Структурная модель дрейфовых явлений в интегрально-оптических схемах на основе HxLi1-xNbO3 канальных волноводов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Пономарев Роман Сергеевич

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ДРЕЙФОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ СХЕМАХ НА ОСНОВЕ Нх1л,.хМЮ3 КАНАЛЬНЫХ

ВОЛНОВОДОВ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

15 МАП :014

Пермь-2014 005547850

005547850

На правах рукописи

Пономарев Роман Сергеевич

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ДРЕЙФОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ СХЕМАХ НА ОСНОВЕ НДл^МЮз КАНАЛЬНЫХ

ВОЛНОВОДОВ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пермь - 2014

Работа выполнена .в Пермском государственном национальном исследовательском университете (ПГНИУ) на кафедре физики твердого тела

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Волынцев Анатолий Борисович

Официальные оппоненты:

Курков Андрей Семенович, доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, ведущий научный сотрудник лаборатории активных сред твердотельных лазеров

Шур Владимир Яковлевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией сегнетоэлектриков Института естественных наук ФГАОУ ВПО Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Защита диссертации состоится "27" мая 2014 г. в 15.15 на заседании диссертационного совета Д 212.189.06 в Пермском государственном национальном исследовательском университете, зал заседаний ученого совета (614990, г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного национального исследовательского университета. Электронная версия текста диссертации и автореферата доступна на сайте ПГНИУ по адресу: http://www.psu.ru.

Автореферат разослан апреля 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

В.Г. Гилев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Объектом настоящего исследования являются интегрально-оптические схемы (ИОС), изготавливаемые на основе монокристалла ниобата лития (НЛ). Такие ИОС применяются в качестве модуляторов амплитуды оптического сигнала в волоконно-оптических линиях связи, а также в качестве фазовых модуляторов в навигационных системах на базе волоконно-оптических гироскопов. Широкое применение ниобата лития в качестве материала для изготовления ИОС обусловлено низкими оптическими потерями в данном кристалле, ВЫСОКИМИ электрооптическими коэффициентами и возможностью создавать на его

поверхности оптические волноводы методами фотолитографии.

Канальные оптические волноводы поддерживают распространение оптического излучения за счет эффекта полного внутреннего отражения. Создание канальных волноводов в НЛ обычно проводится при помощи внедрения в решетку исходного кристалла ионов различного типа, вызывающих, посредством упруго-оптического эффекта, локальное повышение показателя преломления. Наиболее распространенным является внедрение ионов титана и протонов, в результате чего получаются титанодиффузные и протонообменные канальные волноводы (ПКВ), соответственно. Последние в настоящее время шире применяются для изготовления ИОС ввиду большей простоты процесса протонного обмена.

Важнейшей характеристикой ПКВ является показатель преломления, от стабильности которого зависит качество передачи оптического сигнала в оптической линии связи, так и точность определения координаты объекта системой на базе волоконно-оптического гироскопа. Для стабилизации оптического сигнала ИОС применяются системы коррекции показателя преломления волноводов подачей постоянного напряжения, величина которого определяется с помощью цепи обратной связи. Такой способ коррекции является наиболее надежным, однако, как было показано в многочисленных работах Н. На§аШ, показатель преломления ПКВ дрейфует при помещении волновода в постоянное электрическое поле, причем скорость этого дрейфа пропорциональна температуре ИОС [1; 2] и величине приложенного напряжения смещения УЫа5. Дополнительно авторы указанных работ отмечали, что дрейф показателя преломления ПКВ не прекращался в течение сотен и тысяч часов. Указанные факты приводят к тому, что для драйвера, задающего величину Уыа1, неизбежно наступает момент, когда его мощности перестанет хватать для поддержания нужного показателя преломления волноводов, вследствие чего ИОС выходит из строя.

Несмотря на широкую известность этого явления, природа дрейфа показателя преломления и его механизм на микроскопическом уровне, оставались к моменту начала настоящей работы невыясненным. Высказанные в начале 80-ых годов 20-го века предположения, о действии пироэлектрического эффекта и фотоповреждении волноводов были опровергнуты в последующих работах, которые, однако, также не смогли предложить однозначного объяснения явления дрейфа показателя преломления в ПКВ. Авторы наиболее свежих работ по данной теме сходятся на том,

что исследуемый дрейф есть результат действия множества факторов, таких как состояние исходного кристалла, процесс формирования волноводов, топологии волноводов и режима эксплуатации ИОС. В настоящей работе делается попытка создания структурной модели дрейфа в протонообменном канальном волноводе с учетом всех перечисленных выше факторов.

Цель работы - исследовать влияние на дрейф показателя преломления ПКВ производственных и эксплуатационных факторов, действующих на ИОС, и на основе полученных данных разработать качественную микроскопическую модель дрейфа показателя преломления в ПКВ, учитывающую реальную кристаллическую структуру НЛ в области волновода.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

- предложена микроскопическая модель дрейфа показателя преломления ПКВ, основанная на наличии вокруг волновода сетки дислокаций несоответствия, накапливающей на себе протоны и облегчающей их движение.

- получены новые экспериментальные данные о состоянии приповерхностных слоев в пластинах ниобата лития и установлено их возможное влияние на дрейф показателя преломления в ПКВ.

- установлена связь между наблюдаемым явлением дрейфа показателя преломления ПКВ и процессами движения зарядов в кристаллической решетке ниобата лития вблизи ПКВ.

- обнаружен температурный режим (начальная температура и скорость нагрева), при котором действие пироэлектрического эффекта вызывает резкий рост оптических потерь в ПКВ.

Научная и практическая значимость результатов исследования. Результаты исследования относятся непосредственно к серийно производимым, дорогостоящим и высокотехнологичным интегрально-оптическим схемам. Применение результатов исследования позволит:

- улучшить стабильность и долговечность устройств на основе протонообменных канальных волноводов.

- создать интегрально-оптические устройства, не нуждающиеся в системах коррекции дрейфа.

- расширить температурный диапазон применения интегрально-оптических схем.

- предсказать поведение производимых интегрально-оптических схем в экстремальных режимах работы и в течение длительного времени.

