автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Протонообменные световодные структуры в кристаллах ниобата лития различного состава

На правах рукописи

Фролова Марина Викторовна

ПРОТОНООБМЕННЫЕ СВЕТОВОДНЫЕ СТРУКТУРЫ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА

(05.27.06 • Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре материалов и процессов твердотельной электроники при Московском государственном институте электронной

техники (техническом университете)

Научный руководитель:

профессор, доктор физико-математических наук Коркишко Ю.Н. Официальные оппоненты:

доктор технических наук Гаврнлов С. А.

доцент, кандидат физико-математических наук Малинкович М.Д.

Ведущая организация:

Уральский государственный университет

Защита состоится 2006 г. ^ ^~

на заседании диссертационного совета Д.212.134.03

при Московском государственном институте электронной техники (ТУ)

по адресу: ■

124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, дом 5, МИЭТ

, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан " 2006 г.

Соискатель ¿/С/у^/"' Фролова М.В

Ученый секретарь диссертационного сом доктор технических наук, профессор /^¿-¿¿^Р^Коледов Л. А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Сегнетоэлектрические кристаллы ниобата лития (ЬНЧЬОз) являются основными материалами современной интегральной оптики и акустоэлектроники. Это обусловлено, прежде всего, высокими значениями электро-, акусто- и нелинейно-оптических коэффициентов, а также отлажен н остью технологий их промышленного роста и производства пластин большого диаметра (до 100 мм). В последние годы на этих кристаллах реализован целый класс функциональных и цифровых интегрально-оптических схем (ИОС), таких как переключающие матрицы, анализаторы спектра, СВЧ фазовые и амплитудные модуляторы, а также целый класс датчиков физических величин. Использование высоких нелинейно-оптических свойств этих кристаллов позволило реализовать волноводные устройства преобразования частоты, такие как устройства генерации второй гармоники, сложения и вычитания частот, а также параметрические генераторы света для создания излучателей синего и зеленого света, а также перестраиваемых в широком диапазоне волноводных лазеров ИК диапазона. Путем локального включения ионов редкоземельных и переходных металлов в кристаллы ниобата лития реализованы волноводные лазеры. Интеграция излучателя и электро-, акусто- и нелинейно-оптических элементов на единой подложке позволяет создавать ИОС по своим функциональных характеристикам превосходящие современные электронные интегральные схемы [1].

Одним из наиболее перспективных методов формирования поверхностных слоев в кристаллах ниобата лития, обладающих оптическими и акустическими волноводными свойствами, является протонный обмен. Важнейшими достоинствами и преимуществами протонообменной технологии являются: проведение процессов при низких температурах и атмосферном

давлении; низкая стоимость и доступность технологического оборудования; относительная простота технологических операций; высокая интенсивность процессов и возможность создания высокоэффективных ИОС. До последнего времени под кристаллами ниобата лития понимались кристаллы ЬГЫЬОз конгруэнтного состава. Именно такие кристаллы используются при промышленном производстве интегрально-оптических элементов и схем.

В последние несколько лет разработаны технологии получения стехиометрических ЫКЪОз (ЭЬГ^) и кристаллов, легированных рядом оксидов, прежде всего N^0, Такие кристаллы характеризуются существенно более низкой фоторефрактивной чувствительностью и более высокими электро-оптическимим свойствами. Это позволяет существенно увеличить рабочие мощности излучения и использовать более коротковолновое излучение. Работы по исследованию сёетоводных структур в таких кристаллах находятся в зачаточном состоянии. Это и определяет актуальность работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование процесса протонообменного формирования световодов в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированных оксидом магния, а также реализация на их основе ряда интегрально-оптических устройств, в том числе многофункционального интегрально-оптического элемента для высокоточных волоконно-оптических гироскопов, амплитудных модуляторов лазерного излучения и интегрально-оптических датчиков электрического поля.

Основные задачи, определяемые целями работы: * Разработка и исследование особенностей технологического процесса формирования планарных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и кристаллах, легированных оксидом магния (5%).

• Изучение взаимосвязи структурных и оптических свойств протонообменных слоев в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированного оксидом магния.

• Исследование квадратичных нелинейно-оптических свойств протонообменных слоев в кристаллах ниобата лития легированного оксидом магния.

• Разработка и оптимизация технологических параметров процесса формирования одномодовых на длине волны 1.55 мкм канальных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных 5% оксида магния с низкими потерями, высокой эффективностью связи с оптоволокном и электрооптическими свойствами близкими к исходному ниобату лития.

• Реализация на основе легированных оксидом магния кристаллов ниобата лнтия ряда интегрально-оптических элементов, таких как: многофункциональный интегрально-оптический элемент и электрооптический амплитудный модулятор Маха - Цандера.

Научная новизна

• Впервые установлена взаимосвязь изменения кристаллической структуры и показателя преломления в протонообменных волноводах в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и в кристаллах, легированных 5% 1^0. Построена структурно-фазовая диаграмма протонообменных слоев ниобата лития легированного оксидом магния, знание которой, позволяет выбирать оптимальные технологические режимы формирования протонообменных структур для создания интегрально-оптических элементов с требуемыми свойствами.

• Впервые исследованы квадратичные нелинейно-оптические свойства протонообменных волноводов, сформированных в легированных оксидом магния кристаллах ниобата лития.

• Впервые проведены систематические исследования структурных и оптических свойств протонообменных световодов в кристаллах 1ЛКЬОз стехиометрического состава.

• Предложены и разработаны процессы формирования планарных протонообменных волноводных слоев в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния с электро- и нелинейно-оптическими свойствами близкими к номинально чистому ниобату лития.

• Разработан технологический процесс формирования одномодовых на длине волны 1,55 мкм канальных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния с низкими потерями, высокой эффективностью связи с оптическим волокном и электрооптическими свойствами близкими к исходному ниобату лития, что позволило реализовать ряд интегрально-оптических элементов.

Практическая значимость работы

1. Разработана и внедрена в промышленное производство технология изготовления многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) на длине волны 1.55 мкм для волоконно-оптического гироскопа.

2. Разработана технология изготовления . и реализован электрооптический модулятор Маха-Цацдера на длине волны 1.55 мкм для амплитудных модуляторов лазерного излучения и датчиков электрического поля.

На защиту выносятся следующие положения

1. Закономерности и особенности процесса протонного обмена и послеобменного отжига в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированного оксидом

магния. Сруктурно-фазовая диаграмма протонообменных слоев в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния.

2. Квадратичные нелинейно-оптические свойства протонообменных слоев в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния.

3. Технологический процесс на базе метода отожженного протонного обмена, для получения одномодовых на длине волны 1.SS мкм канальных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния с низкими потерями и высокой эффективностью связи с оптоволокном.

4. Технология изготовления интегрально-оптических схем, таких как многофункциональный интегрально-оптический элемент для волоконно-оптического гироскопа и электрооптический модулятор Маха-Цандера.

Внедрение результатов работу

Результаты диссертационной работы используются в Научно-производственной компании "Оптолинк" в технологическом процессе изготовления многофункциональных интегрально-оптических элементов для волоконно-оптических гироскопов и электрооптического модулятора Маха-Цандера.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

1. Четвертая Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2002", Москва, 19-21 ноября 2002 г.

2. 11th European Conference on Integrated Optics, April 2-4, 2003, Prague, Czech Republic.

3. Десятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2003", Москва, 23,24 апреля 2003 г,

4. Одиннадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов

"Микроэлектроника и информатика-2004", Москва, 21-23 апреля 2004 г.

5. Одиннадцатая международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2004", Москва, 13 апреля 2004 г.

6. Одиннадцатая международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электроника и энергетика", Москва, 1,2 марта 2005 г.

7. 12th European Conference on Integrated Optics, April 6-8, 2005, Grenoble, France.

8. Двенадцатая международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2005", Москва, 13 апреля 2005 г.

9. Двенадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2005", Москва, 19-21 апреля 2005 г.

10. Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы", Москва, 16,17 ноября 2005 г.

11. International Symposium on "Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectries", November 15-19, 2005, Ekaterinburg, Russia.

12. Пятая международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2005", Москва, 23-25 ноября 2005 г.

13. 9th International Symposium on "Ferroelectric Domains and Micro- to Nanoscopic Structures", June 26-30, 2006, Dresden, Germany.

14. Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы", Москва, 26-29 сентября 2006 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе: статья в журнале «Известия ВУЗов, .серия

Электроника.», статья в "Journal of Applied Physics", а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 117 страниц машинописного текста, включая 2 таблицы, 56 рисунков и список литературы в количестве 88 наименований.

Содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы. Рассматривается необходимость создания инте грал ь н о-о птическ их элементов на основе материалов с высоким порогом оптического пробоя. В связи с этим обоснована необходимость создания протонообменных канальных волноводов методом отожженного протонного обмена в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированных оксидом магния.

В первой главе рассмотрены свойства кристалла ниобата лития - материала наиболее широко используемого в интегральной оптике. Приведен краткий обзор дефектной структуры и физических свойств (сегнетоэлектрических, структурных, оптических, электрооптических, нелинейно-оптических н фоторефрактивных) сегнетоэлектрических кристаллов ниобата лития. Подробный обзор свойств монокристаллов LiNb03 представлен в работах [1,2].

Представлен обзор методов получения планарных и канальных световодов в кристаллах LiNbOj. Анализ работ по созданию интегрально-оптических элементов и устройств в кристаллах ниобата лития показал, что протонообменная технология не уступает, а по целому ряду требований превосходит традиционную технологию титановой диффузии,

обладая значительными преимуществами, такими как простота, низкая температура, высокая интенсивность, большое приращение показателя преломления и возможность использования дополнительных операций (отжига или обратного обмена) для управления свойствами световодов и устройств на их основе.

Описано явление оптического повреждения в протонообменных слоях в кристаллах ниобата лития. Показана необходимость использования в качестве подложек материалов с более высоким порогом оптических повреждений, таких как кристаллы ниобата лития легированных более чем 4.5% окснда магния, а также кристаллов ниобата лития стехнометрического состава (3). Представлен обзор методов получения кристаллов ниобата лития стехиометрического состава.

Вторая глава посвящена описанию методов исследования протонообменных слоев в кристаллах ШЮ3.

В разделе 2.1. подробно рассмотрен волноводно-ойтический метод определения показателей преломления и толщины тонких изотропных и анизотропных пленок, а также определения профиля распределения показателя преломления в градиентных слоях. Для восстановления профилей показателя преломления в ионообменных световодах использовались алгоритмы обратного метода Вен цел я-Краме рса-Б рилл юэна (№КВ), предложенные в работах [4] и [5]. Профили показателя преломления необыкновенного луча в пленарных световодах восстанавливались по значениям эффективных показателей преломления (ЭПП) волноводных мод, которые измерялись методом призменного ввода лазерного излучения в световод.

В разделе 2.2. представлен метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии. Деформированное и напряженное состояния в протонообменных структурах определялись на основе данных двухкристальной дифрактометрии путем анализа кривых дифракционного отражения (кривых качания), снятых с помощью модифицированного двухкристального дифрактометра ДРОН-3,

В разделе 2.3 представлены методы определение химического состава протонообменных слоев. Для исследования

химического состава протонообменных слоев был использован метод вторично-ионной масс-спекгроскопии (ВИМС).

В разделе 2.4 представлены методы измерения спектров оптического пропускания в видимом и ближнем УФ диапазонах с помощью двухлучевого спектрофотометра Specord 75 UV-VIS, а также методы измерения спектров ИК-поглощения и отражения с использованием спектрофотометра Specord М40,

В разделе 2.5 рассмотрен используемый в работе наиболее достоверный и высокоэффективный метод измерения эффективности генерации второй гармоники в поверхностных слоях. Метод состоит в регистрации интенсивности отраженной второй гармоники, возникающей при облучении полированного торца волновода фундаментальным лазерным излучением.

В разделе 2.6 приведены методики измерений основных параметров многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ), изготовленного по технологии протонного обмена.

Третья глава посвящена исследованию структурных и оптических свойств протонообменных световодов в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава. Использовались пластины Х-среза оптического качества полученные методом Чохральского с двойным тиглем. Пластины были приобретены в Oxide Corporation (Япония).

Для получения волноводов применялся процесс протонного обмена (ПО) с последующим отжигом. В качестве источников протонного обмена использовались бензойная и стеариновая кислоты. ПО проводился в замкнутом объеме в специальном контейнере, что препятствовало деградации расплава со временем. После проведения ПО в бензойной кислоте на поверхности образца наблюдались глубокие трещины, ориентированные вдоль оси Y. Их характер аналогичен трещинам, возникающим в кристаллах конгруэнтного состава при их обработке в расплава с большей концентрацией протонов (например, NH4H2PO4, KHSO4 и др.). Следовательно, использование бензойной кислоты в качестве расплава для формирования волноводов в стехиометрических кристаллах

ниобата лития оказывается невозможным. При использовании стеариновой кислоты такие трещины отсутствуют, и удается формирование волноводов приемлемого оптического качества. Далее структуры пошагово отжигались при двух температурах -330°С и 370*0 и систематически исследовались структурными и оптическими методами анализа.

С помощью методов двукристальной рентгеновской дифрактометрии, спектрометрии ИК и УФ диапазонов, а также модовой спектроскопии показано, что в процессе длительного отжига SLN световодов, необходимого для достижения а-фазы, на поверхности образцов по-видимому образовывается слой конгруэнтного ниобата лития. Этот негативный факт необратимого изменения кристаллической структуры вызван неустойчивостью системы SLN:HXLi ^NЬОз, которая стремиться перейти в более устойчивое состояние - конгруэнтный HxLit. „NbOj. Это существенно ограничивает применение традиционного метода отожженного протонного обмена для формирования волноводный структур в таких кристаллах. Дальнейшие работы должны быть направлены на поиск технологических решений формирования высококачественных световодов в SLN, позволяющих избежать появления неоднородностей в виде кристаллов конгруэнтного состава.

Четвертая глава посвящена исследованию структурных и оптических свойств протонообменных световодов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния.

В разделе 4.1. описан процесс изготовления образцов.

Оптические волноводы были изготовлены на пластинах Mg0:LiNb03 (Х-срез) оптического качества содержащих 5 мол. % MgO, поставленных фирмой Crystal Technology Inc.

Для изготовления протонообменных волноводов был использован двухступенчатый ОПО процесс. В качестве источников протонного обмена использовали бензойную кислоту.

Различные фазы протонообменных структур формировались с помощью варьирования таких технологических параметров, как температура и время протонного обмена и послеобменного отжига.

Часть исследованных протонообменных волноводов была изготовлена с помощью высокотемпературного протонного обмена (ВТПО) в расплаве стеариновой кислоты смешанной с небольшим количеством стеарата лития [б]. Концентрация стеарата лития была выше порогового значения, когда формируются однородные а-фазные волноводы.

В разделе 4.1.1. приведены методы исследования образцов, а так же результаты, полученные в ходе экспериментов.

Полученная в работе структурно-фазовая (зависимость поверхностного приращения необыкновенного показателя преломления ДПе от поперечной деформации е») диаграмма для волноводов в легированных магнием кристаллах ниобата лития значительно отличается от структурно-фазовой диаграммы, полученной для протонообменных волноводов в номинально чистых кристаллах конгруэнтного состава [2]. Несомненно, что существует несколько Л^О:НхЬ!1.хКЬОз фаз, однако, в отличие от структурной фазовой диаграммы для ПО волноводов в номинально чистых кристаллах, количество фаз и области их существования для ПО волноводов в >^0:иМЬ03 не очевидны. Немонотонных характер зависимостей приращения показателей преломления и деформации от квадратного корня из времени отжига однозначно указывает на существование различных фаз в системе МвО.кМЬОз, однако, этих данных еще недостаточно для точной идентификации различных фаз.

На зависимости значения поверхностного приращения показателя преломления, Ап«, и деформации, £33, от содержания стеарата лития р0 для волноводов в легированных магнием кристаллах для высокотемпературного протонного обмена отчетливо наблюдаются две области. Эти участки соответствуют, по крайней мере, двум разным фазам. Величины Ал«, и £33 почти совершенно не зависят от состава расплава до порогового значения р0, а а-фаза М§0: Нх1л ьк>1ЬОз, полученная при р>р0,

характеризуется низким приращением показателя преломления и низкими деформациями.

