Квадратичная оптическая нелинейность многослойных структур из аморфных диэлектриков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

0 8 3 2

ордена дружбы народов российский университет дружбы народов

На правах рукописи АГАПОВ Алексей Юрьевич

удк 535.41; 621.373; 621.372

квадратичная опт! :еская нелинейность

многослойных структур из аморфных диэлектриков (01.04.03 - радиофизика)

' этореферат диссертации на соискание ученой степеь.. кандидата (физико-математических наук

Москва -

1э? 2

Работа выполнена на ка^шзе радиофизики ордена Дружбы народов Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук, доцент И. В. Черемискин.

Официальные оппоненты:

доктор Физико-математических наук А.Н.Пенин, доктор физико-математических наук А.Е.Резников.

Ведущая организация - Институт общей Физики Российской академии наук.

Зашита диссертации состоится "/6" \ЪЪ2 г.

в п4?и>" часов на заседании специализированного совета К 053.22.01 в Российском университете дружбы народов по адресу: 117293, Москва, ул. Орджоникидзе, д.З, зал И 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 11?198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат диссертации разослан "Л'" ,/¿¿2^1992 г

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат пиэико-математических наук

доцент Ю.И. ЗАПАРСВАННЪЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тени диссертации. Нелинейная оптика изучает пирокий «руг физических явлений, в основе которых лежит взаимодействие вещества с сильными электронагаитными полями оптического диапазона частот. За трехдосятилетниа период интенсивного развития нелинейной оптики, начало которому полошило изобретение лазера, иаяшые результаты получены в таких ее фундаментальных областях, как физика оптиче.кой нелинейности (нелинейная оптическая спектроскопия) и волновая нелинейная оптика. Фундаментальнее разделы находят практический выход а прикладной нелинейной оптике, предметом которой является разработка и оптимизация параметров целого ряда устройств: преобразователей Частоты и параметрических генераторов оптического излучения, компрессоров сверхкоротких световых импульсов, бистабильных и ыультистабильных элементов оптических процессоров.

Одной из приоритетных областей применения достижений нелинейной оптики является опп.1еская обработка информации. Повышение эффективности работы нелинейных оптических устройств обработки информации возможно за счет увеличения нелинейности используемых материалов и усиления концентрации энергии световых волн а области нелинейного взаимодействия. В связи с эти« возрастает актуальность поисков новых нелинейных оптических материалов и конструктивных решений нелтеейных элементов и устройств.

В последние года наряду с интенсификацией работ в традиционной области синтеза нелинейных кристаллов наблюдается рост числа исследований, направленных на создание искусственных нелинейных сред. Успехи, достигнутые в области физики нь-лине"ного отклика поверхности твердого тела, гетерограницы и тонкого слоя, создали предпосылки для формирования принципиально нового класса материалов - многослойных нелинейных сред. Результатом работ а этом направлении стал ряд экспериментальных демонстрация возможности получения высокой оптической нелинейности к многослойных эпитаксиалышх гетеро-структурал (сверхренетнах). Достижения в разработке нелинеП-

ных оптических элементов на основе таких структур представляются в настоящее время наиболее впечатл оцими.

Так, в многослойных эпитаксиальных структурах из кристаллических полупроводниковых материалов А-^Ву для создания искусственной квадратичной нелинейности вводится асимметрия профиля одномерны;, потенциальных я« отдельных слоев. Благодаря этому на частотах, близких к резонансным частотам меамини-зонного поглощения, удается получить чрезвычайно высокие значения нелинейной восприимчивости второго порядка.

Всплеск интереса к изучении электронных и оптических свойств многослойных структур кз аморфных материалов обусловлен, в частности, регистрацией ряда особенностей фотолюминесценции, фотопроводимости и электропоглощения многослойных структур на основе гидрогенизированного аморфного кремния <сс—:Н), обнаруживающих их сходство с эпитаксиальными сверхрешетками.

Использование многослойных структур из тонких аморфных слоев, прозрачных в широкой спектральной области, практически не ограничивающих класса материалов подложки и обладающих высокой искусственной квадратичной оптической нелинейностью, открывает новые возможности создания эффективных нелинейны:: преобразователей для оптических устройств обработки информации.