Автор защищает:

- оригинальные экспериментальные результаты исследования приповерхностных слоев пластин ниобата лития и дефектной структуры протонообменных канальных волноводов (ПКВ), создаваемых в этих слоях;

- оригинальные экспериментальные результаты оптических исследований дрейфовых явлений в ПКВ, а также методику их получения и интерпретацию полученных экспериментальных данных;

- механизм дрейфа показателя преломления протонообменного волновода, обусловленный наличием вокруг волновода сетки дислокаций несоответствия, накапливающей протоны и облегчающей их движение.

- разработанные автором рекомендации по уменьшению дрейфа показателя преломления волноводов, основанные на применении метода мягкого протонного обмена, контроле состояния исходных пластин HJI и выборе оптимальной топологии волноводов ИОС.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается сочетанием взаимодополняющих методик экспериментального исследования; использованием репрезентативной выборки исследуемых образцов; согласием выводов микроскопической модели дрейфа показателя преломления ПКВ с данными натурных экспериментов, выполненных диссертантом; согласием результатов настоящей диссертационной работы с ранее выполненными исследованиями других авторов там, где они перекрываются.

Личный вклад автора. Постановка задачи, натурные эксперименты по исследованию свойств исходного кристалла и ПКВ структурными методами, а также исследования свойств ПКВ на образцах ИОС различных типов осуществлены лично автором. Обсуждение и интерпретация полученных результатов выполнены совместно с научным руководителем.

Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 26 печатных работах, в том числе 2 в научных журналах, рекомендованных ВАК и 3 в сборниках, индексирующихся в базе Scopus. Результаты работы доложены на следующих международных и всероссийских конференциях: всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (Пермь, 2009); международные конференции по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (Эрлагол, 2010-2011); международная конференция «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2010); международная конференция «Кристаллофизика XXI века» (Москва, 2010, 2013); международная конференция «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2011); всероссийская конференция «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» (Пермь, 2011-2013), всероссийская конференция «Материалы нано-, микро- опто-электроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2011); всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, 2009, 2011, 2013); международная конференция «Оптические технологии в телекоммуникациях» (Казань, 2011); Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, 2012); Международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2012), одиннадцатый российско-балтийско-японский симпозиум по сегнетоэлектрикам «ISFD-llth-RCBJSF» (Екатеринбург, 2012), международная конференция «Advanced optoelectronics & lasers» (Судак, Украина, 2013).

Структура работы и объем. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы, включающего 132 наименования. Общий объем диссертации составляет 148 страниц, включая 70 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность проблемы и дана общая характеристика работы.

Первая глава содержит обзор литературы о применении ИОС на основе HxLii.xNb03 волноводов, принципах работы и типах применяемых ИОС, дрейфовых явлениях в ИОС, а также о видоизменении структуры и свойств HJI и процессе создания ПКВ. Основное внимание уделено результатам исследований дрейфа показателя преломления в ПКВ, эволюции представлений о возможных причинах указанного дрейфа и методах его исследования. Из обзора литературы следует, что механизм дрейфа показателя преломления в ПКВ остается невыясненным к данному моменту, несмотря на большой объем экспериментальных данных, полученных при исследовании данного явления, т.е. к моменту начала настоящего исследования не была построена связь между изменением оптической мощности сигнала и процессами, происходящими в кристаллической решетке HJI. Помимо этого, из обзора литературы следует слабая проработанность вопросов, связанных с нестабильностью свойств ИОС при работе в условиях низкой температуры и вопросов влияния структуры исходного кристалла на стабильность свойств ПКВ, создаваемых на его поверхности.

Вторая глава состоит из двух частей, первая из которых посвящена описанию и сравнительному анализу методов исследования структуры ниобата лития и ПКВ. Во второй части описываются методы исследования дрейфовых явлений в ПКВ, которые основаны на анализе изменения оптической мощности 1ои, на выходе интегрально-оптической схемы.

Для анализа структуры исходного кристалла HJI и ПКВ использовались следующие надежные и широко применяемые методы: прецизионный дифракционный структурный анализ (ПДСА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), высокоразрешающая оптическая профилометрия в сочетании с химическим травлением, измерение микротвердосга. Измерение относительного изменения периода кристаллической решетки ПО слоев проводилось методом ПДСА с помощью двухкристального рентгеновского спектрометра, собранного на базе дифрактомет-ра ДРОН-УМ1 (излучение Со, Кгсерия, X = 1,62075 A, Si - монохроматор).

Измерение профилей поверхности проводилось с помощью оптического про-филометра на базе интерференционного микроскопа Zygo New View - 5000 при увеличениях по горизонтали от х400 до Х2000. Разрешением по высоте профиля составляло 0,5 нм, в плоскости поверхности - 0,1 мкм.

Для исследования структуры приповерхностных слоев в исходных пластинах HJI использовался сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3400N. Съемки проводились на свежих сколах образцов НЛ в режимах детектирования вторичных

(SE) и обратно рассеянных (BSE) электронов с увеличением х350.. ,х2500.

Измерение модуля Юнга в различающихся по удалению от поверхности точках образца проводилось на установке Nanotest-600 (Micro Materials) при инденти-ровании алмазной пирамидки Берковича. Эксперимент проводился при следующих параметрах: скорость нагружения 1 мкм/с, нагрузка 14,7 нН, глубина инден-тирования составляла 30 нм. Значения модуля Юнга рассчитывались по кривым «приложенная сила - вертикальное перемещение индентора» с применением методики Оливера - Парра по десяти точкам для каждого слоя.

Непосредственное исследование дрейфа показателя преломления в ПКВ проводилось на образцах ИОС при измерении выходной оптической мощности /„„, двумя способами: при вариации температуры образца в термокамере и при вариации величины и знака напряжения Vhias, подаваемого на систему электродов- Температурные измерения проводились в диапазоне температуры от -60 °С до +80 °С, скорости нагрева до 5 °С/мин. скорости охлаждения до 1.7 °С/мин. Схема установки для проведения исследований при вариации температуры образца приведена на рис. 1. Значение foul фиксировалось с помощью экстиномет-ра S antee РЕМ 330. Исследовались образцы ИОС с тремя типами топологии волноводов: прямой волновод - модулятор фазы излучения (рис. 2, а); Y-разветвитель. используемый в волоконно-оптическом гироскопе (рис. 2. б); амплитудный модулятор типа интерферометра Маха-Цендера для волоконных линий связи (рис. 2, в).

