложка» при к для 8ЮХ, равном 1,5 -10 -5 (2) и 5 -10 -6 (3)
Нелинейные изменения свойств многослойных структур, изготовленных послойным осаждением полупроводниковых и диэлектрических материалов и содержащих большое число границ раздела, могут служить подтверждением такого вывода. Зависимости волноводных свойств от интенсивности падающего излучения для таких структур на основе ниобата лития и кварцевого стекла также носили немонотонный характер, причем кривые Н(1) имели три, пять и шесть экстремальных точек для структур, содержащих три, пять и шесть слоев, полученных распылением мишени из ниобата лития. Аналогичный характер зависимости к'(1) наблюдался при возбуждении волноводных мод в структурах, полученных послойным осаждением проводящей двуокиси олова и кварцевого стекла (рис. 2).
Представленные результаты свидетельствуют о том, что сложный вид зависимости Н'(1) определяется количеством и толщиной слоев в исследуемом образце, причем толщины проводящих слоев составляли 12, 24 и 36 нм. На кривой АН'(I) также отчетливо прослеживается три области различной ширины, т.е. большей
толщине слоя соответствует большая ширина минимума на кривой Н'(1). Вследствие того, что фотоиндуцированное поглощение в пленках мы связали с захватом электронов на локализованные состояния внутри запрещенной зоны, природа которых чаще всего обусловлена дефектами на границах раздела или поверхности пленки, представляется возможным измерение толщины нанослоев, формирующих многослойную структуру. Результаты исследований представлены в табл. 1, анализ которых свидетельствует о явной корреляции между значениями ширины пиков А1 на кривых зависимости Н'(1) и толщиной отдельного нанослоя ^, которую можно определить из соотношения
с11 = С|я2 |А I /2Н ", где С - константа, значение которой равно 9,92.
Рис. 2. Изменения к’(1) для многослойных структур из двуокиси олова, содержащих три (1) и один (2) проводящий слой, в атмосфере воздуха (2) и паров воды (3)
Табл. 1. Параметры зависимости к'(I) и свойства тонких пленок
Тонкопленочная структура А! , мВт/см2 й*, нм П2, см2/Вт йь нм
1 2 3 4 5
8пО2 пленка к01к" = 3,14 -10 -4 2,1 -10 -4 2,4 -10 -4 3,9 -10 -4 229 26 30 45 707 117 117 117 1.9 -10'3 1,8 -10'3 1.9 -10'3 2,0 -10'3 693 111 118 115
8пО2 многослойная структура к01к" = 7 -10 -4 8,8 17,1 25,4 12 24 36 2 -10'3 12,5 24,4 36,3
8іОх пленка к01к" =2,9 -10 -6 22 1050 2,8 -10'4 1062
Ьі№О3 многослойная структура к0‘к" = 2 -10 -4 10 50 СП о 2, 52,5
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5
Аб283 пленка
к01к" = 8,43 -10 -5 100 1500 2,6 -10'3 1542
Пленка 2п8е
к0‘к" = 1,4 -10 -4 2,6 7 8 -10'4 7,4
1,2 -10 -4 5,0 12 6 -10'4 12,5
9,0 -10 -5 7,4 19 4,5 -10'4 18,5
Примечание -* - значения получены другими методами
Приведенные выше рассуждения, вероятно, применимы и к кристаллитам в диэлектрической матрице и поликристаллическим пленкам. По крайней мере, анализ результатов, полученных для поликристаллических пленок селенида цинка, свидетельствует о том, что характер немонотонной зависимости и значение нелинейной оптической постоянной осаждаемой пленки определялись ее кристаллическим качеством. Тогда по аналогии с многослойными структурами можно предположить, что большему размеру кристаллитов соответствует большая ширина пиков в зависимости к'(I) .