Волноводы изготовленные простым обменом в легированных магнием кристаллах, подобно ПО волноводам в номинально чистом и№>Оз, описываются положительной поперечной деформацией £33, видимо соответствующие трем различным фазам. Однако, после продолжительного отжига в течение некоторого специфического времени, деформация 833 становится отрицательной. Также возможно получить волновод с большим приращением показателя преломления (¿п« = 0.1) и с нулевой деформацией е 33, так волноводы с Дпе < 0,02 содержит в себе деформационный слой £ зэ= -2,7* 10"3. Прецизионная полировка показывает, что деформированный слой локализован вблизи поверхности и его толщина совпадает с толщиной исходного обменного слоя.

Как известно [7, 8], измерение точного положения ОН полосы в спектрах ИК поглощения может быть использовано для приблизительной оценки фазового состава ПО волноводов. Так, измерение ИК спектров ПО 1У^О:ЬГЫЬОз образцов отожженных в течение длительного времени (т.е., более чем 28 ч при 330°С) показывает наличие узкой полосы поглощения с частотой 3481 см"1, что совпадает с частотой характерной для а-фазы твердого раствора Нх1л1.хМЬОз, имеющей самую низкую концентрацию водорода из числа возможных фаз.

Однако, спектры ИК поглощения всех отожженных протонообменных Л^О:ЬГМЬОз образцов также содержат очень широкую полосу с максимумом поглощения на частоте 3280 см"1, эта полоса относится также к валентному колебанию более длинных О-Н связей [7]. В тоже время, хорошо известно [7, 8], что изменение кристаллической структуры при фазовых переходах в твердом растворе НяЫ].^ЬОз вызывает изменения длины О-Н связей в сильно протонированных волноводах. Однако появление подобных изменений длины в сильно отожженных волноводах с низкой концентрацией водорода невозможно объяснить в рамках структурной фазовой диаграммы твердого раствора М^: НДл^ЫЬОз. Очевидно, что эта аномалия является специфической особенностью ОПО МйО^ГЫЬОз

волноводов и может быть следствием некоторого необратимого искажения кристаллической структуры при фазовых переходах, как во время протонного обмена, так и во время последующего отжига [9].

Отметим, что в отожженных протонообменных волноводах изготовленных в номинально чистом 1лКЬ03 валентное колебание ОН связей полностью поляризовано перпендикулярно кристаллографической оси г, совпадающей с направлением спонтанной поляризации в сегнетоэлектрических Нх1л|.хМЬОз фазах. Противоположная ситуация наблюдается в волноводах полученных на подложках ниобата лнтня легированных оксидом магния. Более того, значение коэффициента поглощения, измеренное на частоте 3280 см'1, практически не зависит от поляризации ИК-излучения. Этот факт указывает на случайную ориентацию ОН комплексов, вызывающих появление аномальной полосы ОН-поглощения. Это является дополнительным подтверждением необратимого искажения кристаллической структуры в ОПО М§0:иМЬ03 волноводах.

Стандартная приставка зеркального отражения позволила провести измерения при двух значениях угла падения 0 ИК излучения на кристалл: 20° и 70°. Спектры а-фазных ОПО Г^ОгЫИЬОз волноводов, измеренные при © = 20°, не существенно отличаются от спектра чистой пластины Л^0:1лТ№0}, а спектры этих волноводов измеренные при © = 70° имеют принципиальные отличия от спектра исходного кристалла. Это однозначно указывает на то, что искажение кристаллической структуры локализовано в пределах тонкого приповерхностного слоя с толщиной <, 1 мкм. Тем самым можно заключить, что этот нарушенный слой расположен в области первоначальных ПО волноводов. Влияние протонного обмена на спектр ИК-отражения указывает на значительную деформацию МЬО$ октаэдра в приповерхностной области ОПО М§0:1лЬ/Ь0з волновода. Таким образом, существует значительное различие в кристаллической структуре между приповерхностными и более глубокими областями волновода.

Установлено, что выше описанные искажения не устраняется даже с помощью длительного процесса обратного протонного обмена в расплаве 1л>10з- КЯОз-НаМОз.

Все говорит о невозможности использования метода отожженного протонного обмена, для формирования качественных волноводов, которые можно было бы удачно использовать в интегрально оптических элементах. Однако при понижении температуры ПО со стандартной, используемой ранее, температуры от 220°С до 195°С и отжиге до а-фазы мы получили, все те же отрицательные деформации, но уже не наблюдается столь существенного разупорядочения структуры на поверхности кристаллов. При создании этим способом МИОЭ на основе лротонообменных слоев в кристаллах ниобата лития, мы получили потери выходного сигнала 5,5 — 7 с1В. Так же полученные волноводы имеют более высокий порог оптических повреждений, при накачке мощности в 2 мВт, потери в модуляторах, полученных в номинально чистых кристаллах ниобата лития, увеличиваются на 2 - 3 (Ш, за счет оптического повреждения, что не наблюдается в модуляторах полученных в М$0-легнрованных кристаллах ниобата лития.

Однако, данные проведенных ранее исследований протонообменных волноводов в номинально чистых 1лЫЬОз кристаллах дают основание предполагать, что кристаллическая структура приповерхностного слоя а-фазных протонообменных волноводов может быть сохранена неповрежденной при использовании процесса высокотемпературного протонного обмена вместо процесса отожженного протонного обмена.

Это предположение получило экспериментальное подтверждение. Так полученные рентгеновские кривые качания для протонообменных структур М^:Нх1л].хЫЬО}, сформированные, при температуре 370°С в течение 5 ч в расплаве с р=0.7% не имеют отличия от кривых качания исходного кристалла и характеризуется отсутствием нарушенного приповерхностного слоя. В тоже время, спектры ИК-поглощения не деполяризованы и аномальная полоса с измененной частотой валентных колебаний ОН-комплексов не наблюдается в этих спектрах. Кроме того, спектры ИК-отражения МПО А^О:Нх1Л|.

и'ЫЬОз волноводов измеренные при углах падения 70° и 20е подобны соответствующим спектрам для исходных номинально чистых пластин К^О:Ь]№>Оз.

Профили распределения элементов по глубине, полученные с помощью ВИМС, не показали разницы в распределении Мй для а-фазных ОПО и МПО 1^0:Н,Дл1-хМ)0з волноводов. Таким образом, нарушение кристаллической структуры ОПО Л^О:ЫЫЬОэ волноводов не связано с изменением распределения Mg.

В разделе 4.2. приведены результаты исследования нелинейно-оптических свойств протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния полученных методом отожженного протонного обмена. Так же представлены результаты исследования нелинейно-оптических свойств протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития полученных методом высокотемпературного протонного обмена.

Установлено, что как и в случаи а-фазных волноводов в конгруэнтных кристаллах происходит значительное рассеяние сигнала второй гармоники. Та же ситуация наблюдается и в слабоотожженных волноводах. В тоже время, «высокопреломляющие» протонообменные волноводы М^:НхЬ1|.яЫЬОз с нулевыми деформациями имеют несколько меньшее рассеяние второй гармоники, однако подобные характеристики не приемлемы для нелинейно-оптических устройств.

Напротив, для образца с а-фазой на поверхности, полученного прямым высокотемпературным протонным обменом в расплаве стеариновой кислоты и стеарата лития при температуре 370°С нет заметного увеличения интенсивности нелинейного сигнала, за счет рассеивания. Более того, зарегистрированный нелинейный сигнал от вопгноводной области и от подложки идентичен.

В разделе 4.3. представлены результаты оптимизации технологии отожженного протонного обмена для формирования одномодовых на длине волны 1.55 мкм планарных

протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированного оксидом магния.

В разделе 4.3.1. представлена разработка многофункционального интегрально-оптического элемента на основе канальных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных 5% оксида магния. Описаны результаты исследования полученных образцов.

Как было сказано выше, волноводы, получаемые на подложках ниобата лития легированных 5% оксида магния, имеют существенно более высокий порог оптических повреждений, а значит, в этом случае можно использовать более мощные излучатели, что позволяет создать волоконно-оптический гироскоп высокой точности.

В разделе 4.3.2 представлены результаты оптимизации технологии отожженного протонного обмена для формирования электрооптического модулятора Маха — Цандера на длине волны 1.55 мкм.

Основные результаты и выводы:

1. Предложен комплекс взаимодополняющих методов исследования протонообменных слоев в монокристаллах ЫЫЪОз стехиометрического состава и легированных М$*0. Приведено краткое описание основных выбранных методов анализа, используемых в работе для исследования свойств протонообменных слоев в монокристаллах и Ы>1ЬОз:М^.