Все образцы были произведены в ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания». Для каждого типа ИОС испытания проводились при электрически замкнутых и незамкнутых боковых гранях кристалла, что позволяло исключить или оставить неизменным действие пироэлектрического эффекта в HJ1.

Для построения связи между процессами дрейфа заряженных дефектов в структуре кристалла и изменением выходной оптической мощности 1ош для каждого образца ИМЦ была получена его передаточная функция - зависимость 1ои,(Уьш) (рис. 3).

Использование при анализе экспериментальных результатов реальной передаточной функции впервые позволило трактовать изменение /„„, как эффект непосредственного изменения показателя преломления в волноводе, эквивалентного

Рис. 1. Установка для измерения дрейфа ПП в интегрально-оптическом интерферометре Маха-Цендера

Рис. 2. Типы исследованных ИОС

1 1 1 L- 1 1 1 L„ мВт

\ Я), 15- -

Д / 0,1- -

- \ / 0,05- -

\/ 0

т

-4-2 0 :

3. Передаточная функция образца

подаче напряжения смещения, определить знак и величину такого эквивалентного напряжения и оценить количество зарядов, вызывающих дрейф ПП в волноводе.

Помимо этого применение передаточной функции при исследовании процесса дрейфа ПП, вызванного сменой величины и знака Уыш, позволило проследить эволюцию напряженности эффективного электрического поля внутри волновода, вызывающего изменение /„„,.

Третья глава посвящена процессу создания ИОС на пластинах ниобата лития интерферометра Маха-Цендера в линей-и содержит ответ на вопрос о том, какие ном мас11,та®е

этапы производственного процесса оказывают наибольшее влияние на структуру кристалла и должны учитываться при разработке структурной модели ПКВ. Особое внимание уделяется возможным изменениям в кристаллической решетке и структуре НД которые могут быть вызваны термическим, химическим и механическим воздействием, происходящим в ходе фотолитографии, протонного обмена и отжига, формирования системы поверхностных электродов и сборки ИОС.

Подробный анализ процесса производства ИОС показал, что применяемые в ходе фотолитографии химические растворы, такие как фоторезисты и травители, являются химически инертными по отношению к кристаллу ниобата лития. Наиболее высокая температура достигается кристаллом в ходе постобменного отжига и не превышает 360 °С. При создании волноводов пластина не подвергается механическим нагрузкам и используемые установки исключают случайное загрязнение пластины. Таким образом, можно сделать вывод о том. что изменение структуры кристалла в ходе создания ИОС происходит только в процессе протонного обмена и отжига. В областях, не подверженных протонному обмену, структура кристалла остается неизменной и определяется составом исходного расплава и процессами химико-механической полировки пластин, проводимой производителем кристалла.

В четвертой главе приведены результаты исследования структурными методами монокристаллических образцов HJI до и после протонного обмена. Особое внимание уделено свойствам приповерхностных слоев НЛ, в которых происходит формирование канальных волноводов ИОС. Исследовались образцы, полученные из пластин производства фирм Crystal Technology и Sipat.

Электронно-микроскопические исследования свежих сколов исходного кристалла показали наличие во всех образцах приповерхностных слоев со структурой излома, отличающейся от структуры излома, проходящего через более глубокие внутренние слои кристалла (рис. 4).

г

Рис. 4. Электронная микрофотография сколов исходного образца HJI производства Sipal (а) и Crystal Technology (б)

В ходе формирования скола в приповерхностных слоях магистральная трещина дробится на множество ответвлений. Этот эффект несомненно связан с наличием в приповерхностном слое повышенной, по сравнению с объемом вещества, концентрацией дефектов, в том числе повышенной плотностью дислокаций. Наличие такой повышенной плотности дефектов обусловлено влиянием процессов резки кристаллической були и химико-механической полировки пластины для получения поверхности оптического качества. Несмотря на широкую известность данного явления [3], авторы подавляющего большинства работ, касающихся структуры волноводных слоев в НЛ. оперируют характеристиками кристалла, характерными для его объема, а не для приповерхностного слоя. Такой подход, не учитывающий отличия приповерхностных слоев от внутреннего объема кристалла по периодам решетки и химическому составу кристалла, содержанию вакансий и дислокаций, проводимости, твердости и пр., не позволял ранее обоснованно связать процессы дрейфа показателя преломления в кристалле с процессами перераспределения заряженных дефектов в области волновода.

При электронно-микроскопическом исследовании исходного кристалла на большинстве образцов было обнаружено два приповерхностных слоя, причем верхний имел меньшее число дефектов по сравнению с нижним. В образцах HJI, изготовленных из пластин производства Sipat толщина верхнего бездефектного слоя составляла около 3 мкм, что меньше глубины залегания нижнего края волновода (~ 6 мкм), т.е. заглубленная часть волновода располагалась в слое, содержащем большое число дефектов структуры.

Результаты, полученные с помощью СЭМ, были подтверждены данными ПДСА. показавшими наличие искажений на кривой качания исходного образца, и измерениями модуля Юнга, минимальное значение которого наблюдалась для слоя, лежащего на глубине около 3 мкм.

Для IIKB наиболее важные результаты были получены для области сопряжения протонообменного слоя и исходного кристалла методами ПДСА и высокоразрешающей оптической профилометрии в сочетании с химическим травлением

образца. ПДСА-анализ показал для не отожжённых планарных волноводов наличие области с нулевым отражением между пиком подложки и пиком кристаллических фаз, сформировавшихся при протонном обмене для всех режимов ПО (рис. 5).

Полученный результат свидетельствует о том, что ПО-слой отделяется от матрицы кристалла резкой фазовой границей, переход через которую сопровождается скачком периода решетки. С учетом поднятия ПО-слоя над поверхностью исходного кристалла [4], сохранение целостности его поверхности возможно лишь с помощью образования сетки дислокаций несоответствия (СДН) на фазовой границе ПО-волновода и матрицы. Такая граница, являясь областью с повышенным содержанием дефектов кристаллической структуры, должна травиться быстрее, чем окружающий кристалл, что было подтверждено данными оптической профилометрии образца со сформированным на поверхности волноводом, подвергнутого травлению в смеси НР+НЫО., (рис. 6).

