CC BY
7ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2015 Серия: Физика Вып. 3 (31)
УДК 621.372.8;
Увеличение диаметра Н ХЫ1 _^Ь03 канальных волноводов с помощью доотжига
А. Р. Хасаншина, Р. С. Пономарев
Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 email: [email protected]
В работе рассчитаны параметры волноводов для оптического амплитудного модулятора, работающего на длине волны излучения 2.1 мкм. Рассмотрен метод изменения параметров оптического волновода с помощью дополнительного отжига и определена величина предельного контраста показателя преломления волновода, ниже которой прекращается распространение фундаментальной моды излучения. На основе расчета плотности ионов Н+ в волноводе показано, что контраст волновода после отжига будет выше предельного, и кана-лирование фундаментальной моды будет проходить в нормальном режиме. Показано, что методом доотжига могут быть получены волноводы с большей шириной.
Ключевые слова: амплитудный модулятор; волновод; отжиг; протонный обмен; ниобат лития
1. Введение
Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной квантовой электроники. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Наибольший интерес для использования в медицине представляют лазеры, длина волны которых находится в диапазоне от 2.0 мкм и выше. Примером является лазер на основе кристалла алюмоиттриевого граната, активированного ионами гольмия, -Ho:YAG, способный генерировать лазерное излучение на длине волны 2.1 мкм.
Излучение с такой длиной волны хорошо поглощается биологической тканью, глубина его проникновения составляет около 0.4 мм [1]. Кроме того, для данной длины волны характерны относительно малые потери на распространение в кварцевом оптическом волокне, что позволяет использовать его для удобной доставки излучения к месту хирургического вмешательства. Это особенно важно, в частности, для проведения малоинвазив-ных эндоскопических операций. Излучение голь-миевого лазера хорошо коагулирует сосуды диаметром до 0.5 мм, что вполне достаточно для большинства хирургических вмешательств. Кроме того, излучение данной длины волны обеспечивает минимальное повреждение окружающих тканей, предотвращая обугливание.
Перечисленные выше факты обеспечивают интерес к разработке самих лазеров и устройств, спо-
собных дозировать мощность излучения или осуществлять его модуляцию на определенной частоте. К таким устройствам относятся оптические амплитудные модуляторы, способные дозировать мощность непрерывного излучения и осуществлять модуляцию выходной мощности на высокой частоте.
Ранее нами были разработаны и испытаны модуляторы, рассчитанные на длину волны 1.5 мкм. При попытке их сопряжения с Ho:YAG-лазером указанные модуляторы показали высокие оптические потери, что сделало невозможным их применение в текущем виде. В связи с этим целью данной работы был поиск методов перевода модуляторов на более высокое значение рабочей длины волны, т.е. увеличение эффективного диаметра оптических волноводов модулятора.
2. Методы изготовления волноводов на длину волны 2.1 мкм
Для создания оптического амплитудного модулятора, работающего в одномодовом режиме на длине волны излучения Я = 2.1 мкм, важно знать ширину волновода или его диаметр d, считая сечение волновода круглым. Расчет данной величины производился на основе уравнения самосогласованности [2]:
2knfd cos О — 2< — 2< = 2тя,
где k = 2п / Я, X - длина волны излучения, m - целое число (0, 1, 2...), которое определяет порядок
© Хасаншина А. Р., Пономарев Р. С., 2015
Увеличение диаметра ИхЫ1-хЫЬ0з канальных волноводов с помощью доотжига
65
моды, ф, и фс - фазовые сдвиги, которые определяются по формуле:
Г2 • 2
81П
- п
щ соъв^
где щ и пц - показатели преломления волновода и подложки соответственно. Для исследуемых волноводов по данным модовой спектроскопии п= 2.217, п, = 2.200 по данным паспорта кристалла.
Расчётное значение диаметра волновода составило 8 мкм. Следует отметить, что реальный диаметр волноводов с рабочей длиной волны 1.55 мкм составляет около 6 мкм.
Увеличение диаметра волновода было предложено проводить методом доотжига уже готовых волноводов. При этом увеличение диаметра происходит за счет диффузионного распространения ионов Н+ из сформированных ранее волноводов в матрицу кристалла. Данный способ является наиболее быстрым и дешевым, но не гарантирует качества волноводов, получаемых в результате его применения.
3. Изменение ширины волновода с помощью доотжига
Неизбежное уменьшение контрастности волновода, вызванное уменьшением концентрации ионов Н+, может привести к тому, что значение Ап = пу - щ может стать настолько малым, что
перестанут выполняться условия распространения фундаментальной моды излучения. Вследствие этого были проведены дополнительные расчеты плотности протонов в отожженном волноводе и связанного с ней значения Ап.
