CC BY
126
УДК 535.44
Д.О. Анисимов, М.В. Бородин, А.Ю. Печенкин, С.А. Смычков, С.Ф. Халикулова, В.В. Щербина
Планарные оптические волноводы Zn:LiNbOз для интегральной и нелинейной оптики
Представлены результаты исследований планарных оптических волноводов, созданных высокотемпературной диффузией в подложки У- и Х-срезов ниобата лития из пленок оксида цинка. Сформированные волноводные структуры Zn:LiNbO3 использовались для синтеза в них планарных доменных решеток прямым электронно-лучевым облучением подложки. Методом генерации второй оптической гармоники на этих решетках оценены их характеристики.
Ключевые слова: ниобат лития, планарный оптический волновод, доменные структуры, генерация второй гармоники.
Введение
Кристалл ниобата лития является одним из наиболее широко применяемых в настоящее время сегнетоэлектрических материалов, универсальным для оптических применений благодаря возможности управления его свойствами в широких пределах путем варьирования состава [1]. Это особенно привлекательно для реализации устройств интегральной оптики [2]. К числу свойств ниобата лития, сильно зависящих от состава, относится фоторефрактивная чувствительность. Важной задачей для реализации большинства приложений, таких как нелинейная оптика и модуляция оптического излучения, является поиск путей его подавления, т.е. «нефоторефрактивных составов» [1]. К «нефоторефрактивным» примесям, создающим необходимое для обеспечения волноводно-го эффекта увеличение показателя преломления ниобата лития, относится Zn [3]. При создании оптических волноводов Zn:LiNbOз используются методы диффузии из паров Zn [4], металлических пленок Zn [5] и оксидных пленок ZnO [6].
Периодические доменные структуры (ПДС) в нелинейных сегнетоэлектрических кристаллах позволяют существенно расширить диапазон трансформации ими спектра лазерного излучения и используются в режиме квазисинхронизма как для эффективной генерации второй оптической гармоники (ГВГ) [7], так и для параметрического преобразования частоты в различные спектральные диапазоны, в том числе в терагерцевую область [8]. Электрически индуцируемая дифракция Брэгга на ПДС находит применение в широкополосных устройствах управления параметрами лазерного излучения [9]. Высококачественные ПДС для реализации нелинейно-оптических и модулирующих устройств могут быть сформированы в кристаллах ниобата лития и оптических волноводах на их основе электронным облучением подложки в растровом электронном микроскопе [10].
В настоящем статье представлены результаты исследований по формированию пла-нарных оптических волноводов высокотемпературной диффузией Zn в подложки У- и Х-срезов ниобата лития из пленок оксида цинка. Полученные волноводные структуры Zn:LiNbOз использовались далее для создания в них планарных ПДС прямым электронно-лучевым облучением подложки. Оптические исследования ПДС проведены методом микроскопического наблюдения ГВГ как при их облучении объемным пучком накачки, так и при его волноводном распространении.
Формирование планарных волноводов Zn:LiNbOз
Для формирования планарных волноводов использовались подложки конгруэнтного ниобата лития Х- и У-срезов, которые имели толщину от 1 до 2 мм и поперечные размеры по полярной оси Z - от 5 до 10 мм, а вдоль направления распространения света (оси У или Х, соответственно) - от 10 до 20 мм. Пленки ZnO на ^1№ЪОз получали из пленкообразующих растворов методом вытягивания. В качестве исходных веществ были выбраны соль нитрата цинка и салициловая кислота (СдЩ(ОН)СООН), растворитель - 96%-й (мас.) этанол. Установлено, что необходимое значение вязкости раствора (1,96 мм2/с) для получения качественных пленок достигается при соотношении Zn2+: СдН4(ОН)СОО" = 1:2; вязкость растворов измеряли на вискозиметре типа ВПЖ-2 при комнатной температуре. Полученные оксидные пленки были однородными, размер зерна по поверхности изме-
нялся в пределах 10-17 нм, высота кристаллитов не превышала 20 нм. Толщина пленок составляла ~86 нм.
Пластины ниобата лития с нанесенными на них пленками ZnO помещались в трубчатую печь СУОЛ-25 для проведения диффузии. Нагрев образцов осуществлялся со средней скоростью 35 °С/мин, температуры отжига составляли от 870 до 1050 °С, начальная скорость снижения температуры не превышала 15 °С/мин. Используемые при создании волноводов Zn:LiNbOз типичные параметры диффузионного процесса, для некоторых образцов с условной нумерацией 1-5 приведены в таблице, наряду с данными по количеству волноводных ТЕ-мод, экспериментально наблюдаемых в них на трех длинах волн.