В ходе отжига концентрация протонов в ПО-фазе падает, но температура отжига, составляющая около 350 °С. недостаточна для перестройки дислокационной структуры НЛ и подобный отжиг не приводит к исчезновению дислокаций, образовавшихся в ходе ПО. Таким образом, ПКВ представляется окруженным сеткой дислокаций, более частой вблизи поверхности кристалла и более редкой вблизи дна волновода (рис. 7).

С учетом того, что СДН образуется на разрывах кислородных плоскостей, являющихся основой кристаллического каркаса НЛ, она должна быть заряжена отрицательно и удерживать на себе ионы Н+. которые оседают на ней в ходе термодиффузии при отжиге. Помимо этого. СДН за счет трубчатой диффузии обеспечивает транспорт ЬГ вблизи волновода.

Рис. 5. 0-26 кривая для образца НЛ после протонного обмена при 230 "С в течение 4 часов

Рис. 6. Профилограмма канального волновода после травления

Учитывая наличие в кристалле дефектного приповерхностного слоя, транспорт Н+ обеспечивается и в области дна волновода, где плотность дислокаций, связанных с процессом ПО мала. Таким образом, волновод можно представить в виде области, окруженной заряженной средой, способной, подобно жидкости, перемещаться под действием электрического поля. Такая модель принципиально отличается от ранних представлений о волноводе, как о диффузной области без резко очерченных границ, расположенной в однородном по своим свойствам кристалле.

Прямая проверка предложенной структурной модели ПКВ, как области, окруженной сеткой дислокаций несоответствия, прямыми структурными методами невозможна, т.к. в настоящее время отсутствуют методы непосредственного наблюдения СДН внутри массивных кристаллов без нарушения их целостности или состава. Используемые в оптически прозрачных кристаллах методы выявления дислокаций путем их декорирования в данном случае неприемлемы, поскольку связаны с существенным изменением химического состава объекта, и, как следствие, нарушением структуры самого объекта исследования, который получен методом создания концентрационной неоднородности входящих в его состав элементов.

Динамическая модель ПКВ, включающая в себя не только статическую дислокационную структуру ПКВ, но и процессы переноса протонов по сетке дислокаций вблизи волновода, также пока не может быть проверена непосредственными методами визуализации перемещения зарядов. Однако оценить адекватность такой модели можно через экспериментальную проверку ее прямых следствий. К этим следствиям относятся изменения показателя преломления ПКВ при внешнем воздействии, и соответствующие изменения в выходном сигнале интегрально-оптической схемы в условиях натурного эксперимента.

Для проверки следствий предложенной модели волновода было предложено провести два вида испытаний ИОС: испытания на воздействие переменной температуры и испытания на воздействие постоянного внешнего электрического поля. Эти виды испытаний обеспечивают однозначную трактовку экспериментальных результатов и по типу воздействия наиболее близки к реальной эксплуатации ИОС. Результаты указанных испытаний и их обсуждение приводятся в пятой главе диссертации.

В температурных испытаниях, результаты которых приведены в первой части пятой главы, наиболее важные результаты были получены на образцах ИОС без

Рис. 7. Модель сетки дислокаций, окружающей волновод после ПО и отжига

подавления пироэлектрического эффекта. На основе предложенной модели ПКВ было предсказано, что действие пироэлектрического эффекта должно приводить к перераспределению подвижных зарядов вблизи волновода и на образцах ИМЦ вызывать периодическое изменение сигнала, связанное с появлением разности показателей преломления в плечах интерферометра и движением его рабочей точки по передаточной функции (см. рис 3). Предсказанное явление было обнаружено на всех испытанных образцах ИМЦ, типичный график зависимости 1оМ (О при постоянной и переменной температуре, представлен на рис. 7.

Помимо периодического из- .24

менения 1„и, в экспериментах на

блюдалось резкое увеличение оптических потерь при нагреве образцов ИМЦ и У-разветвителей от низких температур. С помощью предложенной модели ПЮЗ это явление было объяснено следующим образом. Пироэффект, в зависимости от направления изменения температуры, должен приводить как к росту, так и к уменьшению ПП кристалла, причем ПП кристалла и волновода должны

1370

1400

1380 1390 Время, мин

меняться неодинаково, вследствие Рис. 7. Периодическое изменение /„, при нагреве того, что на показатель преломле- образца ИМЦ

ния волновода влияют подвижные заряды, находящиеся на сетке дислокаций. В этом случае разница показателей преломления кристалла и волновода может стать такой, что перестанет выполняться условие каналирования для фундаментальной моды излучения, т.е. резко возрастут оптические потери в волноводе, он "исчезнет" как область с повышенным показателем преломления. Это явление должно быть общим для всех образцов, и исходя из уравнения для пироэлектрического эффекта, должно происходить при нагреве образца. Ограничением для наблюдения этого явления является релаксация пироэффекта за счет собственной объемной и поверхностной проводимости кристалла, причем первая в большей степени зависит от температуры, а вторая от чистоты образцов при проведении эксперимента. Указанное явление наблюдалось на образцах ИМЦ и У-разветвителей при нагреве от темпера!уры -60 °С. В дальнейшем, нагрев образца приводил к восстановлению оптических свойств волновода, что связано с увеличение проводимости образца и ослаблением действия пироэффекта (рис. 8).

Во второй части пятой главы приведены результаты испытаний образцов ИОС при смене полярности постоянного электрического напряжения, подаваемого на систему электродов модулятора.

Как было указано выше, заряды, окружающие волновод, при помещении их во внешнее поле перераспределяются таким образом, чтобы ослабить его внутри волновода, создавая деполяризующее поле, направленное противоположно внешнему полю. Этот механизм должен работать одинаково для поля, создаваемого пироэффектом и поля, создаваемого электродами, на которые подается напряжение. В таком случае, после смены полярности напряжения на электродах в начальный Рис- 8- Деградация и восстановление волноводных момент времени поле подвижных свойств ПКВ ПРИ быстром нагреве зарядов будет совпадать по направлению с полем электродов. Сложение этих полей приведет к тому, что рабочая точка интерферометра переместится по передаточной кривой на расстояние, превышающее 1-УЫа8. Подвижные заряды через время релаксации перераспределятся таким образом, чтобы ослабить новое поле Уы„/, что будет отражено на изменении значения /„„,. Такой результат был получен экспериментально на образцах ИМЦ при смене полярности напряжения от I до 9 В с шагом 1 В.