2. Проведены систематические исследования оптических свойств различных протонообменных световодов в кристаллах Ь1НЬОэ стехиометрического состава и легированных Р^О.

3. Впервые построена структурно-фазовая диаграмма для X-среза ЬЙ^ЬОз легированного 5 % Л^О.

4. Установлено, что в процессе длительного отжига ЭЬЫ световодов, необходимого для достижения а-фазы, на поверхности образцов по-видимому образовывается слой конгруэнтного ниобата лития, что существенно ограничивает применение традиционного метода отожженного протонного обмена для формирования световодов высокого оптического качества в таких кристаллах.

5. Установлены технологические режимы формирования различных фаз в протонообменных световодах в кристаллах Выработаны практические рекомендации для формирования волноводов с комплексом необходимых свойств.

6. Исследованы квадратичные нелинейно-оптические свойства протонообменных световодов в ЬгЫЬОзгГ^О.

7. Оптимизирована технология, комбинирующая процессы протонного обмена и последующего высокотемпературного отжига, для получения одномодовых на длине волны 1.55 мкм канальных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния, с низкими потерями и высокой эффективностью связи с оптоволокном. Получен, достаточно узкий, диапазон оптимальных времен и температур загонки и отжига, а так же, найдена оптимальная ширина окна маски для создания многофункционального интегрально-оптического элемента с низкими оптическими потерями.

8. На основе полученных результатов удалось создать МИОЭ с общими потерями деполяризованного света <7 дБ, коэффициентом поляризационной экстинкции 60 дБ, коэффициентом деления 0.5±0.05, при этом фазовая чувствительность каждого модулятора составила I рад/В, что позволило разработать ВОГ со следующими характеристиками: случайная составляющая нулевого сигнала (Зсг) <0.1 град/час, спектральная плотность

мощности шума <0,005 град/час, погрешность масштабного коэффициента <0.01 %.

9. Оптимизирована технология отожженного протонного обмена для создания в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния такого интегрально-оптического элемента, как электрооптический модулятор Маха - Цандера.

Список работ опубликованных по теме диссертации:

1. Коркишко Ю.Н., Кострицкнй С.М., Масленников Е.И., Алкаев А. Н., Федоров В.А., Фролова М.В. Особенности протонного обмена в кристаллах ниобата лития, легированных магнием // Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика-2002". Москва, Зеленоград, 19-21 ноября 2002, Часть!, с.235.

2. Yu.N.Korkishko, V.A.Fedorov, S.M.Kostritskii, E.I.Maslennikov, M.V.Frolova, A.N.AIkaev. Optical and structural properties of proton exchanged MgOrLiNbOi waveguides // in Proc. 11th European Conference on Integrated Optics. April 2-4, 2003, Prague, Czech Republic, paper ThPol4, pp.245-248.

3. Коркишко Ю.Н., Федоров B.A., Кострицкий C.M., Масленников Е.И., Фролова М.В., Алкаев А.Н., Сада Ч., Аргиолас Н., Баззан М. Протонный обмен в кристаллах ниобата лития, легированных магнием // Известие вузов. Электроника, Выпуск №2, 2003, с. 8-18.

4. Yu.N.Korkishko, V.A.Fedorov, S.M.Kostritskii, E.I.Maslennikov, M.V.Frolova, A.N.AIkaev, C. Sada, N. Argiolas, M. Bazzan. Proton-exchanged waveguides in MgO-

doped LiNb03: Optical and Structural Properties // J.Avpl.Phvs.. 2003, v.94, № 2, pp. 1163-1170.

5. Фролова M.B. Формирование и исследование волноводных слоев в стехиометрических кристаллах ниобата лития // Тезисы докладов X всероссийской

м ежвузоеской_науч но-техн ическо й_конференции

студентов и аспирантов "Микроэлектроника и ин формат та-2003 ". Москва, Зеленоград, 23-24 апреля 2003, с.72.

6. Фролова М.В. Исследование оптических и структурных свойств волноводных слоев в стехиометрических кристаллах ниобата лития // Тезисы докладов XJ всероссийской межвузовский научно-технической

конферениии_студентов_и_аспирантов

"Микроэлектроника и информатика-2004". Москва, Зеленоград, 21-23 апреля 2004, с.68.

7. Фролова М.В. Протонообменные волноводные структуры в стехиометрических кристаллах ниобата лития И Тезисы докладов XI международной конферениии студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2004 ". Москва, МГУ, секция физики, 13 апреля 2004, с.290-291.

8. Фролова М.В. Изготовление и исследование многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) для ВОГ И Тезисы докладов XI международной конферениии студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электроника и энергетика ". Москва, МЭИ (ТУ), 1-2 марта 2005, том l.c.209-210.

9. Фролова М.В. Формирование и исследование волноводных структур в стехиометрических кристаллах ниобата лития И Тезисы докладов XI международной

конференции_студентов_и_аспирантов

"Радиоэлектроника. $лектр$ника и энергетика". Москва, МЭИ (ТУ), 1-2 марта 2005, том 2, с.70-71.

10. V.A. Fedorov, Yu.N. Korkishko, S.M. Kostritskii, A.N. Alkaev, E.L Maslennikov, M.V. Frolova, F. Laurell. Optical nonlinearity of proton exchanged waveguides in congruent, stoichiometric and MgO-doped LiNbOj // Book of abstracts of 12th European Conference on Integrated Optics (ECIQ'05). April 6-8 2005, Grenoble, France, paper ThPo26, pp. 478-481.

11. Фролова M.B. Формирование и исследование протонообменных слоев в кристаллах Mg0:LiNb03 // Тезисы докладов JCII международной конферениии студентов. аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2005". Москва, МГУ, секция физики, 13 апреля 2005, с. 154-155.

12. Фролова М.В. Исследование термостабильности многофункционального интегрально-оптического элемента для волоконно-оптического гироскопа // Тезисы докладов XII всероссийской межвузовской научно-технической конферениии студентов и аспирантов "Микроэлектроника и ииформат ика-2005". Москва, Зеленоград, 19-21 апреля 2005, с.164,

13. М.В.Фродова, И.Г.Евдокимов, Н.С.Корепанов. Формирование и исследование интегральных световодных структур в кристаллах стехиометрического ниобата лития // Материалы всероссийской конферениии инновационных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалыМосква, Зеленоград, 16-17 ноября 2005, с.218-220,

14. S.M. Kostritskii, Yu.N. Korkishko, V.A. Fedorov, A.N. Alkaev, E.I. Maslennikov, M.V, Frolova, I.G. Yevdokimov -"Fabrication and characterization of proton-exchanged waveguides in MgO-doped and congruent PPLN substrates"// Proc. International Symposium on "Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics". Ekaterinburg, Ural State University, November 15-19, 2005, pp. 90-91.

15. Ю.Н.Коркишко, В.А.Федоров, С.М.Кострицклй, М.В.Фролова, Е.И.Масленников, А.Н.Алкаев.

Формирование и исследование волноводных структур в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава // Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции "Электроника и информат ика-2005". Москва, Зеленоград, 23-25 ноября 2005, с.253.

16. Ю.Н. Коркишко, С.М. Кострицкий, В.А. Федоров, А.Н. Алкаев, Е.И. Масленников, М.В. Фролова, И.Г. Евдокимов. Сенсор электрического поля на основе интегрально-оптического модулятора переключающего типа Я Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика' 2005". Москва, Зеленоград, 23-25 ноября 2005, с,252.

17. S.M. Kostritskii, Yu.N. Korkishko, V.A. Fedorov, A.N. Alkaev, Е.1. Maslennikov, M.V. Frolova - "Optimization of proton-exchanged PPLN waveguides" // Proc, The 9th International Symposium on "Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures". Dresden, Institute of Applied Photophysics, June 26-30, 2006, P2.2.

18. М.В.Фролова. Формирование и исследование интегральных световодных структур в MgO-легированных кристаллах ниобата лития // Материалы всероссийской конферениии инноваиионных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы". Москва, Зеленоград, 26-29 сентября 2006, с.223-225.

Литература:

1. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Ion Exchange in Single Crystals for Integrated Optics and Optoelectronics //

. Cambridge International Sci. Publ. - 1999. - P. 97 - 269.

2. Yu.N.Korkishko and V.A.Fedorov, "Structural phase diagram of HxLii.xNbOj waveguides: the correlation between optical

and structural properties", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol.2, pp.187-196, 1996.

