Взаимодействия света с физическими полями в волноводно-оптических структурах в ниобате лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГГ) од

На правах рукописи

Шандаров Владимир Михайлович

ВЗАТШОДЕЙСТШШ СВЕТА С ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ В ВОЛИОВОДНО - ОПТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ В НИОБАТЕ ЛИТИЯ

(01.04.03 - радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Томск - 1997

Рабата выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники

Научный консультант - доктор физико - математических наук, профессор Коваленко Е.С.

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук, доктор физико - математических наук, доктор физико - математических наук,

профессор М.П.ПЕТРОВ профессор А.В.ВОЙЦЕХОВСКИЙ профессор Гр.Н. ГЛАЗОВ

Ведущая организация: Институт кристалографии РАН (г. Москва)

Защита состоится "23 " октября 1997 г. в "14.30" час. на заседании диссертационного Совета Д 063.53.02 при Томском государственном университете по адресу 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиртеке Томского государственного университета

Автореферат разослан и_"_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Пойзнер Б.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Волноводно - оптические структуры на основе электрооптических кристаллов в течение всего периода формирования и развития концепций интегральной оптики являются объектами первостепенного внимания в плане как научных исследований, так и технических приложений. В первую очередь это относится к оптическим волноводам в ниобате лития (1л1ЧЬСЬ) из - за уникального комплекса его оптических, акустических, пьезоэлектрических, электрооптаческих свойств и высокой технологичности. Поэтому создание в ЬГМЬСЬ высококачественных световодов методами обратной диффузии окиси лития, высокотемпературной диффузии титана и протонно - литиевого обмена обозначило этапные моменты в развитии интегральной оптгаси.

К настоящему времени на основе Ь:1ЧЬ0з реализован целый ряд волноводных элементов и устройств для оптической обработай информации и связи, часть из которых производится серийно несколькими зарубежными фирмами. Подобные элементы используют эффекты акустооптических и электрооптаческих волноводных взаимодействий. В волноводных структурах в УМЬСЬ наблюдается и фоторефрактивный эффект (ФРЭ), позволяющий реализовать в них, даже при крайне низкой оптической мощности, нелинейное взаимодействие световых волн, приводящее к формированию динамических голограмм, представляющих интерес для целей оптической памяти.

На характеристики волноводно - оптических взаимодействий существенно влияет неоднородность возмущений в волноводной области, обусловленная наличием границы раздела с покровной средой и возмущением физических свойств материала в приповерхностном слое. Специфические свойства волноводных световых полей (неоднородность шплитуды в направлении нормали к поверхности и существование в ваданном направлении нескольких мод с разной поляризацией и разными разовыми скоростями) также приводят к отличиям количественных характеристик волноводных взаимодействий по сравнению с объемными шалотами, и даже к качественно новым эффектам.

В публикациях, имеющихся к началу соответствующих этапов ханной работы, возмущения вместе с показателем преломления и других ;войстн материала при создании волноводных структур методами юверхностного легирования принимались во внимание в редких случаях. Основной задачей считалось создание слоя с повышенным показателем хреломления и низкими оптическими потерями с помощью одной тегирующей примеси. При разработке волноводных акустооптических и лектрооптических управляющих элементов преимущества, обуслов-[енные спецификой волноводных полей, также использовались лишь в сдельных случаях, хотя в ряде работ,,отмечена высокая эффективность

акусто- и электрооптических взаимодействий с участием вытекающих мод, акусгооптических взаимодействий направляемых мод разных поляризации и порядка. Практически не уделялось внимания взаимодействиям световых волн на фоторефракгивной нелинейности в вояноводных структурах на основе электрооптических кристаллов, хотя проявления ФРЭ в трехмерных средах и их возможные приложения в цепях оптической обработки информации и оптической памяти изучались весьма интенсивно. Таким образом, многие потенциальные преимущества волноводно - оптических взаимодействий, перспективных для построения элементов и устройств интегральной оптики, оставались не реализованными.

