Micro-optical structures written by photothermal method in a specially modified near-surface layer of lithium niobate cr.pdf Электрооптические кристаллы ниобата лития (LiNbO3, LNO) относятся к базовым материалам современной интегральной оптоэлектроники. В составе LNO интегрально-оптических схем часто необходимо наличие эффективных и компактных дифракционных компонентов, которые могут служить сенсорными блоками, элементами связи, узкополосными светофильтрами в направляемых модах и т.п. В настоящее время создание таких компонентов сопряжено с использованием технологически сложных и дорогостоящих методов структурной или/и химической модификации поверхности и приповерхностного слоя материала. Целью данной работы являлось изучение возможности последовательного формирования подобных структур в кристаллах LNO с помощью простой техники лазерного возбуждения локальной внутренней диффузии примесей из специально подготовленного («затравочного») двойного ионообменного слоя LiNbO3:H:Cu. Диффузионный слой LiNbO3:H:Cu на поверхности полированных пластин X- и Z-срезов номинально беспримесных кристаллов LNO конгруэнтного состава, выращенных Gooch&Housego PLC и ИФИ НАН Армении (г. Аштарак), сформирован методом комбинированного ионного обмена в расплаве пальмитиновой кислоты с добавками карбоната меди и карбоната лития. В результате топотактической реакции ионного замещения, идущей преимущественно по каналам Li+↔H+, Cu+↔ H+, Li+↔Сu+, в приповерхностном слое исходных кристаллов LNO были получены системы, состоящие из надслоя LiNbO3:H:Cu (слой I) и субслоя LiNbO3:H (слой II). Реализация такой двухслойной структуры становится возможной за счет разности коэффициентов диффузии водорода и меди в решетке LNO при каскадном характере процессов замещения ионов в выбранном режиме ионного обмена [1]. Суммарная глубина диффузии обеих примесей в слоях I и II, согласно оценкам, выполненным с использованием методов прецизионной шлифовки и химического травления в HF, c последующими измерениями методами оптической микроскопии, инфракрасной спектроскопии, электронной абсорбционной спектроскопии и конфокальной раман-микроскопии (спектроскопии микроКРС), не превышала 0.5 мкм. Дополнительно из этих измерений было установлено, что кристаллическая структура приповерхностного слоя соответствовала электрооптически выгодной α-фазе по всей глубине модифицированного слоя. Диффузия ионов Cu+ в кристаллическую решетку LiNbO3 сопровождается ростом оптического поглощения в асимметричной полосе общей шириной не менее 2 эВ и максимумом вблизи 3.6 эВ. Высокочастотные компоненты этой полосы, относимые к электронным переходам с центров Сu+ в зону проводимости, обычно используются для оценки концентрации меди в кристаллах LiNbO3:Cu. Однако более важным параметром данной полосы поглощения, в нашем случае, являлось значение оптической плотности D ≥ 1.5 в области 2.4-2.6 эВ, поскольку в этот диапазон попадают энергии фотонов в двух наиболее мощных линиях излучения Ar+-лазера (λ1 = 514.5 нм и λ2 = 488 нм), использованного нами для последующего лазерного структурирования образцов в ионообменном слое. Основной принцип методики фототермической модификации (ФТМ) образцов состоял в активации процесса нестационарной локальной термоэлектродиффузии введенных примесей из приповерхностного ионообменного слоя сегнетоэлектрического кристалла при его нагреве сфокусированным лазерным пучком. Фокусировка пучка выполнялась объективами 50X (NA = 0.50) или 100X (NA = 0.9) при выходной мощности лазера P = 1-20 мВт, что позволяло достигать интенсивностей I ≈ 105-106 Вт/см2 в каустике, пересекающей слои I и II (рис. 1, а). Кроме того, для изменения конфигурации экспонируемого участка образца точечная ФТМ сопровождалась линейным аппаратным сдвигом кристалла со скоростью V = 1-250 мкм/c в заданной двумерной координатной сетке в плоскости среза с помощью управляемой моторизованной платформы. Таким образом, поверхность кристалла последовательно сканировалась лазерным лучом, имеющим минимальный диаметр d ≈ 1 мкм в каустике. Для формирования периодических структур в данной работе был выбран программный алгоритм горизонтального