3. Zhang Q.-R., Feng X.-Q. The relation between the Mg concentration threshold effect and the defect structures of the congruent Mg:LiNb03 // Proc. Eighth IEEE Int. Symp. Applications of Ferro electrics, ISAF '92 - 1992. - P. 43-46.

4. Chiang K.S. Construction of Refractive Index Profiles of Planar Dielectric Waveguides from the Distribution of Effective Indices // IEEE J. Lightwave Techn. - 1985. - Vol.3, -P. 385-391.

5. White J.M., Heidrich P.F. Optical Waveguide Refractive Index Profiles Determined from Measurement of Mode Indices: a Simple Analysis U Appl.Opt. - 1976. - Vol.15. - P. 151-155.

6. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Feoktistova O.Y. LiNb03 optica] waveguide fabrication by. high-temperature protonexchange // IEEE J. Lightwave Technol. - 2000. - Vol. 18. - N 4. - P. 562-568.

7. Cabrera J.M., Olivares J., Carrascosa M., Rams J., Muller R., DieguezE. Hydrogen in LiNb03 it Adv.Phys. - 1996. -Vol.45. - P. 349-394.

8. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A,, Kostritskii S.M. Optical and X-ray characterization of HxLi].KNb03 phases generated in proton exchanged LiNbOj optica) waveguides // J.Appl.Phys. - 1998.-Vol.84. - P. 2411-2419.

9. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Ion exchange in single crystals for integrated optics and optoelectronics. -Cambridge. - Cambridge International Science Publishing. -1999 - P. 516.

Подписано в печать_

Зак. Тираж/Д^экз.^^Уч.-изд.л.

Формат 60x84 1/16 Объем

Отпечатано в типографии МИЭТ

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, дом 5, МИЭТ

Общая характеристика работы

Введение

Список сокращений

Глава 1. Протонообменные световодные структуры в кристаллах ниобата лития различного состава

1.1. Материалы интегральной оптики

1.2. Основные физические свойства сегнетоэлектрических кристаллов 1л№)Оз

1.2.1. Дефектная структура 1лМЮз

1.2.2. Сегнетоэлектрические свойства

1.2.3. Кристаллическая структура

1.2.4. Оптические свойства

1.2.4.1. Оптическое пропускание

1.2.4.2. Диэлектрические свойства

1.3. Основные методы формирования волноводов в кристаллах ниобата лития

1.3.1. Титан-диффузионные волноводы

1.3.2. Протонообменные световоды в кристаллах ниобата лития

1.4. Структурно-фазовые диаграммы протонообменных волноводов для 2-, Х- и У-срезов кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава

1.4.1. Особенности прямого протонного обмена

1.4.2. Влияние отжига

1.5. Явление оптического повреждения

1.6. Методы получения

§0:1лМЬ

1.7. Методы получения кристаллов ниобата лития стехиометрического состава

1.7.1. Метод Чохральского с двойным тиглем

1.7.2. Получение кристаллов ниобата лития выращенных из расплава с примесыо КгО

Выводы к главе

Глава 2. Методы исследования параметров и свойств протонообменных световодных структур

2.1. Волноводно-оптический метод метод модовой спектроскопии)

2.1.1. Восстановление профилей показателя преломления в волноводных поверхностных слоях

2.1.1.1. Кусочно-линейная аппроксимация профиля показателя преломления

2.1.1.2. Аппроксимация обобщеной функцией Гаусса

2.2. Метод двукристальной рентгеновской дифрактометрии

2.3. Методика определения химического состава

2.4. Метод измерения спектров ИК-поглощения,

УФ и видимого диапазона

2.5. Измерения нелинейно-оптических свойств

2.6. Методики измерений основных параметров многофункционального интегрально-оптического элемента

Выводы к главе

Глава 3. Структурные и оптические свойства протонообменных световодов в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава

Выводы к главе

Глава 4. Структурные и оптические свойства протонообменных световодов в MgO-лeгиpoвaнныx кристаллах ниобата лития

4.1. Формирование и исследование протонообменных световодов в кристаллах MgO:LiNbOз

4.1.1. Экспериментальные результаты и их обсуждение

4.2. Генерация второй гармоники в

§0:Нх1л1.х№>0з волноводах

4.3. Формирование одномодовых на длине волны 1.55 мкм протонообменных волноводов в кристаллах М^О:1лМЮ

4.3.1. Разработка и создание многофункционального интегрально-оптического элемента

4.3.2. Электрооптический модулятор Маха - Цандера

Выводы к главе

Актуальность работы. Сегнетоэлектрические кристаллы ниобата лития (1ЖЬ03) являются основными материалами современной интегральной оптики и акустоэлектроники. Это обусловлено, прежде всего, высокими значениями электро-, акусто- и нелинейно-оптических коэффициентов, а также отлаженностью технологий их промышленного роста и производства пластин большого диаметра (до 100 мм). В последние годы на этих кристаллах реализован целый класс функциональных и цифровых интегрально-оптических схем (ИОС), таких как переключающие матрицы, анализаторы спектра, СВЧ фазовые и амплитудные модуляторы, а также целый класс датчиков физических величин, прежде всего датчиков перемещения. Использование высоких нелинейно-оптических свойств этих кристаллов позволило реализовать волноводные устройства преобразования частоты, такие как устройства генерации второй гармоники, сложения и вычитания частот, а также параметрические генераторы света для создания излучателей синего и зеленого света, а также перестраиваемых в широком диапазоне волноводных лазеров ИК излучения. Путем локального включения ионов редкоземельных и переходных металлов в кристаллы ниобата лития реализованы волноводные лазеры. Интеграция излучателя и электро-, акусто- и нелинейно-оптических элементов на единой подложке позволяет создавать ИОС по своим функциональных характеристикам превосходящие современные электронные интегральные схемы [1].

Одним из наиболее перспективных методов формирования поверхностных слоев в кристаллах ниобата лития, обладающих оптическими и акустическими волноводными свойствами, является протонный обмен. Важнейшими достоинствами и преимуществами протонообменной технологии являются: проведение процессов при низких температурах и атмосферном давлении; низкая стоимость и доступность технологического оборудования; относительная простота технологических операций; высокая интенсивность процессов и возможность создания высокоэффективных ИОС. До последнего времени под кристаллами ниобата лития понимались кристаллы 1л№>03 конгруэнтного состава. Именно такие кристаллы используются при промышленном производстве интегрально-оптических элементов и схем.

В последние несколько лет появились технологии получения стехиометрических Ь11ЧЬ03 и кристаллов, легированных рядом оксидов, прежде всего М^О. Такие кристаллы характеризуются существенно более низкой фоторефрактивной чувствительностью, что позволяет существенно увеличить рабочие мощности излучения, а также более высокими электро-оптическимим свойствами. Работы по исследованию световодных структур в таких кристаллах находятся в зачаточном состоянии. Это и определяет актуальность работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование процесса протонообменного формирования световодов в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированных оксидом магния, а также реализация на их основе ряда интегрально-оптических устройств, в том числе многофункционального интегрально-оптического элемента для высокоточных волоконно-оптических гироскопов.

Основные задачи, определяемые целями работы:

• Разработка и исследование особенностей технологического процесса формирования планарных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированных 5% оксида магния.

• Определение взаимосвязи структурных и оптических свойств в протонообменных слоях ниобата лития стехиометрического состава и легированного оксидом магния и объяснение полученных закономерностей.

• Исследование квадратичных нелинейно-оптических свойств протонообменных слоев в кристаллах ниобата лития легированного оксидом магния.

• Разработка и оптимизация технологических параметров процесса формирования одномодовых на длине волны 1.55 мкм канальных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития конгруэнтного состава и легированных 5% оксида магния с низкими потерями, высокой эффективностью связи с оптоволокном и электрооптическими свойствами близкими к исходному ниобату лития.

• Реализация на основе конгруэнтных и легированных оксидом магния кристаллов ниобата лития ряда интегрально-оптических элементов, таких как: многофункциональный интегрально-оптический элемент и электрооптический модулятор Маха - Цандера.

Научная новизна диссертационной работы:

• Впервые установлены фундаментальные закономерности взаимосвязи изменения кристаллической структуры и показателя преломления в протонообменных волноводах в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированных оксидом магния. Построена структурно-фазовая диаграмма протонообменных слоев ниобата лития легированного оксидом магния, знание которой, позволяет выбирать оптимальные технологические режимы формирования ионообменных структур для создания интегрально-оптических элементов с требуемыми свойствами.