Параметры диффузии и волноводов Zn:LiNbO3
Образец Параметры диффузии (время, температура) Срез Число ТЕ-мод, нм
526,5 632,8 1053
1 (+Y) 2 ч (2 цикла по 1 ч), 870 °C Y 2 3 1
1 (-Y) 2 ч (2 цикла по 1 ч), 870 °C Y 2 3 1
2 2 ч, 930 C Y 2 2 1
3 3 ч (3 цикла по 1 ч), 880 °C X 3 3 1
4 5 ч (2 цикла: 4 ч и 1 ч), 870 °C X 3 3 2
5 3 ч (3 цикла по 1 ч), 900 °C X 2 2 1
В образце 1 У-среза, имеющего обе оптически полированные поверхности, пленки осаждались из раствора естественным образом на каждую из них, и волновод формировался как на поверхности с нормалью +У, так и на поверхности с нормалью -У.
Для исследования характеристик полученных волноводов после отжига производились оптические измерения спектра эффективных показателей преломления волновод-ных мод и показателя преломления подложки методом призменного ввода-вывода излучения. Эксперименты показали, что импульсное излучение с длиной волны 1053 нм при некоторых углах ввода приводит к ГВГ в исследованных волноводах Zn:LiNbOз, которая фиксировалась по т-линиям, выводимым из волновода выходной призмой связи на длинах волн 532 и 526,5 нм соответственно. Измеренные углы ввода свидетельствуют о том, что при некоторых из них ГВГ обусловлена несинхронным волноводным процессом, когда возбуждаемая в волноводе ТЕ-мода ИК-диапазона является волной накачки. Другие углы, при которых наблюдается волноводная ГВГ, обусловлены тем, что наводимая при отражении волны накачки от границы раздела призмы ввода с поверхностью волновода нелинейная поляризация находится в синхронизме с волноводной модой на частоте второй гармоники. Данная методика позволяет определять спектр эффективных показателей преломления волновода сразу для двух длин волн (1053 и 526,5 нм), при использовании излучения с единственной длиной волны 1053 нм.
Формирование планарных ПДС в волноводах Zn:LiNbOз
Проведенные измерения эффективных показателей преломления позволили рассчитать периоды ПДС, необходимых для получения квазисинхронной ГВГ в этих волноводах, составляющих от 6,60 до 6,85 мкм. Для создания ПДС электронным пучком использовалась методика, описанная в работе [10], на растровом электронном микроскопе JSM-840А. Структуры формировались при нанесении серий периодических локальных облучений при энергии электронного луча 25 кэВ и токе 100 пА. Периоды исследованных структур, имеющих планарный характер, составляли от 4,75 до 7,25 мкм. Доза облучения для различных структур изменялась от 500 до 2000 мкКл/см2 при поперечных размерах облучаемой области порядка 700x700 мкм2.
Генерация второй гармоники на ПДС в структурах Zn:LiNbOз
Оптические исследования планарных ПДС проводилась методом ГВГ-микроскопии [11]. Поверхность образца засвечивалась широким пучком лазерного излучения (Х=1053 нм) с длительностью импульсов 10 нс и энергией 200 мкДж. Изображение всех сформированных ПДС, а также отдельные изображения каждой из структур были получены на длине волны 526,5 нм с помощью микроскопической системы и сопряженного с ней цифрового видеоокуляра.
Эффективная волноводная ГВГ на ПДС с пространственным периодом 6,6 мкм наблюдалась в волноводе 3 (см. таблицу) при накачке (1053 нм) на моде ТЕо Излучение на длине волны 526,5 нм фиксировалось с помощью выводной призмы из рутила в виде совокупности т-линий на модах ТЕ0-ТЕ2, а также по рассеянию в излучательные моды микроскопической системой, сопряженной с видеоокуляром.
Заключение
Таким образом, разработана технология формирования оптических волноводов Zn:LiNbO3 диффузией из пленок оксида цинка в подложки Y- и Х-срезов ниобата лития и показана возможность использования таких волноводов в устройствах нелинейной оптики.