Цель работы

В связи с изложенным, целью диссертационной работы являлось развитие нового . научного направления в интегральной оптике, связанного с разработкой физических основ построения волноводно -: оптических элементов для оптической обработки информации, оптической памяти и нелинейной интегральной оптики. В рамках этого направления решались задачи:

- разработка методик формирования и исследования характеристик волноводно - оптических структур в ниобате лития с возможностью варьирования физических свойств материала, актуальных для заданных приложений, путем многокомпонентного легирования;

- исследование основных закономерностей взаимодействия световых вблн на возмущениях различной природы в волноводных структурах и их

. особенностей, обусловленных спецификой волноводных световых полей и возмущением физических свойств материала в волноводной области, позволяющих реализовать в разрабатываемых элементах все преимущества волноводно - оптических взаимодействий.

. Основные научные положения, выносимые на защнгу

1) Многокомпонентное легирование поверхности ниобата лития примесями И, Си (с их средней концентрацией в легированной области до одного весового процента) и Н\ с использованием методов диффузии, протонно - литиевого обмена и их комбинаций, позволяет формировать волноводно - оптические структуры с целенаправленным варьированием физических свойств материала в волноводном слое с диапазоном: повышения темновой проводимости, фотопроводимости и фоторефрактивной чувствительности - до 7 + 8 порядков; увеличения оптического поглощения - до десятков дБ/см; снижения электрооптическиХ коэффициентов и температурного коэффициента необыкновенного показателя преломления - до нескольких раз.

2) Возмущения физических свойств кристалла в приповерхностной области, обусловленные поверхностным легированием, и неоднородности

физических полей, связанные с влиянием границы раздела, обнаруживаются, а их структура реконструируется, по характеристикам акустооптических, электрооптических, фоторефракгивных и термооптических взаимодействий в планарных волноводах, сформированных у данной поверхности, при сравнимых размерах масштаба неоднородности и толщины волновода.

3) При синхронизме фазовых скоростей вытекающей тА обыкно- . венной излучательной мод, вытекающие моды оптических волноводов в ниобате лития X и У срезов возбуждаются при полном внутреннем отражении обыкновенно поляризованных световых пучков от границы "волновод - покровная среда", соответствующем излучательной моде, с эффективностью, достигающей величины эффективности призменного метода. На основе вытекающих мод реализуются эффективные фоторефрактивные, акустооптические, электрооптические и термооптические взаимодействия.

4) В оптических волноводах в ниобате лития, легированных железом, при его неоднородном распределении по глубине, средней концентрации выше 0,2 + 0,5 вес.%, различии средних концентраций Ре для разных мод на десятки процентов, и преобладании темновой проводимости над фотопроводимостью, двухлучевое формирование фоторефрактивных решеток модами разного порядка обеспечивает времена их формирования от долей секунды до часов, а хранения - от долей секунды до месяцев.

5) В планарных волноводах в ниобате лития, легированных железом, при его средней концентрации в волноводной области выше 0,1 + 0,2 вес.% и преобладании фотопроводимости над темновой проводимостью, при однопучковом воздействии наблюдается эффект формирования динамических фотовольтаическнх линз с временами формирования и хранения от десятков минут до долей секунды. Временные характеристики линз варьируются изменением концентрации Ре в волноводной области или ее дополнительным легированием медью.

6) При однопучковом воздействии в планарных волноводах УТЧЬОзгРе, иМЪОзгТкРе, 1лКЬОз:Ре:Си, на модах с соответствующей им средней концентрацией Ре менее 0,1 + 0,2 вес. %, наблюдается эффект параметрического формирования фоторефрактивных решеток. Их • периоды определяются разницей эффективных показателей преломления взаимодействующих мод при накачке направляемыми либо вытекающими волнами, и величиной угла падения волны накачки на поверхность ! волновода - в случае, когда волной накачки является излучатеяьная мода. ;

7) В планарных волноводах, при акусгооптическом взаимодействии ; мод одинаковой поляризации, но разного порядка, реализуется режим широкополосной дифракции, центральные частоты которой определяются разницей эффективных показателей преломления взаимодействующих мод. В одномодовых волноводах, подобный режим реализуется при

акустоопгаческом преобразовании направляемой либо вытекающей моды в излучательную моду подножки.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается:

В экспериментальных исследованиях - использованием физически обоснованных современных методик и приборов. Ошибки определения эффективных ПП волноводных мод не превышали 0,0002, а относительные погрешности измерений интенсивности световых пучков - 10%; угловое положение дифракционных максимумов определялось с точностью ±0,5 мрад; направление вектора топографических решеток в экспериментах по их записи устанавливалось с точностью ±2°. Для ряда экспериментальных результатов их достоверность подтверждается согласием с полученными другими авторами.