• Впервые исследованы квадратичные нелинейно-оптические свойства протонообменных волноводах в легированных оксидом магния кристаллах ниобата лития.

• Предложены и разработаны процессы формирования планарных протонообменных волноводных слоев в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния с электро- и нелинейно-оптическими свойствами близкими к номинально чистому ниобату лития.

• Разработан технологический процесс формирования одномодовых на длине волны 1.55 мкм канальных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния с низкими потерями, высокой эффективностью связи с оптическим волокном и электрооптическими свойствами близкими к исходному ниобату лития, что позволило реализовать ряд интегрально-оптических элементов.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что работа выполнялась в рамках проекта по разработке элементной базы волоконно-оптического гироскопа, в частности по созданию многофункционального интегрально-оптического элемента на подложках кристалла ниобата лития различного состава, выполняющего функции Y-разветвителя, поляризатора и фазового модулятора оптического излучения. Наиболее практически важные результаты работы следующие:

1. Разработана и внедрена в промышленное производство технология изготовления многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) на длине волны 1.55 мкм для волоконно-оптического гироскопа.

2. Разработана технология изготовления и реализован электрооптический модулятор Маха-Цандера на длине волны 1.55 мкм для амплитудных модуляторов лазерного излучения и датчиков электрического поля.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности и особенности процесса протонного обмена и послеобменного отжига в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава и легированного оксидом магния. Сруктурно-фазовая диаграмма протонообменных слоев в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния.

2. Квадратичные нелинейно-оптические свойства протонообменных слоев в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния.

3. Технологический процесс на базе метода отожженного протонного обмена, для получения одномодовых на длине волны 1.55 мкм канальных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния с низкими потерями и высокой эффективностью связи с оптоволокном.

4. Технология изготовления интегрально-оптических схем, таких как многофункциональный интегрально-оптический элемент для волоконно-оптического гироскопа и электрооптический модулятор Маха-Цандера.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. Четвертая Международная научно-техническая конференция "Электроника и ииформатика-2002", Москва, 19-21 ноября 2002 г.

2. 1 Ith European Conference on Integrated Optics, April 2-4, 2003, Prague, Czech Republic.

3. Десятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2003", Москва, 23,24 апреля 2003 г.

4. Одиннадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2004", Москва, 21-23 апреля 2004 г.

5. Одиннадцатая международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2004", Москва, 13 апреля 2004 г.

6. Одиннадцатая международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электроника и энергетика", Москва, 1,2 марта 2005 г.

7. 12th European Conference on Integrated Optics, April 6-8, 2005, Grenoble, France.

8. Двенадцатая международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2005", Москва, 13 апреля 2005 г.

9. Двенадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2005", Москва, 19-21 апреля 2005 г.

10. Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы", Москва, 16,17 ноября 2005 г.

11. International Symposium on "Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics", November 15-19, 2005, Ekaterinburg, Russia.

12. Пятая международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2005", Москва, 23-25 ноября 2005 г.

13. 9th International Symposium on "Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures", June 26-30, 2006, Dresden, Germany.

14. Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы", Москва, 26-29 сентября 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе: статья в журнале «Известия ВУЗов, серия Электроника.», статья в "Journal of Applied Physics", а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 117 страниц машинописного текста, включая 2 таблицы, 56 рисунков и список литературы в количестве 88 наименований.

Выводы к главе 4:

1. Проведены систематические исследования оптических свойств различных фаз протонообменных световодов в кристаллах 1л№>03 легированных М^О. Впервые построена структурно-фазовая диаграмма для протонообменных световодов Х-среза 1л№>03 легированного 5% Даны объяснения полученным результатам.

2. Установлены технологические режимы формирования различных фаз в протонообменных световодах в кристаллах 1л№Ю3:М§0. Выработаны практические рекомендации для формирования волноводов с комплексом необходимых свойств.

4. Измерены нелинейно-оптические свойства в протонообменных световодов в кристаллах М^ОиМЮз. Показано преимущество метода высокотемпературного протонного обмена для реализации волноводных структур в нелинейно-оптических устройствах.

5. Оптимизирована технология, комбинирующая процессы протонного обмена и последующего высокотемпературного отжига, для получения одномодовых на длине волны 1.55мкм канальных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных 5% оксида магния с низкими потерями и высокой эффективностью связи с оптоволокном. Получен, достаточно узкий, диапазон оптимальных времен и температур загонки и отжига, а так же, найдена оптимальная ширина канала для создания МИОЭ с низкими оптическими потерями.

6. На основе полученных результатов удалось создать многофункциональный интегрально-оптический элемент с общими потерями деполяризованного света <7 дБ, коэффициентом поляризационной экстинкции 60 дБ, коэффициентом деления 0.5±0.05, при этом фазовая чувствительность каждого модулятора составила 1 рад/В.

7. Разработана и оптимизирована технология отожженного протонного обмена для создания на подложках ниобата лития легированных оксидом магния электрооптического модулятора Маха-Цандера.

Заключение и основные и выводы:

1. Предложен комплекс взаимодополняющих методов исследования протонообменных слоев в монокристаллах ШМЮз стехиометрического состава и легированных ]У^О. Приведено краткое описание основных выбранных методов анализа, используемых в работе для исследования свойств протонообменных слоев в монокристаллах БПЧ и 1л№>03:]\^0.

2. Проведены систематические исследования оптических свойств различных протонообменных световодов в кристаллах 1л№>03 стехиометрического состава и легированных М^О.

3. Впервые построена структурно-фазовая диаграмма для Х-среза ГлМЪОз легированного 5 % М^О.

4. Установлено, что в процессе длительного отжига БЬЛЧ световодов, необходимого для достижения а-фазы, на поверхности образцов по-видимому образовывается слой конгруэнтного ниобата лития, что существенно ограничивает применение традиционного метода отожженного протонного обмена для формирования световодов высокого оптического качества в таких кристаллах.

5. Установлены технологические режимы формирования различных фаз в протонообменных световодах в кристаллах 1л№>Оз:М^О. Выработаны практические рекомендации для формирования волноводов с комплексом необходимых свойств.

6. Исследованы квадратичные нелинейно-оптические свойства протонообменных световодов в 1лМЮ3:М^О.

7. Оптимизирована технология, комбинирующая процессы протонного обмена и последующего высокотемпературного отжига, для получения одномодовых на длине волны 1.55 мкм канальных волноводов в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния, с низкими потерями и высокой эффективностью связи с оптоволокном. Получен, достаточно узкий, диапазон оптимальных времен и температур загонки и отжига, а так же, найдена оптимальная ширина окна маски для создания многофункционального интегрально-оптического элемента с низкими оптическими потерями.

8. На основе полученных результатов удалось создать МИОЭ с общими потерями деполяризованного света <7 дБ, коэффициентом поляризационной экстинкции 60 дБ, коэффициентом деления 0.5±0.05, при этом фазовая чувствительность каждого модулятора составила 1 рад/В, что позволило разработать ВОГ со следующими характеристиками: случайная составляющая нулевого сигнала (За) <0.1 град/час, спектральная плотность мощности шума

1П

0.005 град/час , погрешность масштабного коэффициента <0.01 %.

9. Оптимизирована технология отожженного протонного обмена для создания в кристаллах ниобата лития легированных оксидом магния такого интегрально-оптического элемента, как электрооптический модулятор Маха - Цандера.

1. Т.Тамир (под редакцией) «Интегральная оптика» / М. Мир, 1978 г., с. 12.

2. Zachariasen W.H. Untersuchungen uber die Kristallstructur von Sesquioxygen und Verbindungen AB03 // Skrifter Der Norske Videnskaps-Akademi Oslo, I.Mat-Naturv.Klasse, 1928, N 4.

3. Федулов С.А., Шапиро З.И., Ладыженский П.Б. Выращивание кристаллов LiNb03, LiTa03 и NaNb03 методом Чохральского // Кристаллография, 1965, т. 10, с.218

4. Matthias В. Т., Remeika J.P. Ferroelectricity in the Ilmenire structure // Phys. Rev., 1949, v.76, p.1886.

5. Nassau K., Levinstein H.J., Loiacono G.M. Ferroelectric lithium niobate 2. Preparation of single domain crystals // J.Phys.Chem.Solids, 1966, v.27, N 4, p.989-996.