Работа выполнена при поддержке программ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и ФАНИ (ГК 02.740.11.0553). Авторы благодарят С.А. Кузнецову, В.В. Козика и С.М. Шандарова за постановку задачи и консультации и Л.С. Ко-ханчик за формирование ПДС.
Литература
1. Сидоров Н.В. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Н.В. Сидоров, Т.Р. Волк, Б.Н. Маврин, В.Т. Калинников. - М.: Наука, 2003. - 255 с.
2. Волноводная оптоэлектроника / Под ред. Т. Тамира. - М. : Мир, 1991. - 575 с.
3. Атучин В.В., Белейчева Т.Г. Металл-диффузионные оптические волноводы на нио-бате лития: технологии, математическое моделирование. - Владивосток: Морской гос. ун-т им. адм. Г.И. Невельского, 2009. - 279 с.
4. Shiller F., Herreros B., Lifante G. Optical characterization of vapor Zn-diffused waveguides in lithium niobate // J. Opt. Soc. Am. A. - 1997. - Vol. 14. - P. 425-429.
5. Nevado R., Lifante G. Characterization of index profile of Zn-diffused LiNbO3 waveguides // J. Opt. Soc. Am. A. - 1999. - Vol. 16. - P. 2574-2580.
6. Young W.M., Fejer M.M., Digonnet M.J.F. et al. Fabrication, characterization and index profile modeling of high - damage resistance Zn - diffused waveguides in congruent and MgO:Lithium niobate // J. Lightwave Technol. - 1992. - Vol. 10, № 9. - P. 1238-1246.
7. Feier M.M., Magel G.A., Jundt D.H., Byer R.L. Quasi-phase matched second harmonic generation: tuning and tolerances // IEEE J. Quant. Electron. - 1992. - Vol. 28. -P. 2631-2654.
8. Kitaeva G. Kh. Terahertz generation by means of optical lasers // Laser Phys. Lett. -2008. - Vol. 5. - P. 559-576.
9. Yamada M. Electrically induced Bragg-diffraction grating composed of periodically inverted domains in lithium niobate crystals and its application devices // Rev. Sci. Instrum. - 2000. - Vol. 71. - P. 4010-4016.
10. Коханчик Л.С., Бородин М.В., Шандаров С.М. и др. Периодические доменные структуры, сформированные электронным лучом в пластинах LiNbO3 и планарных волноводах Ti:LiNbO3 Y-ориентации // ФТТ. - 2010. - Т. 52. - С. 1602-1609.
11. Soergel E. Visualization of ferroelectric domains in bulk single crystals // Appl. Phys. B. - 2005. - Vol. 81. - P. 729-752.
Анисимов Дмитрий Олегович
Аспирант каф. электронных приборов ТУСУРа
Тел.: (382-2) 41-38-87
Эл. адрес: [email protected]
Бородин Максим Викторович
Аспирант каф. электронных приборов ТУСУРа
Тел.: (382-2) 41-38-87
Эл. адрес: [email protected]
Печенкин Александр Юрьевич
Студент каф. электронных приборов ТУСУРа
Тел.: (382-2) 41-38-87
Эл. адрес: [email protected]
Смычков Станислав Александрович
Магистр 2-го курса каф. электронных приборов ТУСУРа
Тел.: (382-2) 41-38-87
Эл. адрес: [email protected]
Халикулова Светлана Фархадовна
Студентка 2-го курса Национального исследовательского Томского государственного университета
Тел.: (382-2) 42-08-02
Эл. адрес: [email protected]
Щербина Веста Вячеславовна
Аспирант каф. электронных приборов ТУСУРа
Тел.: (382-2) 41-38-87
Эл. адрес: [email protected]
Anisimov D.O., Borodin M.V., Pechenkin A.Ju., Smychkov S.A., Halikulova S.F., Shcherbina V.V. Planar optical waveguides Zn: LiNbO3 for an integrated and nonlinear optics
The results of investigations of planar optical waveguides created by high-temperature diffusion of Zinc oxide films in the substrates of Y-and X-cut lithium niobate are presented. The shaped waveguide structures Zn: LiNbO3 have been used for the synthesis of these planar domain gratings by direct electron-beam irradiation of the substrate. The characteristics of the gratings have been determined as a result of the second-harmonic generation on the gratings. By method of optical second harmonic generation on these lattices are evaluated by their performance.
Keywords: lithium niobate, planar optical waveguide, domain structure, second-harmonic generation.
