Optically induced channel waveguide structures with spatial modulation of parameters in the surface layer of lithium nio.pdf Введение Монокристаллы ниобата лития (LiNbO3) широко используются при создании различных элементов и приборов интегральной и нелинейной оптики, фотоники и лазерной техники благодаря уникальному набору физических свойств [1]. Легирование ниобата лития ионами переходных металлов, такими, как Fe, Cu, Mn, которые могут находиться в кристалле в нескольких зарядовых состояниях, значительно увеличивает его фоторефрактивный отклик [2]. Фоторефрактивный эффект, заключающийся в возмущении показателя преломления под действием света, в образцах LiNbO3, легированных такими примесями, обусловлен фотовольтаическим механизмом транспорта носителей заряда и не требует приложения внешнего электрического поля, обеспечивающего дрейф этих носителей. В кристаллах LiNbO3 с фотовольтаическим типом нелинейного отклика изменения оптических свойств наблюдаются и при низких интенсивностях света, составляющих 0.1 Вт/см2 и менее. С использованием излучения маломощных непрерывных лазеров в них могут формироваться фазовые дифракционные решетки и более сложные голографические структуры [3, 4], что открывает перспективы создания гибридных оптоэлектронных и полностью оптических приборов фотоники [5, 6]. В фоторефрактивных кристаллах возможно индуцирование волноводно-оптических элементов пространственными оптическими солитонами [7], однако в LiNbO3 нелинейный отклик при фотовольтаическом механизме транспорта имеет самодефокусирующий характер [8]. Соответственно за счет этого механизма в нем возможно формирование лишь темных пространственных солитонов [8, 9]. Легирующие примеси могут как вводиться в шихту, в процессе роста кристаллов, так и внедряться через оптически полированную поверхность образцов, с использованием методов диффузии, ионного обмена и ионной имплантации [5, 9, 10]. Изменение физических свойств материала вблизи поверхности может обеспечивать в этой области волноводно-оптические или лазерные свойства [5, 9, 10], а также модифицировать его акустические и оптические параметры [5, 11]. Поверхностное легирование позволяет получить более высокую концентрацию примесей, в сравнении с их введением в процессе выращивания кристаллов. При этом возможно и легирование необходимых областей поверхности образца разными примесями или их комбинациями для изменения функционального назначения этих областей [12]. Целью данной работы является исследование оптического индуцирования канальных оптических волноводов в кристаллических образцах Y-среза ниобата лития с поверхностным легированием ионами Cu, с использованием пространственного перемещения записывающего лазерного пучка. Параметры сформированных волноводов изучались методом оптического зондирования светом с длиной волны λ = 633 нм, поляризация которого соответствовала необыкновенной волне в кристалле. 1. Формирование канальных волноводных структур Эксперименты по созданию волноводных элементов проводились для пластины Cu:LiNbO3 Y-среза c размерами 30×3×15 мм по осям X, Y и Z соответственно. Ионы меди в кристалл вводились поверхностным легированием. Для этого на поверхность XZ кристалла термическим распылением в вакууме наносилась пленка Cu толщиной ~ 200 нм. Далее в течение 10 ч проводился процесс диффузии в воздушной атмосфере при температуре 900 С. В результате в приповерхностной области образца формировался слой Cu:LiNbO3. Толщина слоя оценивалась при зондировании образца с торца излучением с λ = 532 нм и выходной мощностью P = 2 мВт. Световой пучок фокусировался на торце кристалла сферической линзой с фокусным расстоянием F = 25 см. Кристалл был расположен на линейном трансляторе с точностью перемещения 10 мкм. Смещение образца относительно падающего излучения осуществлялось с шагом 50 мкм. Интенсивность излучения, прошедшего через кристалл, регистрировалась фотодиодом (ФД). По полученным с помощью ФД данным рассчитан коэффициент поглощения внутри кристалла через каждые 50 мкм. В результате построена зависимость поглощения лазерного излучения внутри образца, изображенная на рис. 1. Толщина легированного слоя оценивалась по уровню 0.95 от максимального значения коэффициента α и составила h ≈ 200 мкм. Рис. 1. Результат измерения поглощения света при вводе излучения с торца кристалла Формирование канальных оптических волноводов осуществлялось за счет фоторефрактивного эффекта [13, 14] на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 2. Рис. 2. Схема экспериментальной установки для формирования канальных волноводных структур: 1 - источник излучения; 2 - микрообъектив; 3 - микрометрический столик; 4 - кристалл ниобата лития; 5 - изображающая линза; 6 - анализатор лазерных пучков; 7 - персональный компьютер Световой пучок от источника излучения 1, в качестве которого использовался твердотельный YAG:Nd3+-лазер с удвоением частоты (λ = 532 нм) и выходной мощностью 10 мВт, фокусировался на поверхность XZ образца Cu:LiNbO3 4, установленного на подвижном столике 3, микрообъективом 2 с увеличением ×10. Распределение интенсивности света на данной поверхности регистрировалось анализатором лазерных пучков BS-FW-FX33 (АЛП), сопряженным с персональным компьютером. Диаметр фокусированного пучка в области перетяжки, по уровню 1/e от максимальной интенсивности, составлял ~ 20 мкм. Подвижный столик 3 представлял собой микрометрический позиционер, позволяющий задавать положение образца относительно формирующего пучка с точностью 5 мкм. Поточечное экспонирование поверхности при смещении образца с шагом 20-60 мкм приводило к формированию в приповерхностном легированном слое Cu:LiNbO3 областей с пониженным показателем преломления, длина которых варьировалась от 1 до 2 мм. Ориентация вектора поляризации экспонирующего излучения вдоль оси X кристалла соответствовала обыкновенной волне. Для реализации волноводного эффекта создавались структуры, состоящие из двух параллельных полосок, ориентированных вдоль оси X кристалла [13]. 