Эти возможности выглядят наиболее выигранными в случае реализации волноводного режима распространения волн, участвующих в нелинейных взаимодействиях. Его особенности: отсутствие дифракционной расходимости и возможность взаимной компенсации материальной и волноводной дисперсии в рейте фазового согласования взаимодействующих всиш - позволяют обеспечить высокую концентрацию модности волны накачки на больной когерентной длине нелинейного взаимодействия.

Цель работы. Исследование квадратичной оптнческоГ нелинейности многослойных структур из алорфных диэлектрических материалов. Создание многослойных волноводннх структур из аморфных диэлектриков с искусственной квадратичной нелинейностью и изучение их оптических свойств.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие оригинальные результаты:

1. Теоретически установлено, что наличие областей с высокой напряженность!) электростатического поля, локализованных в непосредственной близости к плоскостям границ раздела между материалами, может служить причиной существования значительной квадратичной оптической нелинейной восприимчивости многослойных структур из аморфных диэлектриков.

2. Получены выражение для величины интеграла перекрытия полей волноводных волн, участвующих в процессе генерации второй гармоники оптического излучения в многослойном планарном анизотропном диэлектрическом волноводе с произвольным распределением компонент тензора нелинейной восприимчивости второго порядка в поперечном сечении волноводного слоя.

3. На основе экспериментального исследования оптических спектров поглощения многослойных структур из тонких пленок аморфной пятиокиси тантала (оС-Та205) и аморфной двуокиси кремния (ос-3102), изготовленных методом высокочастотного катодного распыления, показано что глубина взаимной диффузии материалов на границе раздела не превышает 0,5 нм.

•1. Впервые наблюдалась генерация второй гармоники в многослойной структуре из аморфных диэлектрических пленок с искусственной квадратичной нелинейностью. Периодическая структура из слоев оС-Та205 и <£-3102 изготовлена методом высокочастотного катодного распыления. При когерентной длине нелинейного взаимодействия волн ТЕ0Ш ;х = 1,06 мкм) и ТМ02ц\ равной 0,5 ми, и мощности излучения накачки Рш = 9 Вт получена эффективность преобразования п = Ь -м/рш = .з»10**7.

5. Экспериментально продемонстрирована возможность значительного повышения искусственной квадратичной нелинейност.. путем увеличения асимметрии профиля электростатического потенциала в амор^шх диэлектрических слоях. Генерация второй гармоники реализована в структур-' из трех периодически чередующихся пленок: с£-Та,,05, <£-А1203 и <<-Б10о. Полученная искусственная квадратичная нелинейность слоев ¿-Та205 по порядку величины сравнима с нелинейностью кристалла КВР.

Практическая ценность работы» Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях физических свойств поверхностей аморфных материалов, границ раздела мешду ними и многослойных структур на их основе, а также при создании интегрально-оптических и оптоэлектронных устройств обработки информации.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на I Всесоюзной конференции по интегральной оптике (Ужгород, 1991 г.), 2 Всесоюзной научно-технической конференции "Оптические сети связи" (Владимир, 1991 г.), VIII региональном семинаре "Оптические и оптоэлектронные методы и устройства обработки информации" (Краснодар, 1990 г.), ряде научных конференций факультета физико-математических и естественных наук и конференций молодых учепчх Университета дружбы народов им. П.Лумуыбы.

Публикации. Результаты диссертационной работа опубликованы в 13 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы, содержит 89 страниц машинописного текста, таблицу, <3рисунков. Список цитируемой литературы содержит наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обзор известных направлений разработки искусственных нелинейных сред на основе многослойных структур; определяется актуальность теин; формулируются задачи, поставленные в работе, а также приводятся основные результаты и положения, выносимые на защиту»

Первая глава посвящена построению модели квадратичной оптической нелинейности многослойной гетероструктуры из аморфных диэлектриков.

В разделе 1.1 проведен анализ разложения вектора нелинейной поляризации в приграничной области аморфной среды по мультиполям и по степеням поля оптической волны. Показано, 4

что квадратичная нелинейная оптическая восприимчивость приграничного слоя может быть значительной, даже если в объеме среда не обладает квадратичной нелинейность?]• Выделен вклад в нелинейную поляризацию, обусловленный наличием в приграничной слое электростатического поля.