Структурная модель волновода, адекватность которой была подтверждена экспериментально, позволила предложить объяснение долговременного дрейфа показателя преломления в ПКВ. Дрейф ПП необходимо трактовать как растущую со временем разность электрических полей Ег и Ег в двух плечах интерферометра, возникающую при неодинаковом распределении электрических зарядов вблизи волноводов. Исходя из возможности движения протонов по СДН вблизи волновода и униполярной электропроводности кристалла НЛ, можно ожидать, что дрейф протонов под действием приложенного внешнего поля УЫах будет происходить с разной скоростью по направлению полярной оси и в обратном направлении. В таком случае вблизи одного из волноводов будет накапливаться заряд, приводящий к нежелательному дрейфу его показателя преломления и к необходимости его коррекции (рис. 9). Данный процесс должен ускоряться с ростом температуры из-за увеличения проводимости кристалла и для высоких температур выходить на насыщение, когда все способные к движению протоны сместились по полю при данной величине УЫа!. Соответствующее поведение сигнала экспериментальных образцов ИОС ранее было продемонстрировано в [2].

600 800 1000 1200 1400 Время, мин

Рис. 9. Распределение заряженных дефектов вблизи Г1КВ, вызывающее дрейф показателя

преломления (поперечное сечение ИОС с двумя параллельными канальными волноводами)

Пятая глава диссертации, помимо результатов испытаний ИОС содержит практические рекомендации по уменьшению скорости дрейфа ПП, основанные на предложенной структурной модели.

В части создания волноводов для уменьшения скорости дрейфа ПП необходимо исключить формирование высоконапряженных кристаллических фаз с большим отличием по параметру решетки от исходного кристалла. Это возможно при проведении мягкого протонного обмена с добавлением в расплав бензойной кислоты бензоата лития.

В части конструкции ИОС необходимо исключить подачу высокого напряжения на электроды ИОС, заложив в топологию волноводов соответствующее смещение рабочей точки интерферометра. Также необходимо подавлять пироэлектрический эффект, замыкая грани, перпендикулярные полярной оси кристалла.

В части эксплуатации ИОС на основе ПКВ необходимо исключить работу при температуре выше плюс 50 °С и обеспечить отсутствие нагрева со скоростью выше 1 °С/мин при температуре ИОС ниже минус 40 °С.

В заключении сделан обзор основных и наиболее важных результатов исследования и приведен комплекс практических рекомендации по уменьшению дрейфа показателя преломления в протонообменных канальных волноводах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена новая микроскопическая модель дрейфа показателя преломления

ПКВ, основанная на наличии в области фазовой границы между волноводом и матрицей исходного кристалла сетки дислокаций несоответствия, накапливающей на себе протоны и облегчающей их движение за счет трубчатой диффузии вдоль ядер дислокаций.

2. Получены новые данные о состоянии приповерхностных слоев в пластинах

ниобата лития и установлено наличие в исходных пластинах ниобата лития нескольких приповерхностных слоев, отличающихся по своим физическим свойствам и механике разрушения.

3. На образцах ИОС, волноводы которых образовывали интерферометр Маха-

Цендера, использование передаточной функции, измеренной индивидуально для каждого образца, позволило впервые установить связь между наблюдаемым дрейфом показателя преломления в ПКВ и процессами движения зарядов в кристаллической решетке ниобата лития вблизи фазовой границы ПКВ.

4. Обнаружен температурный режим, при котором действие пироэлектрического

эффекта вызывает резкий рост оптических потерь в протонообменном канальном волноводе.

5. На основе разработанной модели предсказан ряд неизвестных ранее явлений,

обнаруженных в натурном эксперименте. Соответствие выводов модели предсказанным экспериментальным результатам свидетельствует о высокой степени правомерности выбранной структурной модели.

6. Предложены практические рекомендации по уменьшению величины дрейфа по-

казателя преломления в ПКВ и повышению стабильности характеристик ИОС на базе HxLii_xNb03 канальных волноводов. Результаты работы были использованы при выполнении совместного проекта ПГНИУ и ОАО Пермская научно-производственная приборостроительная компания в соответствии с постановлением Правительства РФ №218 от 9 апреля 2010 г.

Список цитированной литературы

1. Nagata Н., Papasavvas N. Bias stability of OC48 x-cut lithium-niobate optical modulators: Four years of biased aging test results//Technol. Lett. .2003. Vol. 15(1). P. 42 - 44.

2. Nagata H. et al. Improved long-term DC drift in OH-reduced lithium niobate optical intensity modulators. // Appl. Opt. 1996. Vol. 35(34). P. 6828 - 6830.

3. Тамир Т. Интегральная оптика. М.: Мир. 1987. 374 с.

4. Azanova I. S. et al. Chemical etching technique for investigations of a structure of annealed and unannealed proton exchange channel LiNbOj waveguides//Ferroelectrics. Vol. 374. P. 110-121.

Основные результаты диссертации опубликованы it работах:

1. Пономарев P.C. Рентгенографическое исследование влияния температуры протонного об-

мена на структуру волноводных слоев, сформированных на монокристаллах LiNbOi // Всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах». Пермь. 2008. С. 250.

2. Пономарев P.C., Шевцов Д.И., Журавлев A.A. Датчик электрического поля и биопотен-

циалов на основе интерферометра Маха-Цендера // Спецвыпуск «Фотон-Экспресс» -Наука. 2009. №6. С. 84 - 85.

3. Ponomarev R.S., Zhuravlev A.A. Optical modulator based on the integrated-optical Mach-

Zehnder Interferometer // International conference micro/nanotechnologies and electron devices. Erlagol, 2010. P. 400 - 402.

4. Вобликов Е.Д., Пономарев P.C. Сканирующий интерферометрический спектрометр на ос-

нове интерферометра Маха-Зандера // Международная конференция «Прикладная оптика- 2010». Санкт-Петербург. 2010. С. 213 - 216

5. Пономарев P.C. Эволюция протонообменных волноводных слоев на монокристалле нио-

бата лития // IV Международная конференция «Кристаллофизика XXI века». Москва. 2010. Т. 1.С. 341-342.