Используя изложенный выше подход можно оценить размер отдельного кристаллита в пленке. Результаты также представлены в табл. 1. Здесь нужно отметить, что под размером кристаллита следует понимать его усредненный по сечению пучка размер в направлении, перпендикулярном поверхности пленки. Аналогичные зависимости были получены для структур пониженной размерности на основе пленок, изготовленных распылением стекол, содержащих примеси сульфоселенида кадмия. Здесь нужно отметить, что под размером кристаллита следует понимать его усредненный по сечению пучка размер в направлении, перпендикулярном к поверхности пленки. Следовательно, существует реальная возможность оценить размеры нанокристаллитов в диэлектрической матрице. Подтверждением этому могут служить результаты исследования тонкопленочных структур из полимерного материала, легированного кристаллитами СёБе заданного размера. Их размер контролировался с помощью электронного микроскопа и составлял ~7 нм [6]. Соответствующая нелинейная зависимость волноводных свойств пленки представлена на рис. 3.
Анализ ее позволил оценить размер кристаллитов, который составил 7,1 нм. Наблюдаемое фотоиндуцированное поглощение в тонкопленочных структурах, вероятно, связано с захватом электронов на уровни дефектов вблизи границ раздела сред. На рис. 1, где представлены нелинейные зависимости свойств одной и той же пленки на различных подложках, виден разный характер нелинейной зависимости постоянной распространения моды этой пленки на различных подложках. Так как в плоскости гетероперехода всегда существует дефектный приповерхностный слой конечной толщины, то можно попытаться восстановить пространственное распределение дефектов вблизи поверхности такой структуры. Подобную дефектную структуру несложно сформировать диффузией атомов серебра в оптическое стекло по технологии изготовления градиентных волноводов. Профиль показателя преломления такого неоднородного слоя можно корректно восстановить известным методом ВКБ.
Пространственное распределение показателя преломления обычно связывают с распределением ионов диффузанта, т.е. дефектов вблизи поверхности [5]. Профиль показателя преломления такого волновода в стекле К8 представлен на рис. 4, там же приведены нелинейные зависимости к(1), которые позволяют оценить толщину дефектного слоя ~ 8 мкм, что удовлетворительно коррелирует с данными ВКБ. Эти результаты носят предварительный характер, и исследования распределения концентрации дефектов по глубине будут продолжены.
d
Рис. 3. Зависимость h’(I) для Рис.4. Профиль показателя преломления (1) и
полимерной пленки, содержащей зависимости h"(I) (2) для градиентного волновода в
кристаллиты CdSe стекле К8
Таким образом, рассмотренный подход к исследованию тонкопленочных структур пониженной размерности может позволить определить не только их оптические параметры, но и оценить геометрический размер отдельных элементов в подобных структурах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хомченко, А. В. Волноводная спектроскопия тонких пленок / А. В. Хомченко. - Минск : БГУ, 2002. - 223 с.
2. Сотский, А. Б. Измерение параметров кубично-нелинейных волноводов / А. Б. Сотский, А. В. Хомченко, Л. И. Сотская // Письма в ЖТФ. - 1994. - Т. 20, вып.16. - С. 49-54.
3. Khomchenko, A. V. да-lines technique application for studying of optical nonlinearity in thin films at low light intensity / A. V. Khomchenko // Optics Communications. - 2001. - Vol. 201, № 4-6. - P. 363-372.
4. Khomchenko, A. V. Interface effect on the nonlinear optical properties of thin films / A. V. Khomchenko, E. V. Glazunov // Optical and Quantum Electronics. - 2002. - Vol. 34, № 4. - P. 359-368.
5. Correlation between compositional and refractive index profiles in LiNbO3:Zn diffused optical waveguides / R. Nevado [etc.] // J. Appl. Phys. - 2000. - Vol. 88 (11). - P. 6183.
6. Хомченко, А. В. Нелинейное поглощение света в волноводных тонкопленочных структурах пониженной размерности / А. В. Хомченко, М. В. Артемьев, Е. В. Глазунов // Физика лазеров и их применение : материалы междунар. конф. - Минск : Ин-т физики НАН Беларуси, 2003. - С. 86-87.
Белорусско-Российский университет Институт технологии металлов НАН Беларуси Материал поступил 26.02.2006
V. V. Khomchenko, A. V. Khomchenko,
E. V. Glazunov
The nonlinear absorption of light in waveguiding low-dimensional thin-film structures
Belarusian-Russian University Institute of Technology of Metals of NASB
The resonant prism-coupling techniques have been discussed for studying of properties of thin-film structures. This approach is based on recording of the photo-induced changes in the angular spectrum of the reflected laser beam in the case of excitation of guided modes in thin-film structure.