6. Abrahams S.C., Buehler E., Hamilton W. C., Laplaca S.J. Ferroelectric lithium tantalate III. Temperature dependence of the structure in the ferroelectric phase and the paraelectric structure at 940° С // J.Phys.Chem. Solids, 1973, v.34, p.521.

7. Дикаев Ю.М., Копылов Ю.А., Котелянский И.М. // Квантовая Электрон. 1981. Т.8.С.378.

8. O'Bryan Н.М., Gallagher Р.К, Brandle C.D. // J.Am.Ceram.Soc, 1985, v.68, р.493.

9. Schirmer O.F., Thiemann О., Wahlecke M. Defects in LiNb03 .1. Experimental Aspects//J.Phys.Chem.Solids, 1991, v.52, N 1, p.185-200.

10. Lerner P., Legras C., Dumas J.P. // J.Crystal Growth, 1968, v.3/4, p.231.

11. Beattie I.R., Davies D.R. The interdiffusion of 2 charged particles (with particular reference to ion-exchange in zeolites) // Phil.Mag., 1957, v.8, N 17, p.599-606.

12. Shaw D. Diffusion mechanisms in II-VI materials // J.Crystal Growth, 1988, v.86, N 1/4, p.778-796.

13. Peterson G.E., Carnevale A. // J.Chem.Phys, 1972, v.56, p.4848.

14. Donnerberg H.J., Tomlison S.M., Catlow C.R.A. Defects in LiNb03 .2. ComputerSimulation Source // J.Phys.Chem.Solids, 1991, v.52, N 1, p.201-210.

15. Smyth D.M., 1986, in Proc 6th IEEE Int.Symp.on Applications of Ferroelectrics, Bethlehem, PA, 8-11 June, 115.

16. Mehta A., Navrotsky A, Kumada N., Kinomura N. Structural Transitions in LiNb03 and NaNb03 // J.Solid State Chem, 1993, v.102, N 1, p.213-225.

17. Abrahams S.C., Buehler E., Hamilton W. C., Laplaca S.J. Ferroelectric lithium tantalate III. Temperature dependence of the structure in the ferroelectric phase and the paraelectric structure at 940° С // J.Phys.Chem. Solids, 1973, v.34, p.521.

18. Wemple S.M., Di Domenico M., Camlibel J. // Appl.Phys.Lett., 1968, v.12, p.209.

19. Lawrence M. Lithium-Niobate Integrated-Optics // Rep.Prog.Phys., 1993, v.56, N 3, p.363-429.

20. Di Domenico M., Wemple S. H. Oxygen-octahedra ferroelectrics. I. Theory of electro-optical and nonlinear optical effects // J.Appl.Phys., 1969, v.40, p.720.

21. Camlibel I. Spontaneous polarization measurements in several ferroelectric oxides using a pulsed-field method // J.Appl. Phys., 1969, v.40, p. 1640-1693.

22. Kaminow I.P., Carruthers J.R. Optical waveguiding layers in LiNb03 and LiTa03 // Appl.Phys.Lett., 1973, v.22,p.326.

23. Войтенко И.Г. Исследование некоторых устройств интегральной оптики на основе ниобата лития // Автореферат канд. дис., Минск, 1982.

24. McCaughan L. Critical materials issues in the performance and manufacturability of LiNb03 integrated optics // Proc.SPIE, 1994, V.CR45, p.15-43.

25. Burns W.K., Klein P.H., West E.J., Plew L.E. Ti diffusion in Ti:LiNb03 planar abd channel optical waveguides // J.Appl.Phys., 1979, v.50, p.6175.

26. Тамир Т. (Под редакцией) Волноводная оптоэлектроника //М.:Мир, 1991, 575 с.

27. Ганыпин В.А., Коркишко Ю.Н., Петрова В.З. Получение планарных световодов на кристаллах ниобата и танталата лития // Обзоры по электронной технике. Серия 11., Лазерн.техн. и оптоэлектр., 1986, вып.2 (1174), 56 с.

28. Jackel J.L., Rice С.Е. Variation in waveguides fabricated by immersion in AgN03 and T1N03: the role of hydrogen // Appl. Phys.Lett., 1982, v.41, N 6, p.508-510.

29. Suchoski P.G., Findakly Т.К., Leonberger F.J. // Opt.Lett. 1988. Vol.13, p. 1050-1052.

30. Komatsu K.,Yamazaki S., Kondo M., Ohta Y. Low-Loss Broad-Band LiNb03 Guided-Wave Phase Modulators Using Titanium Magnesium Double Diffusion Method // J.Lightwave Technol., 1987, v.LT5, N 9, p.1239-1245.

31. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. // Ion exchange in single crystals for integrated optics and opt electronics Cambridge International Science Publ, Cambridge - 1999 -p.106-148.

32. Wong Ka-Kha. Integrated optical waveguides and devices fabricated by proton exchange: a review // Proc.SPIE, 1988, v.993, p.13-25.

33. Donaldson A. Candidate Materials and Technologies for Integrated-Optics Fast and Efficient Electrooptic Modulation // J.Phys.D: Appl.Phys., 1991, v.24, N 6, p.785-802.

34. Ganshin V.A., Korkishko Yu.N. Proton exchange in lithium niobate and lithium tantalate single crystals: Regularities and specific features // Phys.status solidi (a). Review article, 1990, v. 119, N 2, p. 11-25.

35. De Micheli M.P., Ostrowsky D.N., Korkishko Yu.N., Bassi P., in Insulating Materials for Optoelectronics (Ed. F. Agullo-Lopez, World Scientific, 1995), Chap. 12.

36. Hunsperger R.G., 1985, Integrated Optics: Theory and Technology, (Springer, Berlin).

37. Yu.N. Korkishko and V.A. Fedorov, in Ion Exchange in Single Crystals for Integrated Optics and Optoelectronics (Cambridge International Sci. Publ., Cambridge, UK, 1999), pp. 97-269.

38. P.G. Suchoski, T.K. Findakly and F.J. Leonberger, "Stable low-loss proton-exchanged LiNb03 devices with no electro-optic degradation", Opt. Lett. 13, 1050-1052 (1988).

39. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Laurell F. The SHG-response of different Phases in proton exchanged lithium niobate waveguides // IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 2000. - Vol.6, № 1. - P.132-142.

40. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Kostritskii S.M., Alkaev A.N., Maslennikov E.I., Laurell F. Nonlinear optical properties of different types of proton exchanged LiNb03 and LiTa03 waveguides // Proc. SPIE, Vol.4944, Integrated Optical Devices:

41. Fabrication and Testing, edited by Giancarlo C. Righini, (SPIE, Bellingham, WA, 2003), P. 268-279.

42. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Feoktistova O.Y. Optical waveguide fabrication by high-temperature proton exchange // IEEE J. Lightwave Technol. 2000. - Vol.18. -P.562-568.

43. Коркишко Ю.Н., Федоров B.A., Баранов E.A., Морозова Т.В., Падерин Е.М. Метод высокотемпературного протонного обмена для формирования оптических волноводов в ниобате лития // Известия вузов. Серия Электроника. 2001, № 4,-С.47-58.

44. Yu.N. Korkishko and V.A. Fedorov, in Ion Exchange in Single Crystals for Integrated Optics and Optoelectronics (Cambridge International Sci. Publ., Cambridge, UK, 1999), pp. 97-302.

45. Barrer R.M., Bartholomew R.F., Rees L.V.C. Ion exchange in porous crystals // J. Phys. Chem. Solids, 1963, v,24,N2,pp.309-317.

46. Maciak T. LiNb03 optical waveguides obtained by proton exchange in oleic acid // Int. J.Optoelectronics, 1990, v.5, N3, p.227-234.

47. Pun E.Y.B., Tse Y.O., Chung P.S. Proton-Exchanged Optical Wave-Guides in LiNb03 Using Octanoic-Acid // IEEE Photon. Techn.Lett., 1991, v.3, N 6, p.522-523.

48. Ganshin V.A, Korkishko Yu.N., Morozova T.M. Properties of proton exchanged optical waveguides in LiNb03 and LiTa03 // Phys.stat. sol.(a), 1988, v.110, N 1, p.397-402.