6. Пономарев P.C., Кичанов A.B., Журавлев A.A. Интерферометрическое исследование ре-

лаксации заряда в кристалле ниобата лития // XII Международная конференция «Физика диэлектриков». Санкт-Петербург. 2011. Т.1. С. 132 - 134.

7. Пономарев Р.С., Волынцев А.Б., Журавлев А.А. и др. Интегрально-оптический мо-

дулятор на основе интерферометра Маха-Цендера с асимметричной топологией волноводов // Труды МАИ. 2011. Т. 46. С. 1 - 12.

8. Пономарев Р.С., Вобликов Е.Д. Численное моделирование интегрально-оптических схем //

XIII всероссийская науч.-техн. конференция «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» Пермь. 2011. С. 10.

9. Пономарев Р.С., Журавлев А.А. Исследование дрейфа рабочей точки интегрально-

оптического фазового модулятора// Там же. С. 13 — 14.

10. Ponomarev R.S., Zhuravlev А.А., Kichanov A.V. Relaxation processes of mobile charges in integrated optics Mach-Zehnder interferometer // International conference on

micro/nmtechnologies and electron devices. Erlagol. 2011. P. 336 - 338.

11. Вобликов Е.Д. Пономарев P.C. Некоторые вопросы работы интегрально-оптических модуляторов интенсивности // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2011. Выпуск 2(17). С. 65-68

12. Пономарев Р.С. Интегрально оптический модулятор интенсивности: особенности работы и технические характеристики // Спецвыпуск «Фотон-Экспресс» - Наука. 2011. №6. С. 76-77.

13. Пономарев Р.С., Журавлев А.А., Шевцов Д.И. Дрейф рабочей точки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера // Девятая международная конференция «Оптические технологии в телекоммуникациях». Казань. 2011. С. 352.

14. Пономарев Р.С., Журавлев А.А., Кичанов А.В. Интегрально-оптический модулятор интенсивности излучения // Всероссийская конференция с элементами научной школы «Материалы нано-, микро- оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение». Саранск. 2011. С. 149.

15. Ponomarev R.S. et al. Short-term DC-drift in integrated optical Mach-Zehnder interferometer// Proc. SP1E. 2011. Vol. 8410. P. 841008 (1-6).

16. Вобликов Е.Д., Пономарев P.C. Модулятор интенсивности излучения с линеаризованной передаточной характеристикой // Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике. Москва. 2012. С. 36 - 37.

17. Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Влияние дефектной структуры LiNbCb на работу интегрально-оптической схемы // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2012. Выпуск 2(20). С. 72-77.

18. Пономарев Р.С., Волынцев А.Б. Влияние дефектной структуры конгруэнтного нио-бата лития на работу интегрально-оптической схемы // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9(3). С. 388 - 393.

19. Ponomarev R.S. Channel waveguides on lithium niobate. Optical properties dependence on external electric field applying // International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures and Russian/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (ISFD-1 lth-RCBJSF). 2012. P. 218

20. Пономарев P.C., Сосунов A.B., Волынцев А. Б. Исследование приповерхностных слоев пластин ниобата лития Х-среза различных производителей // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2013, выпуск 2(24). С. 67 - 70

21. Ponomarev R.S. et al. Pyroelectric effect in X-cut LiNbOj optical modulators // International conference on advanced optoelectronics and lasers. Sudak. 2013. P. 371 — 372

22. Пономарев P.C., Волынцев А.Б., Азанова И.С. Источники долговременного дрейфа в оптических амплитудных модуляторах // Всероссийская конференция по волоконной оптике. Спецвыпуск «Фотон-Экспресс» - Наука, 2013. №6. С. 218

Подписано в печать 16.04.2014. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № 107. 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. Типография Пермского университета.

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

0420145916 7 Пономарев Роман Сергеевич

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ДРЕЙФОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ СХЕМАХ НА ОСНОВЕ Нх1л,_х]\ЬОз КАНАЛЬНЫХ

ВОЛНОВОДОВ

01.04.07 - "Физика конденсированного состояния"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор А. Б. Волынцев

Пермь-2014

Оглавление

Оглавление.......................................................................................................................2

Введение...........................................................................................................................6

1. МОДУЛЯТОРЫ НА ОСНОВЕ НДл1_х№>03 КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ И ИСТОЧНИКИ ИХ НЕСТАБИЛЬНОСТИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).................13

1.1. Применение интегрально-оптических схем на основе НХЫ1.Х№>03 канальных волноводов............................................................................................13

1.1.1. Волоконно-оптические линии связи...................................................13

1.1.2. Волоконно-оптические гироскопы.....................................................14

1.2. Теоретические основы и особенности работы электрооптических модуляторов на ниобате лития..............................................................................16

1.2.1. Электрооптический эффект в ниобате лития.....................................16

1.2.2. Волноводные моды канальных волноводов.......................................19

1.2.3. Интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера................23

1.2.4. Передаточная функция и рабочая точка интерферометра Маха - Цендера..................................................................................................24

1.3. Дрейфовые явления в интегрально-оптических схемах на НХ1Л1.Х№>03 канальных волноводах............................................................................................28

1.3.1. Методика экспериментального исследования дрейфа показателя преломления в НДл^хТЧЬОз канальных волноводах......................................30

1.3.2. Дрейф показателя преломления при вариации температуры интегрально-оптической схемы.......................................................................31

1.3.3. Дрейф рабочей точки ИМЦ под действием внешнего электрического поля.........................................................................................37

1.3.4. Исследование дрейфа методом ЯС-цепей..........................................39

1.3.5. Факторы, оказывающие влияние на дрейф рабочей точки ИМЦ.... 39

1.4. Структура и свойства монокристалла ниобата лития.................................40

1.4.1. Состав кристалла ниобата лития.........................................................40

1.4.2. Структура и свойства ниобата лития..................................................42

1.4.3. Собственная дефектная структура ниобата лития............................43

1.4.4. Состояние приповерхностных слоев ниобата лития до протонного обмена.................................................................................................................44

1.4.5. Проводимость ниобата лития при различных значениях температуры.......................................................................................................45