В разделе 1.2 на основе модели аморфного диэлектрика с непрерывным спектром плотности локализованных состояний в цели подвижности (модель Ко^на-Фрицще-Овшинского) получены аналитические решения уравнения Пуассона для тонкого слоя аморфного материала.

В разделе 1.3 получен общий вид системы уравнений, определяющей ход электростатического потенциала в неограниченной многослойной структуре из аморфных диэлектриков с периодическими граничными условиями. Для структуры, период которой содержит два слоя из различных аморфных материалов, получены и исследованы решения уравнения Пуассона с периодическими граничными условиями. Рассмотрены случаи распределений электростатического потенциала, симметричного и асимметричного относительно середины произвольно выбранного слоя. Показано, что в случае асимметричного распределения потенциала (неравновесном в структуре с двумя слоями в периоде) средняя напряженность поля в слое мотет г стигать высоких, на грани электрического пробоя диэлектрика, значений.

Раздел 1.4 посвящен обсуждению полученных результатов. В нем рассмотрено влияние на х^д потенциала сил изображения, роль подвижных носителей заряда в процессах формирования и эволюции многослойных гетеростру..гур из аморфных диэлектриков, а также особенности граниченной периодической структуры. Обсуждается структура вклада носителей на ло. ализованны" состояниях в нелинейную поляризацию среды и возможность оценки его величины.

В конце главы приводятся ос овнне результаты.

Вторая глава посвящена экспериментальной реализации нелинейного преобразования оптического излучения в многослойных структурах из аморфных диэлектриков.

В ре:деле 2.1 обосновывается выбор метода изготовления многослойных структур и схемы реализации нелинейного преобразования оптического излучения. Формулируются критерии подбора

5

материалов слоев.

В разделе 2.2 получено характеристическое уравнение пла-нарного оптического волновода с периодическим распределением показателя преломления в поперечном сечении несущего слоя. Показано, что в длинноволновом приближении (X >> Р, где X -длина волны, Р - период распределения показателя преломления) для расчета дисперсионных характеристик многослойных волно-водных структур можно использовать характеристическое уравнение трехслойного волновода с отрицательной анизотропией показателя преломления однородного в поперечном сечении несущего слоя.

Раздел 2.3 посвящен решению задачи о генерации второй гармоники в планарной волноводной структуре с неоднородной в гиперечном сечении квадратичной оптической нелинейностью в приближении заданного поля волны накачки. Получены выражения для мощности волны второй гармоники и интеграла перекрытия полей взаимодействующих волн. Показана целесообразность использования отрицательной анизотропии показателя преломления несущего слоя для реализации фазового синхронизма основных волноводных волн разной поляризации на частотах накачки и второй гармоники - ТЕ0Ш и ТМ02ш, когда возможно достижение максимальных величин интеграла перекрытия.

В разделе 2.4 приведены результаты экспериментального исследования спектров поглощения многослойных структур ^-Та205/сг-3102 в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Зарегистрирован сдвиг края фундаментального поглощения узкозонного материала в сторону меньших длин волн. Величина сдвига возрастает с уменьшением толщины слоев. Согласно оценке глубины взаимной диффузии материалов на мешпленочных границах, ее величина не превышает 0,5 нм. Подтвержденная таким образом атомарная резкость межпленочных границ является необходимым условием существования в многослойных структурах из аморфных материалов высокой квадратичной нелинейности.

Раздел 2.5 посвящен анализу результатов измерения скоростей роста тонких ( < 10 нм) пленок *-Тао0д и оС-Б!^ и показателей преломления состоящих из них многослойных периодических структур, полученных методом высокочастотного катодного распыления. Зарегистрировано снижение оптической анизотро-6

гтии с уменьшением периода, начиная с толщин пленок в 4-5 ни, что может воспрепятствовать реализации Фазового синхронизма волн ТЕ0Ы и тио2ш п многослойных структурах из сверхтонких пленок. Причиной уменьшения искусственной оптической ани-зотроп: "л таких структур является, по-видимому, их частичная раэупорядоченность и несплошность, характерная для островко-вых пленок и сохраняющаяся в многослойных структурах.