Из структурно-фазовой диаграммы протонооб-менных слоев в ниобате лития [3] была определена концентрация протонов и соответствующее ей значение контраста показателя преломления между подложкой и волноводом (рис. 1).
С учетом прямого залегания слоев можно приближенно рассчитать количество протонов, содержащихся в фазах р1 и р2. Для указанных фаз параметр X из Li1-xHxNbOз составляет [4]:
р2 фаза: X = 0.52...0.64, среднее значение Ср2 = 0.58, толщина слоя dp2 = 380 нм,
р1 фаза: X = 0.43.0.52, среднее значение Ср1 = 0.48, толщина слоя = 120 нм.
Для а-фазы х = 0.0.12. Толщина слоя а-фазы после отжига ^ составляет около 7 мкм.
Тогда для а-фазы параметр X вычисляется из следующего соотношения:
х = [аР2 сР2+ ср1]Ма = 0.04
при условии, что все внесенные протоны остаются в решетке НЛ после отжига. Из структурно-фазовой диаграммы было определено, что для данного значения х контраст волновода Ап ~ 0.007. Предельное значение Ап, при котором волновод работает в волноводном режиме, определяется по числу мод в соответствии со следующим соотношением:
т = -
4
2 2 п/ - п
График зависимости числа мод от значения Ап приведен на рис. 2.
Рис. 1. Структурно-фазовая диаграмма ПО-слоев в НЛ [3]
Рис. 2. Вычисление предельного контраста показателя преломления
Как видно из графика, при значении Ап = 0.007 фундаментальная мода излучения существует в волноводе, что доказывает возможность создания волноводов с рабочей длиной волны 2.1 мкм методом доотжига.
66
А.Р. Хасаншина, Р.С. Пономарев
Процедура отжига
Образцы представляли собой стандартные чипы оптических фазовых модуляторов производства ОАО ПНППК (г. Пермь), предназначенные для работы на длине волны 1.55 мкм. Сборка тестируемых модуляторов проводилась авторами работы.
Малое количество образцов было обусловлено двумя факторами. С одной стороны, предполагалось, что использование стандартных серийно производимых чипов обеспечит единство их поведения в ходе эксперимента. С другой стороны, мы стремились выявить влияние доттжига и нивелировать влияние особенностей сборки модулятора, т.е. считали, что после каждого отжига мы исследуем новый образец, идентичный прежнему в плане сборки и отличающийся только состоянием волноводов.
Доотжиг проводился на двух образцах при температуре 354 °С, что соответствует температуре первичного отжига при формировании волноводов. Шаг по времени отжига составлял 20 мин, предполагалось аддитивное влияние каждого шага и отсутствие дополнительной релаксации в структуре кристалла.
Для регулировки температуры использовался программируемый терморегулятор, который обеспечивал выход на режим в течение 20 мин. По истечении времени отжига образцы извлекались из печи и остывали на воздухе.
4. Методика измерения диаметра волновода
Измерение диаметра волновода проводилось в ближнем поле, схема измерительной установки представлена на рис. 3.
в измеритель оптической мощности 6, после чего фиксируется оператором.
В качестве измерительного зонда использовался кончик тестового оптического волокна, касающийся волновода. В ходе измерения тестовое волокно и исследуемый волновод юстировались по максимуму проходящей оптической мощности. Юстировка производилась с помощью перемещения тестового волокна, закрепленного в специальном вакуумном держателе на микропозиционере.
Рис. 4. Измерение диаметра волновода с помощью тестового оптического волокна
Рис. 3. Схема измерительной установки
Свет от источника излучения 1 через волоконный соединитель 2 вводится в волноводы Y-разветвителя, диаметр которых измеряется. Волоконный соединитель 4 юстируется с измеряемым волноводом с помощью прецизионного микропозиционера 5. Излучение, вышедшее из волновода и попавшее в волоконный соединитель 4, передается
Рис. 5. График измеренного диаметра волновода образца №2
После юстировки положения тестового волокна и волновода волокно отводилось по оси Y на расстояние, при котором фиксируемая оптическая мощность переставала отличаться от уровня фона. После этого тестовое волокно с помощью микропозиционера смещалось в обратном направлении с шагом 1 мкм. Схема расположения исследуемого волновода и тестового волокна показана на рис. 4.
По результатам измерения строится график нормированной мощности. Расчет диаметра волновода производится по методике, описанной в [5],
Увеличение диаметра HxLi1-xNbO3 канальных волноводов с помощью доотжига
67
т.е. по уровню 1/е от максимальной мощности (рис. 5).
5. Результаты эксперимента
После каждого шага отжига проводилось измерение диаметра волновода. У образца №1 после второго шага отжига наблюдалось прекращение каналирования фундаментальной моды, что говорит об изначально пониженной концентрации ионов Н+ в его структуре. У образца №2 наблюдалось увеличение диаметра после каждого этапа отжига.