2. Исследование индуцированных канальных волноводных структур Вследствие фоторефрактивного эффекта, при фотовольтаическом механизме транспорта электронов в зоне проводимости, показатели преломления LiNbO3 в освещенной области понижаются [3, 5], поэтому волноводно-оптический эффект может проявляться в промежутке между двумя такими областями. В экспериментах облучаемые области представляли собой параллельные полоски, ориентированные в направлении оси X кристалла. Каждая из полосок создавалась последовательным точечным экспонированием поверхности LiNbO3 сфокусированным световым пучком и состояла из набора точек. Количество точек экспонирования и расстояния между их центрами варьировались в различных экспериментах. Расстояние между центрами полосок в различных экспериментах составляло 40-60 мкм. Время экспонирования точки в разных экспериментах изменялось от 5 до 12 с. Индуцированные в легированной поверхностной области LiNbO3 неоднородности зондировались коллимированным пучком He-Ne-лазера (λ = 633 нм) диаметром 1 мм (рис. 3). Рис. 3. Схематическое изображение зондирования индуцированных волноводных структур Некоторые результаты зондирования образованных структур приведены на рис. 4. На рис. 4, а показан результат зондирования волноводной структуры, однородной в продольном направлении. Две параллельные темные полосы в центральной части рисунка образованы индуцирующими пятнами, расстояние между центрами которых составляло 20 мкм. Эти полосы соответствуют областям с пониженным вследствие фоторефрактивного эффекта показателем преломления. Светлая полоса между ними - волноводная область. На рис. 4, б показан результат зондирования волноводной структуры, образованной индуцирующими пятнами, расстояние между центрами которых составляло 60 мкм. Этот случай соответствует канальной волноводной структуре с периодической неоднородностью в продольном направлении. Ширина волноводной области для однородной и неоднородной структур составляет ~ 20 мкм. Пример формирования волноводной структуры с изменяющейся пространственной модуляцией в продольном направлении приведен на рис. 4, в. В процессе индуцирования структуры шаг между экспонирующими пятнами варьировался от 20 до 50 мкм. Рис. 4. Световые картины, полученные при зондировании канальных волноводных структур: а - продольно однородной; б - периодически неоднородной; в - с изменяющейся однородностью При ориентации экспонированной полоски вдоль оптической оси кристалла формирование фоторефрактивных фазовых элементов затруднено [5]. Это связано с тем, что поле пространственного заряда появляется только на границах освещенной области, перпендикулярной направлению оптической оси кристалла. Однако поточечное экспонирование поверхности кристалла узким световым пучком позволяет сформировать волноводную структуру вдоль оси Z кристалла. На рис. 5, а показан результат зондирования структуры, образованной при смещении индуцирующего пятна вдоль оси Z кристалла. Шаг экспонирования составлял 60 мкм. Рис. 5. Световые картины, полученные при зондировании: а - экспонированной полоски, ориентированной вдоль оптической оси кристалла; б - индуцированной структуры со сложной топологией Возможность формирования экспонированных областей вдоль оси Z кристалла позволяет индуцировать волноводные структуры сложной топологии в фоторефрактивных слоях. Типичный пример структуры сложной топологии приведен на рис. 5, б. Экспонирование световым пучком канальных оптических волноводов использовалось в работе [15] для модуляции параметров прямолинейных волноводных элементов, полученных диффузией титана в подложке LiNbO3. Полученные авторами результаты показывают, что поточечное экспонирование может использоваться и для создания в фоторефрактивных слоях волноводных систем более сложной топологии, определяемой формой пути светового пятна на поверхности образца. Количественная оценка изменений показателя преломления Δn, вносимых при поточечном индуцировании волноводных структур в поверхностном слое кристалла, проводилась с использованием интерферометра Жамена. Полученные интерферограммы фиксировались ПЗС-камерой. Пример такой интерферограммы приведен на рис. 6. Рис. 6. Световая картина на выходе интерферометра Жамена при введении исследуемого образца в одно из плеч интерферометра Из интерферограммы видно, что в индуцированной области кристалла, выделенной на рис. 6, наблюдается фазовый сдвиг интерференционных полос Δφ относительно участка образца без внесенных лазером изменений показателя преломления. Величина фазового сдвига интерференционных полос составила Δφ = 1.1π. Количественная оценка изменений показателя преломления Δn проводилась по формуле [16] Δ = (n1 - n2) d = Δnd, (1) где n1 - показатель преломления кристалла; n2 - показатель преломления кристалла, измененный под воздействием лазерного излучения; d - толщина легированного слоя; Δ - разность хода лучей. По полученным расчетам изменение показателя преломления в экспонированной области составило n = 1•10-3. Заключение Таким образом, экспериментально показаны возможности индуцирования канальных волноводных структур с пространственной модуляцией их параметров. При точечном экспонировании появляется возможность влиять на продольную однородность волноводных каналов, а также формировать волноводные каналы вдоль полярной оси кристалла LiNbO3. Это позволяет создавать в легированном поверхностном слое кристалла канальные волноводы и их системы со сложной топологией, определяемой перемещением светового пятна по поверхности образца. Такие структуры допускают многократную оптическую реконфигурацию и могут быть использованы в оптических устройствах фотоники.

Скачать электронную версию публикации