в разделе 2.6 описан з^.спепим^нт по генерации второй гармоники в многослойной волноподной структуре сМ^О^Дг-ЗК^ с псриодс.г нм на подложке из плавленого кварца. При когерентной длине нелинейного взаимодействия волны нгчачки ТЕ0Ш . (\ = 1,06 мкм) и второй гармоники ТМ равной 0,5 мм, и мощности излучения накачки = 9 Вт получена эффективность преобразования т> = р2"/^ = з.ю-7. Среднее значение элек~оо-статического поля в слоях отлично от нуля, что характерно для многое: )йныл структур из аморфных пленок, изготовленных методами ионно-шгазменного нанесения.

В разделе 2.7 приведены результаты эксперимента по генерации второй гармоники в структуре из трех периодически чередующихся пленок: ¿-Та205, о£-А1203 и о£-5Ю2. Нижняя оценка не-лгчейного коэффициента сделанная в предположении равно-

о 1 .

мерного распределения квадратичной нелш Юности в поперечном сечении многослойной структуры, составила 0,3»1СГ1Э м/В. Это в 30 раз выше величины, полученной для изготовленной в том же режиме периодической структуры из двух пленок, с^-Та^Ос и ос-БЮ^. Тем самым экспериментально продемонстрирована возможность значительного повышения искусственной квадратичной нелинейности путем увеличения асимметрии профиля электростатического потенциала в аморфных диэлектрических слоях.

индуцированная внутренним электростатическим полем квадратичная нелинейность локализована преимущественно в слоях из аморфной пятиокиси тантала, и ее значение, Ы0~13 и/В, по порядку величины сравнимо с нелинейностью кристалла КБР.

В разделе 2.8 приводятся основные результаты, полученные во второй главе.

В заключении сформулированы основные результат!' и вывода диссертационной работы:

1. Проведено теоретическое исследование квадратспноЯ оп-

7

тической нелинейности многослойной структура из аморсмшх диэлектрических материалов. Показано, что

- квадратичная оптическая нелинейность многослойной структура определяется главным образом наличием в приграничных областях сильных электростатических полей;

- многослойная структура из аморфных диэлектриков, испытав неоднородное внешнее воздействие, например, в процессе ее изготовления методами нонно-плазленного нанесения, способна длительное время пребывать в квазиравновесном состоянии с отличными от нуля средними значениями напряженности электростатического поля в отдельных слоях;

- максимальная величина квадратичной оптической восприимчивости материала слоя ограничивается пробойной напряженностью электростатического поля и оценивается на урсзне 10"п к/В. Для объяснения возможного превышения этого уровня следует учесть вклад в нелинейную поляризацию среды колебательных систем носителей заряда на локализованных состояниях в' цели подвижности аморфных диэлектриков.

'¿. Получено характеристическое уравнение планарного оптического волновода с периодическим распределением показателя преломления в поперечном сечении несущего слоя. Показано, что в длинноволновом приближении (X >> Р, где \ - длина волны, Р - период распределения показателя преломления) дисперсионные свойства многослойных волноводных структур описываются характеристическим ураьнением трехслойного волновода с отрицательной аниз'тропией показателя преломления однороиного в поперечном сечении несущего слоя.

3. Получены выражения для мовдости волны второй гармоники и величины интеграла перекрытия полей волноводных волн, участвующих а процессе генерации второй гармоники оптического излучения а многослойном планарнсы анизотропном диэлектрическом волноводе с произвольным распределением компонент тензора нелинейной восприимчивости второго порядка в поперечном сече-тш волноаодного слоя, показана целесообразность использования отрицательной анизотропии показателя преломления несущего слоя для реализации фазового синхронизма основных волноводных волн разной по:, .ризации на частотах накачки н второй гармоники - ТЕ,"" и ТМ,^, когда возможно достигени? максимальных ве-Э

личин интеграла перекрытия.

4. На основании экспериментального исследования оптических спектров поглощения многослойных структур из тонких аморфних ¡¡ленок оС-Та205 и изготовленных методом высокочастотного катодного распыления, показано, что глубина взаимной диффузии материалов на границе раздела не превышает 0,5 им. Атомарная резкость межпленочних границ, необходимая для получения высокой квадратичной нелинейности, характерна для многослойных структур из аморфных материалов, изготовленных методами ионно-плазменного нанесения.