У образца №2 диаметр волновода увеличивался с течением времени отжига. Изначально диаметр составлял 9.5 мкм, после процедуры отжига в течение 140 мин составил 13.0 мкм (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость диаметра волновода от времени отжига у образца №2
Следует отметить возрастание уровня оптических потерь в исследуемом волноводе на длине волны 1.55 мкм. Перед процедурой отжига данная величина составляла 8.0 дБ, после 140 мин отжига потери увеличились до 19 дБ.
6. Выводы
В результате работы показано, что доотжиг НхЫ1-х№03 канальных волноводов действительно приводит к увеличению диаметра волновода и может быть использован в качестве недорогой и быстрой альтернативы разработке нового фотошаблона с большей шириной волноводов. Открытым остается вопрос об оптических потерях в таких волноводах на целевой длине волны 2.1 мкм.
Следует отметить, что уменьшение контраста волновода приводит к ухудшению его устойчивости при изменении температуры интегрально -оптической схемы при действии пироэлектрического эффекта. Таким образом, доотжиг волново-
дов рекомендуется применять при необходимости срочного перехода на большую длину волны при работе устройств в условиях лаборатории, исключающих резкие перепады температуры.
На основе полученных данных авторы планируют изготовить серию модуляторов с доотжигом для проведения испытаний на оптические потери и глубину модуляции на длине волны 2.1 мкм с использованием гольмиевого лазера. Испытания планируется проводить в лаборатории лазерной физики ИОФ АН (г. Москва). В случае получения положительных результатов испытаний планируется организация мелкосерийного производства амплитудных модуляторов на длину волны 2.1 мкм.
Авторы выражают благодарность
С. С. Мушинскому за помощь в трактовке результатов эксперимента.
Список литературы
1. Грачев С. В. (ред). Гольмиевый лазер в медицине. М.: Триада-Х, 2003. 240 с.
2. Тамир Т. (ред.). Интегральная оптика. М.: Мир, 1978. 344 с.
3. Пономарев Р. С. Структурная модель дрейфовых явлений в интегрально-оптических схемах на основе HxLi1-xNbO3 канальных волноводов: дис. на соиск. учён. степ. к.ф.-м.н. / Перм. гос. ун-т. Пермь, 2014. 149 с.
4. Коркишко Ю. Н., Федоров В. А. Зависимости показателей преломления от концентрации протонов в H:LiNbO3 волноводах // Журнал технической физики. 1999. Т. 69, вып. 3. С. 4757.
5. Шаварко В. Г. Волоконно-оптические линии связи: учеб. пособие / Таганрог. гос. радио-техн. ун-т. Таганрог, 2006. 170 с.
References
1. Grachev S. V. Gol'mievyi lazer v meditsine (Holmium laser in medicine). Moscow: Triada-X, 2003, 240 p.
2. Tamir T. (Ed.) Integrated optics. Berlin: Springer, 1975. 318 p.
3. Ponomarev R. S. Strukturnaia model' dreifovykh iavlenii v integral'no-opticheskikh skhemakh na osnove HxLi1-xNbO3 kanal'nykh volnovodov. (The model of DC-drift in integrated optical circuits based on proton exchanged LiNbO3 waveguides). PhD Thesis. Perm: Perm State University, 2014, 149 p. (In Russian).
4. Korkishko Yu. N., Fedorov V. A. Dependences of the refractive indices on the proton concentration in H:LiNbO3 waveguides. Technical Physics, 1997, vol. 44, no. 3, pp. 307-316.
68
А.Р. Xacanmuna, P.C. noHOMapee
5. Shavarko V. G. Volokonno-opticheskie linii sviazi: line: tutorial). Taganrog: Taganrog state university uchebnoe posobie. (Fiber-optic communication of radioengineering, 2006, 170 p. (In Russian).
The increase in diameter HxLi1-xNbO3 channel waveguides by using additional annealing
A. R. Khasanshina, R. S. Ponomarev
Perm State University, Bukireva St. 15, 614990, Perm email: [email protected]
We calculate the parameters of the waveguides for optical amplitude modulator, operating at a wavelength of 2.1 microns in this work. The method changes the parameters of the optical waveguide by means of additional annealing and determined the marginal contrast of the refractive index of the waveguide, below which stops the spread of fundamental mode radiation. Based on the calculation of the density of H+ ions in the waveguide it is shown that the contrast of the waveguide after annealing will be above the limit, and the channeling of the fundamental mode will be in normal mode. It is shown that the additional annealing method can be obtained waveguides with larger width.
Keywords: amplitude modulator; a waveguide; annealing, proton exchange lithium niobate