1.5. Создание волноводов методом протонного обмена и отжига...................46

1.5.1. Модификация структуры ниобата лития при протонном обмене... 47

1.5.2. Модификация структуры ниобата лития при отжиге.......................50

1.6. Основные выводы из обзора литературы.....................................................52

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НхП,_хМЬ03 КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ И ИХ СТАБИЛЬНОСТИ..................................................................................................54

2.1. Методы исследования структуры НДл^МЮз канальных волноводов.... 54

2.1.1. Дифракционный структурный анализ................................................54

2.1.2. Оптическая профилометрия в сочетании с химическим травлением55

2.1.3. Электронная сканирующая микроскопия..........................................56

2.1.4. Измерения микротвердости.................................................................57

2.1.5. Изготовление образцов для структурных исследований..................58

2.2. Методы исследования стабильности оптических свойств Нх1л1.х№>Оз канальных волноводов............................................................................................60

2.2.1. Экспериментальные образцы для температурных испытаний........60

2.2.2. Влияние температуры на дрейф показателя преломления ПКВ......63

2.2.3. Влияние величины электрического напряжения на дрейф ПП в волноводе...........................................................................................................65

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................67

3.1. Исходный кристалл.........................................................................................67

3.2. Фотолитография..............................................................................................67

3.3. Протонный обмен и отжиг.............................................................................70

3.4. Нанесение электродов....................................................................................71

3.5. Стыковка чипа интегральной схемы с волоконными световодами...........72

3.6. Обсуждение процесса формирования НДЛ^МЮз канальных волноводов73

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПКВ СТРУКТУРНЫМИ МЕТОДАМИ... 76

4.1. Состояние исходных пластин ниобата лития..............................................76

4.1.1. Результаты электронно-микроскопических исследований..............76

4.1.2. Результаты исследования микротвердости........................................77

4.1.3. Результаты рентгеноструктурного анализа........................................78

4.1.4. Обсуждение результатов исследования исходного кристалла........79

4.2. Результаты исследования протонообменных слоев....................................80

4.2.1. Результаты рентгеноструктурного анализа........................................80

4.2.2. Результаты оптической профилометрии в сочетании с химическим травлением.........................................................................................................82

4.3. Обсуждение результатов структурных исследований ПКВ.......................83

4.3.1. Сетка дислокаций несоответствия в ПКВ..........................................84

4.3.2. Расчет плотности дислокаций и силы, действующей на дислокацию88

4.3.3. Расчет количества свободных зарядов...............................................89

4.3.4. Обсуждение результатов измерения: зарядовая модель ПКВ.........92

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ПКВ МЕТОДАМИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ.......................................................................................95

5.1. Температурные факторы, влияющие на показатель преломления волновода.................................................................................................................95

5.2. Влияние абсолютной температуры на работу У-разветвителя..................95

5.2.1. Результаты измерений для образцов У-разветвителей с подавленным пироэлектрическим эффектом.................................................96

5.3. Влияние пироэлектрического эффекта на работу У-разветвителя............97

5.3.1. Пироэлектрический эффект в ниобате лития....................................97

5.3.2. Результаты измерений........................................................................100

5.3.3. Обсуждение результатов измерений с У-разветвителем................104

5.4. Влияние пироэлектрического эффекта на работу ИМЦ...........................105

5.4.1. Сравнение результатов измерения для ИМЦ с замкнутыми и разомкнутыми электродами...........................................................................108

5.4.2. Обсуждение результатов измерений с ИМЦ...................................110

5.5. Влияние постоянного электрического напряжения на стабильность

показателя преломления ПКВ..............................................................................116

5.5.1. Результаты измерений........................................................................117

5.5.2. Интерпретации результатов электрических испытаний с помощью передаточной функции ИМЦ.........................................................................118

5.5.3. Обсуждение результатов измерений................................................120

5.6. Механизм долговременного дрейфа показателя преломления ПКВ при переменной температуре и постоянном напряжении смещения.....................123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................128

Общие выводы.............................................................................................................134

Основные результаты диссертации опубликованы в работах................................135

Благодарности..............................................................................................................137

Список сокращений....................................................................................................138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................139

Введение

Актуальность проблемы. Объектом настоящего исследования являются интегрально-оптические схемы (ИОС) на основе протонообменных канальных волноводов (ПКВ), создаваемых на поверхности монокристалла ниобата лития 1л№Ю3 (НЛ). Такие ИОС широко применяются в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) в качестве модуляторов амплитуды излучения, а также при производстве волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) в качестве оптических фазовых модуляторов.

Растущие требования по скорости передачи данных для ВОЛС и точности позиционирования объектов для ВОГ обуславливают рост требований к надежности и стабильности работы применяемых интегрально-оптических схем. Главным требованием является сохранение работоспособности в широком диапазоне температур (-60 ... +70 °С для ВОГ) и стабильность показателя преломления (ПП) оптических волноводов. Важность сохранения стабильного показателя преломления обусловлена тем, что его случайное изменение приводит не к выходу системы из строя, а к возникновению систематической ошибки в передаваемом оптическом сигнале. С учетом отсутствия прямых методов контроля показателя преломления в волноводах ИОС, сохранение его стабильного значения в волноводах ИОС становится важной научно-технической задачей.

На показатель преломления волноводов через другие элементы ИОС влияет целый набор факторов, обусловленных как физической природой применяемого кристалла (НЛ - сегнетоэлектрик), так и конструкцией и технологией производства ИОС (буферные слои, электроды, корпус и пр.). К данному моменту комплексного исследования указанных факторов в широком диапазоне температур не проводилось. Имеющиеся литературные данные касаются, как правило, работы модуляторов при повышенных температурах и не предлагают физических моделей процессов дрейфа ПП в волноводах, ограничиваясь его феноменологическим описанием.

Данная работа является попыткой комплексного исследования факторов, влияющих на стабильность показателя преломления ПКВ, на основе данных о структуре исходного материала, процессе создания ИОС и условий ее эксплуатации. Автор рассматривает факторы нестабильности показателя преломления ПКВ прежде всего с точки зрения реального атомно-молекулярного строения кристалла и процессов, происходящих в кристалле на микроуровне под действием суммы всех внешних факторов.