49. Loi K.K., Pun E.Y.B., Chung P.S. Proton exchanged optical waveguides in Z-cut LiNb03 using toluic acid // Electr.Lett., 1992, v.28, N6, p.546-548.

50. Pun E.Y., Loi K.K., Zhao S.A., Chung P.S. Experimental Studies of Proton-Exchanged Lithium-Niobate Wave-Guides Using Cinnamic Acid // Appl.Phys.Lett., 1991, v.59, N 6, p.662-664.

51. Коркишко Ю.Н. Ионообменное легирование ниобата лития для получения световодных элементов интегральной оптики // Дис. канд. техн. наук, М.:МИЭТ, 1987,219 с.

52. Ganshin V.A., Korkishko Yu.N. Deformation, stresses and birefringence in proton exchanged lithium niobate waveguides // J. Opt. Commun., 1991, v.13, N1, p.2-7.

53. Ганыдин B.A., Коркишко Ю.Н., Петрова В.З. Формирование аутдиффузионных световодов в LiNb03 при низких температурах в расплавах солей // Письма в ЖТФ, 1983, т.9, N 19, с.1997-1200.

54. Fedorov V.A., Ganshin V.A., Korkishko Yu.N., Morozova T.V. Optical waveguides Me :LiTa03 prepared by nonisovalent ion exchange. Ferroelectrics, 1993, v.138, N1/4, p.23-36.

55. Fedorov V.A., Korkishko Yu.N. Crystal structure and optical properties of nonisovalent ion exchanged Zn:LiTa03 waveguides // Ferroelectrics, 1995, v.166, p. 183194.

56. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Ion Exchange in Single Crystals for Integrated Optics and Optoelectronics, Cambridge Int.Sci.Publ., 1996, Cambridge, UK.

57. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. // Ion exchange in single crystals for integrated optics and opt electronics Cambridge International Science Publ, Cambridge - 1999 -P.106-148.

58. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Structural Phase Diagram of HxLiixNb03 waveguides: the correlation between structural and optical properties. // IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 1996,- Vol.2, № 2,- P.187-196.

59. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., De Micheli M.P., Baldi P., El Hadi K., Leycuras A. Relationships between structural and optical properties of proton-exchanged waveguides on Z-cut lithium niobate // Appl.Opt.- 1996. -Vol.35, №36. P.7056-7060.

60. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Relationship between refractive indices and hydrogen concentration in proton-exchanged LiNb03 waveguides // J. Appl. Phys. -1997. Vol.82.-P.171-183.

61. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Kostritskii S.M. Optical and X-ray characterization of HxLi!.xNb03 phases generated in proton exchanged LiNb03 optical waveguides // J.Appl.Phys. 1998. - Vol.84, №5 - P.2411-2419.

62. Коркишко Ю.Н., Федоров B.A. Структурно-фазовая диаграмма протонообменных HxLi.xNb03 волноводов в кристаллах ниобата лития // Кристаллография.- 1999,- Т.44, № 2.- С.237-246.

63. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Structural phase diagram of proton-exchanged waveguides in LiNb03 // in Properties of Lithium Niobate, EMIS Datareviews Series № 28, K.K.Wong (Ed.), (INSPEC, IEE, London, UK, 2002), P.43-49.

64. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Composition of different crystal phases in proton-exchanged waveguides in LiNb03// in Properties of Lithium Niobate, EMIS Datareviews Series № 28, K.K.Wong (Ed.), (INSPEC, IEE, London, UK, 2002), P.50-54.

65. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Refractive indices of different crystal phases in proton-exchanged LiNb03 waveguides // in Properties of Lithium Niobate, EMIS Datareviews Series № 28, K.K.Wong (Ed.), (INSPEC, IEE, London, UK, 2002), P. 146152.

66. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., De Micheli M.P. Anomalous refractive index change in proton exchanged LiNb03 waveguides after annealing // Electron. Lett.- 1995.-Vol.31.- № 18.- P.1603-1604.

67. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Structural and optical characterization of annealed proton exchanged LiNb03 optical waveguides // Opt. Mater. 1996. - Vol.5. - P. 175-185.

68. Ashley P.R. High index, low loss waveguides in LiNb03 with Ti ion implantation // Topical Meeting on Integrated and Guided-Wave Optics (IGWO'88), Santa Fe, March 28-30, 1988, Tech.Digest Series, v.5, paper MD5-1.

69. Ганыпин B.A., Коркишко Ю.Н. // ЖТФ. 1992, Т.62. № 1. С.98.

70. Ганыпин В.А., Коркишко Ю.Н., Федоров В.А. // Кристаллография. 1995. Т.40. N 2. С.341.

71. Коркишко Ю.Н., Федоров В.А. //Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. № 18. С.61.

72. Loni A., Keys R.W., De La Rue R.M. Characterization of waveguides formed by proton-exchange in MgO-doped and Nd:MgO-doped LiNb03: A comparison with congruent material // J.Appl.Phys. 1990. - Vol.67. - N 9. - P. 3964-3967.

73. Hagner G., Bachmann T. Refractive index profiles and Exchange Ratios of proton-exchanged waveguides in congruent and MgO-doped LiNb03 // Phys.stat.sol. (a). 1998. -Vol.165.-P. 205-212.

74. Zhuo Z., Chong T.G., Chow Y.T. Formation and properties of proton-exchanged Z-cut Mg0:LiNb03 crystal waveguides // J.Appl.Phys. 1997. - Vol.36. - P. 139-142.

75. P.Lerner, C.Legras and J.P.Dumas, J. Crystal Growth 3/4 (1968) 231.

76. J.R.Carruthers, G.E.Peterson, M.Grasso and P.M.Bridenbaugh, J. Appl.Phys. 42 (1971) 1846.

77. L.O.Svaasand, M.Eriksrud, A.P.Grande and F.Mo, J. Crystal Growth 18 (1973) 179.

78. K.Kitamura, J.K.Yamamoto, N.Iyi, S.Kimura and T.Hayashi, J. Crystal Growth 116 (1992) 327-332.

79. White J.M., Heidrich P.F. Optical Waveguide Refractive Index Profiles Determined from Measurement of Mode Indices: a Simple Analysis // Appl.Optics, 1976, v. 15, N1, pp.151-155.

80. K.S. Chiang, C.L. Wong, H.P. Chan, and Y.T. Chow Refractive-index profiling of graded-index planar waveguides from effective indexes measured for both mode types and at different wavelengths // J. Lightwave Technol. 1996. - vol. 14, pp. 827-832

81. John Nikolopoulos, Gar Lam Yip. Theoretical modeling and characterization of annealed proton-exchanged planar waveguides in z-cut LiNb03 // Journal of Lightwave Technol.-1991.-vol. 9,N7.-pp. 864-870.

82. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Ion exchange in single crystals for integrated optics and optoelectronics. Cambridge. - Cambridge International Science Publishing. - 1999 -P. 516 .

83. Cabrera J.M., Olivares J., Carrascosa M., Rams J., Muller R., Dieguez E. Hydrogen in LiNb03 // Adv.Phys. 1996. - Vol.45. - P. 349-394.

84. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Kostritskii S.M. Optical and X-ray characterization of HxLi!xNb03 phases generated in proton exchanged LiNb03 optical waveguides // J.Appl.Phys. 1998.-Vol.84. - P. 2411-2419.

85. Yu.N.Korkishko, V.A.Fedorov, S.M.Kostritskii, E.I.Maslennikov, M.V.Frolova, A.N.Alkaev C. Sada, N. Argiolas, M. Bazzan. Proton-exchanged waveguides in MgO-doped LiNb03.-Optical and Structural Properties // J.Appl.Phys., 2003, v.94, № 2, pp.1163-1170.

86. Общество с Ограниченной Ответственностью

87. НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯстмолитс124498, Москва, Зеленоград, строение 5, проезд 4806

88. Тел (095) 536-9933 факс(095)536-9934. Эл.почта: opto@optolink.ru

89. Р/с 40702810400010170854 в банке ЗАО " Международный Московский Банк", г. Москва К/с 30101810300000000545, БИК 044525545 ОКПО 56734122 ОКОНХ 95300 ОКДП 7300000

90. ИНН I КПП 7735105059/ 773501001

91. Исх. № 18 от "20 "октября 2006 г.о внедрении результатов диссертационной работы М.В.Фроловой "Протонообменные световодные структуры в кристаллах ниобата лития различногосостава".

92. Генеральный директор / Финансовый директор