5. Обнаружена зависимость скоростей роста '/ показателей преломления сверхтонких пленок от их толцины, проявляющаяся, , в частности, в снижении оптической анизотропии сверхрешеток с(—Та20^/ЭЮ^ при уменьшении толщин слоев. Характер эти" зависимостей позволяет сделать предположение о столбчатом строен::и таких сверхрешеток, обусловленном особенностями за-родншеобразования на ранних стадиях роста пленок. Показано, что, начиная с толщин пленок 4 - 5 нм, изготовленная методом высокочастотного катодного распыления многослойная гетеро-структура приобретает сплошность в плоскости подложки.

6. Впервые наблюдалась генерация второй гармоники в ьно-гослойной структуре из аморфных диэлектрических пленок искусственной квадратичной нелинейностью. Периодическая структура из слоев ¿-Та205 и с{-3102 изготовлена методом высокочастотного катодного распнления. При когерентной длине нелинейного взаимодействия волн ТЕ0Ш (\ = 1,06 мкм) и ТМ02и, равной 0,5 мм, и мощности излучения накачки Рм = 9 Вт получена эффективность преобразования п = р^/р" = з»10~7.

7. Экспериментально ;.родемонстрирована возможность значительного повышения искусственной квадратичной нелинейности путем увеличения асимметрии профиля электростатического потенциала в аморфных диэлектрических слоях. Генерация второй гармоники реализована в структуре из трех периодически чередующихся пленок: <<-Та205, ¿-А1203 и с<-3102. Полученная искусственная квадратичная нелинейность слоев из аморфной пятиоки-си тантала по порядку величины сравнима с нелинейностью кристалла КБР.

Основные результаты диссертации содержатся в следующих работах:

1. Агапов А.Ю., Сотин В.Е., Шевцов B.Ii. Резкость ыешленоч них границ а многослойных периодических структурах Ta-jOg--SÍO2, иэготовле. лых методом реактивного катодного рас-пыления//Оптика и спектроскопия.-1988.-Т.65.-Вып.1.-

с.217-220.

2. Сотин в.е., аникин в.и., Агагов а.ю., Шевцов b.u. Генерация второй гармоники в многослойном оптическс • волноводе из сверхтонких аморфных пленок//Письма в ЖТФ.-1989.-

Т.10.-Вып.5.-О.47-51.

3. Агапов А.Ю., Житков П.М., Фавсгов В.Г., Шевцов B.U. Квадратичная оптическая нелинейность аморфной гетерогра-ницц//Письыа в ЮТФ.-1991.-Т.53.-Вып.9.-С.437-440.

4. 'гапов А.Ю. Квадратичная оптическая нелинейность многослойной периодической структуры из аморфных диэлектриков //Тезисы I Всесоюзной конференции по интегральной оптика. 15-19 октября 1991 г.- Ужгород: Изд во УП11К "Патент".-19Ь1.~ С.6.

5. Агапов А.Ю., Фавстов В.Г., Шевцов B.U. Эксперименты по генерации второй гармоники а многослойных волноводных структурах из амо,лШых диэлектриков/Дезисы I Всесоюзной кскч-гренцйй „о интегральной оптике. 15-19 октября 1991 г. -Ужгород: Изд-во УПИК "Патент".- 1991.- С.24.

С. Агапов А.Ю. Олект остатические поля на границах чорфны.ч диэлектрических пленок в оптических интегральных схемах// Труды 2-0.1 Научно-технической конференции "Оптические сети связи", г. Владимир, 21-25 октября 1991 г.- U.: Изд-во Ц1ШС.- 1991.- С.85-88.

7. Агапов А.Ю.Житков П.11., Фавстов В.Г., Шевцов B.U. Тонкопленочные оптические волноводы для генерации второй гармоники// Тезисы докладов VIII регионального семинара "Оптические и оптоэлсктрокние методы и устройства обработки информации"-Краснодар: Кубанский гос. университет. - 19Э0. -С.73-74.

8. Агапов А.Ю. Генерация второй оптической гармоники в doj-но?-\пе иа ^гновв аморфной сьерхрекетки// Те: псы докладов VIII регионального семинара "Оптические и оптоэлектроннке