Дипломная (вкр): Моделирование и получения планарных волноводов в градиентных PPLN

Моделирование и получения планарных волноводов в градиентных PPLN

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический факультет

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ ВОЛНОВОДОВ В ГРАДИЕНТНЫХ PPLN

Работу выполнил

Нестеренко Михаил Владимирович

Краснодар 2015

Содержание

Введение

1. Оптические волноводы

1.1 Основные оптические эффекты, приводящие к волноводному распространению электромагнитной волны

1.2 Планарные волноводы с градиентным профилем показателя преломления

2. Особенности состава и строения кристаллической решетки LiNbO₃

3. Самовоздействие световых пучков в фоторефрактивной среде

3.1 LiNbO₃ как интегрально-оптическая схема

4. Планарные оптические волноводные структуры и методы их формирования

.1 Кристаллохимическое описание стекол

.2 Получение планарных волноводов методами диффузии

.2.1 Изготовление ОВ методом термическая диффузия

.2.1.1 Планарные ОВ Ti:LiNbO₃ для интегральной и нелинейной оптики

.2.1.2 Планарные ОВ Zn:LiNbO₃ для интегральной и нелинейной оптики

.2.1.3 Формирование планарных волноводов Zn:LiNbO₃

.3 Метод, формирования, стационарных оптических волноводов протонным обменом

.4 Метод формирования стационарных оптических волноводов ионной имплантацией

4.5 Метод формирования стационарных оптических волноводов методом, использующий электрооптический эффект

5. Провидение эксперимента и полученные результаты

5.1 Результаты эксперимента

.1.1 Исследование УФ края полосы собственного поглощения кристалла

.1.2 Исследование спектров пропускания ниобата лития

5.2 Связь градиента концентрации ионов лития показателем преломления

5.3 Экспериментальный образец

Заключение

Список использованных источников

Введение

В настоящее время в связи с интенсивным развитием современной интегральной и волоконной оптики, появляются большие возможности для применения фоторефрактивных кристаллов и оптически индуцированных волноводных элементов в них, в качестве основы датчиков физических воздействий и устройств управления световыми потоками в системах оптической связи [1]. Волноводные элементы могут быть сформированы посредством использования эффектов пространственного самовоздействия и взаимодействия световых пучков в планарных оптических волноводах в фоторефрактивных кристаллах. Практический интерес к формированию таких элементов в подобных волноводах обусловлен рядом специфических свойств волноводных световых полей и возможностями управления фоторефрактивной оптической нелинейностью волноводных элементов. Так, в оптических волноводах возможно одновременное распространение нескольких направляемых мод, что позволяет реализовать эффекты многоволновых взаимодействий [2]. В волноводных структурах возможно отличие количественных и качественных характеристик эффектов индуцирования светом оптических элементов, термооптической и фоторефрактивной модуляции световых полей в сравнении с их характеристиками в объемных средах. При этом перспективной является возможность реализации, например, элементов для расщепления световых пучков на основе планарных оптических волноводов, сформированных в фоторефрактивных кристаллах. К перспективным методам формирования таких волноводов можно отнести метод ионной имплантации, который позволяет создавать на основе подобных кристаллов полностью идентичные серии оптических элементов [2-6].

Материал, который представляет, наибольший интерес в плане создания измерительных и управляющих оптических элементов, относится кристалл ниобата лития (LiNbO₃), обладающий уникальным набором физических свойств [7]. Благодаря сильному фотовольтаическому эффекту, фоторефрактивный отклик в LiNbO₃ не требует внешнего электрического поля. Кроме того, в настоящее время пластины LiNbO₃ коммерчески доступны и разработаны технологии промышленного производства пластин LiNbO₃ больших размеров. К достоинствам этого материала также можно отнести длительное время хранения оптически индуцированных элементов (до нескольких лет) и развитые методы создания на его основе оптических волноводов: посредством термической диффузии, ионного обмена, ионной имплантации. Легирование LiNbO₃ специально подобранными примесями и изменение стехиометрии может приводить к существенной модификации физических свойств материала: оптического поглощения, удельной проводимости, фоторефрактивной чувствительности. Таким образом, пластины LiNbO₃ и планарные волноводные структуры, сформированные методом ионной имплантации на их основе, представляют практический интерес, в связи с возможностью реализации оптических элементов измерения параметров. и коммутации световых пучков.

1. Оптические волноводы

Оптические волноводы представляют собой протяженные структуры, внутри которых могут распространяться электромагнитные волны в видимой и инфракрасной областях спектра. Оптический волновод представляет собой в простейшем случае диэлектрический стержень круглого сечения (волокно) или прямоугольного сечения с поперечным размером, сравнимым с длиной волны. Несмотря на такую простоту, распространение электромагнитной волны в подобной структуре существенно отличается от распространения в свободном пространстве или в диэлектрическом стержне с поперечным размером, много большим длины волны.