смещения образца в виде меандра с регулируемым периодом D = 1-10 мкм. Любые вариации этого периода, а также топологии экспонируемой области при ФТМ ограничены лишь значением d и аппаратными параметрами оптомеханики в применяемой установке. Полную длину каустики в кристалле можно приближенно оценить величинами в диапазоне 3-11 мкм, в зависимости от использованной длины волны лазерного излучения и параметров объектива, однако в режиме фокусировки на поверхности образца для ФТМ применялась только половина её полной длины. В этих условиях энергия излучения лазерной накачки эффективно поглощается в надслое I и вызывает его быстрый разогрев до температуры выше 100 оС, при которой как ионная (протонная), так и электронная проводимости резко возрастают. Слабо поглощающий протонированный субслой II нагревается, в основном, за счет теплопроводности решетки LNO, однако он также диффузионно-активен с ростом температуры и градиентов концентрации носителей заряда. Диффузия протонов за пределы освещенного (нагретого) участка ионообменного слоя сопровождается появлением H+ пространственного заряда, частично скомпенсированного за счет электронной проводимости при неизбежной параллельной перезарядке центров Cu+/Сu2+ в экспонируемой области. В неоднородном эффективном поле этого суммарного пространственного заряда Esc(t), при продолжении экспозиции образца, диффузия и дрейф носителей заряда обоих типов продолжаются до достижения динамического стационарного состояния или прекращения облучения. В конечном счете, в результате ФТМ выбранный участок приповерхностного слоя кристалла LNO приобретает устойчивую пространственную модуляцию действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления (рис. 1, б). Рис. 1. Базовый принцип ФТМ в двойном ионообменном слое LiNbO3:H:Cu (а). Пример периодической структуры, полученной методом ФТМ (микрофотография в отраженном свете) (б) Для качественной оценки степени структурной модификации образцов после ФТМ для всех исследуемых объектов были получены спектральные карты микроКРС по методике [2]. Типичный результат такого картирования в геометрии для микроструктур, созданных на Z-срезах LNO, приведен на рис. 2. Рис. 2. Спектральные карты микроКРС для микроструктур: а - единичная точка (пин), в О-Н-полосе (3600-3400 см-1); б - каналы (страты), в полосе с максимумом 655 см-1, по методике [2] Измерения интегральной интенсивности КРС выполнены в полосе с максимумом 650-655 см-1 (запрещенные фононы A1(TO) и E(LO)) и в области 3600-3400 см-1 (валентные колебания О-Н) со сканированием в плоскости XY с шагом 0.2 мкм. Согласно полученным данным, в ФТМ-каналах наблюдается уменьшение концентрации протонов, сопровождаемое релаксацией начальных напряжений и деформаций кристаллической решетки ионообменного слоя в результате диффузионного переноса водорода за пределы экспонируемой области кристалла при ФТМ. Таким образом, в наших экспериментах в приповерхностном слое кристаллов LNO были сформированы амплитудно-фазовые дифракционные системы, состоящие из самофиксирующихся каналов с измененным показателем преломления. Эти структуры обладают многими физическими признаками обычных термофиксированных дифракционных решеток, записываемых в LNO голографическим методом [3]. В то же время, по сравнению с голограммами в LiNbO3, они могут иметь увеличенную в 10-100 раз глубину модуляции показателя преломления при любой геометрической конфигурации в плоскости среза, форме и ориентации страт или последовательностей пинов. В результате, в данной методике становится возможным формирование эффективных брэгговских решеток с произвольным чирпингом, систем в формате 2+1-мерных фотонных кристаллов, а также других оптических компонентов и их наборов в заданной топологии. Определенными ограничениями универсальности получаемых оптических микросистем являются их строгая приповерхностная локализация и очевидная необходимость выбора только ИК-диапазона рабочих длин волн. Однако эти недостатки превращаются в достоинства при фототермической модификации волноводных структур в монокристаллах и микроволокнах LiNbO3.

Скачать электронную версию публикации