Анализ публикаций (состояние вопроса исследования к моменту начала работы). Первые работы, посвященные стабильности свойств ИОС были выполнены в 80-ых годах прошлого века и относились к модуляторам на основе титанодиффузных волноводов, созданных на 2-срезе НЛ [1—5]. В первых работах рассматривались такие причины нестабильности ПП волноводов, как фоторефракция и фотоповреждение [1], влияние согласующих буферных слоев [2; 3], действие пироэлектрического эффекта [6], влажности [7; 8]. Указанные работы отличались тем, что рассмотрение одного фактора казалось достаточным для понимания проблемы дрейфа ПП волновода. Позже были получены результаты, опровергающие влияние фотоповреждения [9] при входной мощности излучения до 75 мВт, разработаны решения для подавления пироэлектрического эффекта [10], предложена конфигурация буферных слоев, приводящая к уменьшению величины дрейфа показателя преломления [11]. Однако работы посвященные явлению дрейфа показателя преломления ПКВ продолжали появляться в печати [12]. Таким образом, было показано, что дрейф ПП в диффузионных волноводах невозможно подавить простыми средствами и, возможно, это явление более глубокое, чем представлялось в начале исследований.

В середине 90-ых годов XX века начало формироваться представление о дрейфе ПП, как о сложном явлении, которое связано со структурой исходного материала, а также с состоянием его приповерхностных слоев [12-15]. В это же время выходят работы, сообщающие о хорошей стабильности волноводов, полученных методом протонного обмена наХ-срезе НЛ [16].

В появившихся в начале 90-ых годов многочисленных работах группы профессора Н. не предлагалось механизмов дрейфа ПП волноводов, но

были надежно установлены следующие экспериментальные факты:

1. Ускорение дрейфа ПП при повышении температуры образца [11].

2. Дрейф ПП может приводить как к росту ПП, так и к уменьшению ПП в волноводе [11].

3. Скорость дрейфа показателя преломления пропорциональна величине приложенного постоянного напряжения [17; 18].

4. Приложение электрического поля к системе электродов модулятора при высокой температуре может вызывать появление микродоменов под электродной областью [17; 19].

5. Отжиг НЛ в сухом воздухе и уменьшение содержания протонов в приповерхностном слое могут существенно уменьшить дрейф ПП [20; 21].

6. На дрейф ПП могут существенно влиять внутренние упругие напряжения, обусловленные разницей коэффициентов линейного теплового расширения применяемых для изготовления ИОС материалов [22].

В начале 2000-ых годов появился ряд работ, посвященных волноводам, сформированным на Х-срезе НЛ как методом протонного обмена, так и с помощью диффузии титана [23-28]. Их авторы, прежде всего, указывают на лучшую стабильность модуляторов на Х-срезе НЛ [27], а также схожесть процессов дрейфа ПП для протонообменных и титанодиффузных модуляторов, в том числе по величине энергии активации дрейфа [24; 28].

В последних работах дрейф ПП в протонообменных волноводах рассматривается уже комплексно, как сочетание материальных факторов, действия пироэлектрического эффекта и подаваемого электрического напряжения смещения, все больше внимания уделяется структуре приповерхностных слоев материала [29-32]. Однако, к настоящему времени точная причина дрейфа показателя преломления в ПКВ остается неопределенной, как это явно показано в

книге Е. Chen и A. Murphy «Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications» вышедшей в 2011 году [33].

Таким образом, к данному моменту в исследовании стабильности показателя преломления ПКВ было выделено главное направление. Это направление связывает приложенное электрическое напряжение и температуру образца с дрейфом показателя преломления ПКВ через микроструктуру кристалла и особенности создания волноводов. Исследования в рамках данной диссертационной работы проводились именно в этом направлении.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Предложена структурная микроскопическая модель дрейфа показателя преломления ПКВ, основанная на наличии вокруг волновода сетки дислокаций несоответствия, накапливающей на себе протоны и облегчающей их движение, выводы которой подтверждены экспериментально.

2. Получены новые экспериментальные данные о состоянии приповерхностных слоев в пластинах ниобата лития и установлен механизм их влияния на дрейф показателя преломления ПКВ.

3. Обнаружен температурный режим, при котором действие пироэлектрического эффекта вызывает резкий рост оптических потерь в протонообменном канальном волноводе.

4. Предложена методика интерферометрического исследования дрейфовых явлений в ПКВ на образцах ИОС, основанная на использовании передаточной функции интерферометра для построения связи между наблюдаемым явлением дрейфа показателя преломления ПКВ и процессами движения зарядов в кристаллической решетке ниобата лития вблизи ПКВ.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

Результаты исследования относятся непосредственно к серийно производимым, дорогостоящим и высокотехнологичным интегрально-оптическим схемам на ниобате лития. Применение результатов исследования позволит:

1. Улучшить стабильность и долговечность устройств на основе протонообменных канальных волноводов.

2. Создать интегрально-оптические устройства, не нуждающиеся в системах коррекции дрейфа.

3. Расширить температурный диапазон применения производимых интегрально-оптических схем.

4. Предсказать поведение производимых интегрально-оптических схем в экстремальных режимах работы и в течение длительного времени.

Автор защищает:

1. Оригинальные результаты исследования приповерхностных слоев пластин ниобата лития и дефектной структуры протонообменных канальных волноводов, создаваемых в этих слоях.

2. Оригинальные результаты исследования дрейфа показателя преломления в ПКВ на образцах интегрально-оптических схем, а также методику их получения и метод интерпретации экспериментальных данных.

3. Механизм дрейфа показателя преломления протонообменного волновода, обусловленный наличием вокруг волновода сетки дислокаций несоответствия, накапливающей ионы водорода и облегчающей их движение.

4. Методику уменьшения дрейфа показателя преломления волноводов, основанную на подавлении пироэлектрического эффекта в интегрально-оптической схеме, контроле состояния приповерхностного слоя в исходных пластинах НЛ, выборе оптимальной топологии волноводов ИОС и применении метода мягкого протонного обмена для создания волноводов.

Достоверность результатов обеспечивается взаимодополняющим применением методов физики твердого тела и методов оптических измерений;

использованием репрезентативной выборки экспериментальных образцов и поверенных измерительных приборов;

согл