Интерес к оптическим волноводам возник в начале 60-х годов XX века после создания первых полупроводниковых лазеров. Оказалось, что излучение в области p-n-перехода лазера распространяется подобно тому, как СВЧ-электромагнитная волна распространяется в СВЧ-волноводе. Это послужило толчком к развитию теории планарных оптических волноводов и интегральной оптики. Дальнейшее развитие последней позволило создать оптические устройства для обработки информации, которые способны конкурировать с аналогичными устройствами интегральной электроники.

Основным достоинством интегрально-оптических является их высокое быстродействие. Уже созданы интегрально-оптические переключатели с временем переключения менее 100 фс. Такое быстродействие недостижимо для устройств обычной полупроводниковой электроники. Возможность передачи и обработки больших объемов информации определяет бурное развитие интегральной оптики в настоящее время.

При обработке электрических сигналов оптическими методами, в ряде случаев, удается получить выигрыш - за счет упрощения конструкции устройства, увеличения быстродействия и уменьшения мощности управления. Достоинства оптических методов обработки информации иллюстрирует рис. 1.

На нем показаны сравнительные характеристики электронных полупроводниковых переключателей (ПЭП), электронных переключателей на основе джозефсоновских переходов (ДП), оптоэлектронных переключателей (ОЭП) и полностью оптических переключателей (ПОП). Сопоставление производится по мощности (энергии) переключения и времени переключения (быстродействию).

Рисунок 1 - Сравнительные характеристики полупроводниковых электронных переключателей (ПЭП), электронных переключателей на основе джозефсоновских переходов (ДП), оптоэлектронных переключателей (ОЭП) и полностью оптических переключателей (ПОП). Прямыми линиями показаны энергии переключения

Из рисунка видно, что характеристики оптоэлектронных переключателей сравнимы с характеристиками полупроводниковых электронных переключателей, однако, проигрывают джозефсоновским переключателям по уровню мощности управления. В то же время, быстродействие полностью оптических переключателей в 102-103 раз выше, чем быстродействие переключателей других типов. Благодаря высокому быстродействию полностью оптические переключатели являются наиболее перспективными устройствами для волоконно-оптических линий связи будущего, оптических компьютеров и систем обработки информации. Однако, быстродействие полностью оптических переключателей обеспечивается за счет относительно высокой мощности управления. Поэтому, в настоящее время, основная тенденция научных исследований и разработок (стрелка на рис. 1) уменьшение мощности управления таких устройств

Так как в устройствах интегральной оптики носителями сигналов являются электромагнитные волны оптического диапазона, то при разработке интегрально-оптических устройств используются оптические материалы, обеспечивающие распространение оптических сигналов без потерь, а также материалы, позволяющие управлять оптическими сигналами.

Общей характеристикой оптических волноводов для интегральной оптики является то, что показатель преломления материала сердцевины волновода больше, чем показатель преломления окружающей среды.

Оптические волноводы можно классифицировать по двум основным параметрам: по геометрии волновода и по профилю показателя преломления в поперечном и продольном направлениях. По геометрическим характеристикам волноводы делятся на две группы: регулярные и нерегулярные волноводы. К регулярным относятся волноводы, имеющие равномерную и гладкую границу между сердцевиной волновода и окружающей средой, а также отсутствие модуляции показателя преломления в продольном направлении.

Основным типам регулярных оптических волноводов являются планарные волноводы. Планарные волноводы используются в интегральной оптике для передачи оптических сигналов и для построения устройств управления оптическими сигналами: оптических переключателей, модуляторов, коммутаторов и т.д.

По профилю пространственного распределения показателя преломления в поперечном сечении планарные волноводы делятся на две группы: со ступенчатым профилем показателя преломления и с градиентным профилем (альфа-профиль). Во второй группе волноводов показатель преломления плавно изменяется от центра волновода к его границе по определенному закону. Наиболее часто используются волноводы с параболическим профилем показателя преломления. В некоторых случаях используются волноводы с многослойным тонкопленочным покрытием. Такие волноводы представляют собой промежуточную группу между волноводами со ступенчатым профилем и волноводами с альфапрофилем. Для модовой селекции используются волноводы с анизотропным показателем преломления. Такие волноводы изготавливаются из оптически анизотропных материалов, показатель преломления которых зависит от ориентации светового луча относительно оптической оси среды. Для изготовления устройств управления оптическими сигналами в интегральной оптике используются материалы с управляемым показателем преломления. В основе модуляции показателя преломления под действием внешнего управляющего сигнала наиболее часто используются электооптический, акустооптический, термооптический, магнитооптический и нелинейно- оптические эффекты.

Материал оптического волновода может обладать усилением. Волноводы с усиливающей средой используются в волноводных и волоконных лазерах и усилителях.

.1 Основные оптические эффекты, приводящие к волноводному распространению электромагнитной волны

Основным свойством оптического волновода является способность каналировать электромагнитную энергию оптического диапазона. В лучевом приближении это свойство волновода иллюстрирует рис. 2

Рисунок 2 - Каналирование луча в оптическом волноводе

Волновод на рисунке представляет собой трехслойную структуру из материалов (1…3) с разными оптическими свойствами. В случае каналирования луч распространяется по центральному слою 2.

Очевидно, что такое распространение луча возможно при условии его отражения от границ между средами. Поэтому, рассмотрим законы оптики, описывающие отражение и преломление света на границе между двумя средами с показателями преломления n1 и n2 (рис. 3)

Из граничных условий можно вывести следующие выражения, описывающих свойства лучей при отражении и преломлении:

1. θ3 = θ1 (Угол падения равен углу отражения)

2. sin θ2/sin θ1 = n1/n1 (Закон Снеллиуса)

. Законы Френеля

Рассмотрим подробнее законы Френеля для компонент электрического поля волны. Амплитуды электрического поля падающей (Е1), отраженной (Е3) и преломленной (Е2) волн связаны следующими соотношениями:

,  (1)

для случая, когда вектор электрического поля (Е) перпендикулярен плоскости падения излучения (TE-поляризация: Ey, Hx, Hz, где E и H - векторы электрического и магнитного полей) и соотношениями [4]:

,  (2)

Рисунок 3 - Отражение и преломление света на границе двух сред

для случая, когда вектор электрического поля (Е) параллелен плоскости падения излучения (TМ-поляризация: Ex, Ez, Hy).

Коэффициенты отражения (R) и пропускания (T) могут быть определены по следующим формулам:

,  (3)

Данная ситуация реализуется при угле падения большем критического угла θс. Критический угол падения определяется из выражения:

sin θc = n2/n1.

Из приведенного выражения следует, что эффект полного внутреннего отражения может возникать лишь при выполнении условия n1 > n2. Это условие также является необходимым для каналирования излучения в большинстве диэлектрических волноводов.

При распространении электромагнитных волн в тонких пленках и слоях может возникать явление интерференции. В случае оптических волноводов интерференция оказывает решающее влияние на характер распространения волны. Поэтому для понимания процессов, происходящих в оптических волноводах, необходимо рассмотреть основные закономерности интерференции двух электромагнитных волн.

Амплитуда плоской электромагнитной волны описывается выражением:

(r, t) = E0(r) exp (-iωt) exp [δ(r, t)], (4)

где r - координата; - время;

ω - круговая частота излучения;

δ - фаза волны. При интерференции двух электромагнитных волн одинаковой поляризации происходит сложение их амплитуд:

= E1 + E2. (5)

Интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны. Квадрат суммарной амплитуды двух электромагнитных волн можно записать в виде:

Учитывая исходное выражение для амплитуды поля и пренебрегая быстроизменяющимся членом exp(-iωt) суммарную интенсивность можно представить в виде:

=  +  + 2 cos (δ₁ - δ₂) (6)

Таким образом, при интерференции двух электромагнитных волн суммарная интенсивность зависит от интенсивности каждой волны и разности их фаз. При δ₁ - δ₂ = 0, 2π, 4π … суммарная интенсивность достигает максимума:

=  +  + 2  (7)

Из данного выражения видно, что при одинаковой интенсивности падающих волн ( = ) интенсивность волны в максимуме возрастает в четыре раза. При δ₁ - δ₂ = π, 3π, 5π … интенсивность становится минимальной:

=  +   2  (8)

В оптических волноводах интерференционные эффекты приводят к резонансному распространению электромагнитных волн и формированию волноводных мод. Кроме того, явление интерференции широко используется в волноводных оптических переключателях, предназначенных для управления оптическими сигналами, и в волоконно-оптических датчиках. Примером являются волноводные интерферометры Маха-Цендера, которые широко используются в этих устройствах.

.2 Планарные волноводы с градиентным профилем показателя преломления

Оптические волноводы, имеющие градиент показателя преломления в поперечном сечении, широко используются в и интегральной оптике. В общем случае, профиль показателя преломления можно описать выражением:

 (9)

где n₁ - показатель преломления на оси волновода; ₂ - показатель преломления оболочки;

Δ = const; f(x) - функция, задающая градиент профиля показателя преломления;

а - ширина сердцевины. Наиболее часто используется экспоненциальный либо степенной профиль показателя преломления. В случае степенного профиля («альфа-профиля») функция f(x) имеет следующий вид:

(x) = (x/a)^α. (10)

В зависимости от показателя степени α могут быть реализованы различные профили показателя преломления: линейный (α = 1), параболический (α = 2) и другие (рис. 4, а). Случай α = ∞ соответствует ступенчатому профилю показателя преломления.

Рисунок 4 - а - альфа-профили планарного волновода; б - параболический профиль показателя преломления

Рассмотрим свойства прямоугольного волновода с альфа-профилем показателя преломления на примере планарного волновода с параболическим распределением показателя преломления (α = 2). Профиль показателя преломления в таком волноводе показан на рис. 3, б. Анализ свойств волновода будет проведен в рамках лучевого приближения [6].

Из рис. 4, б становится понятным определение параметра Δ:

 (11)

V² = 2a² k². (12)

Уравнение траектории лучей в двумерной среде с показателем преломления n(x) имеет вид

  (13)