Полученные в диссертации теоретические результаты и расчетные данные подтверждаются:

- экспериментами, имеющими качественный характер (для возмущения наведенных электрических полей у поверхности кристалла при записи объемных топографических решеток);

- количественным согласием, в пределах погрешностей измерений, с экспериментальными данными (для временной зависимости вида функции профиля ПП градиентных волноводов при диффузии примеси из слоя конечной толщины);

- согласием выводов о зависимости профиля ПП диффузионных волноводов от условий процесса легирования с результатами других авторов.

Степень научной новизны и значимости

Научная новизна работы определяется тем, что в результате исследований полученных волноводных структур и процессов распространения и взаимодействия в них световых волн обнаружены следующие новые эффекты и установлены новые закономерности:

1) В протонообменных планарных волноводах 1Г:1Л\ЪОз Х - и У -срезов впервые обнаружен и экспериментально исследован эффект вытекания света при распространении ТЕ мод в осевых направлениях.

2) Проведены детальные экспериментальные исследования эффектов формирования и релаксации фоторефрактивных фазовых решеток в планарных волноводах с легированием примесями Ре и Си. Выявлен факт возрастания на 7 + 8 порядков темновой проводимости 1ЖЮз при его легировании железом и сильная зависимость от номера моды характеристик решеток, формируемых в волноводах УКЬОз:Ре разными направляемыми модами. В волноводах УМЬО}:Ре:Си впервые обнаружен и исследован эффект компенсации темновой проводимости ЬгЫЬОкРе при дополнительном легировании медью.

3) В планарных волноводах с повышенной фоторефрактивпой чувствительностью впервые обнаружены и изучены новые нелинейные взаимодействия, такие как параметрическое усиление слабых световых воли при фоторефрактивной связи направляемых мод одинаковой поляризации, но разного порядка; направляемых и излучательных мод; излучательных и вытекающих мод, а также эффект пространственного самовоздействия световых пучков вследствие формирования фотовольтаических волноводных динамических линз.

4) Экспериментально исследовано сверхширокополосное возбуждение поверхностных акустических воли в ниобате лития с помощью предложенных торцевого и квазипланарного пьезопреобразователей; для их возбуждения в направлениях со слабыми пьезоэлектрическими свойствами предложено и продемонстрировано использование структуры "пьезоэлектрик - воздушный зазор -пьезоэлектрик" с щелевыми акустическими волнами рэлеевского типа.

5) Реализован и экспериментально исследован метод возбуждения вытекающих мод при полном внутреннем отражении обыкновенно поляризованных световых пучков от границы раздела "волновод покровная среда" при неосевом распространении света в диффугюнных волноводах и как неосевом, так и осевом распрострг.н-?:гии о нротонообменных.

6) Впервые исследованы чффекгы: широкополосного полноводного акустооптического взаимодействия с преобразованием номера ТЕ мод; широкополосного акустоопшческого взаимодействия с преобразованием вытекающей ТЕ моды п излучательную; акустооптического взаимодействия с упасшем вытекающих мод при их возбуждении за счет полного внутреннего отражения объемных световых пучков от поверхности волновода.

7) Реализован и экспериментально изучен эффект запита динамических фазовых решеток при брэггонской дифракции волноводах,;;; иод па ^строчных скрещивающихся пучках поверхностных акустических волн в планарных волноводах 1л№зО$:ТкРе, ЫКЬОз^е.

8) Впервые экспериментально исследован эффект электрооптической модуляции интенсивности света в геометрии возбуждения вытекающих мод анизотропного волновода объемными световыми пучками.

9) Экспериментально исследованы температурные коэффициенты углов синхронизма при возбуждении вытекающих мод Т1 - диффузионных и протонообменных волноводов в геометрии полного внутреннего отражения световых пучков от их поверхности; обнаружен и экспериментально изучен эффект аномально резкого изменения температурных коэффициентов углов синхронизма для некоторых мод в зависимости от времени отжига протонообменных волноводов.

10) Путем анализа частотных зависимостей эффективности дифракции волноводных мод разного порядка на поверхностных

акустических волнах в протонообменном планарном волноводе подтвержден факт деградации электрооптических свойств ниобата лития при протонном обменне.

11) Путем изучения эффективности дифракции волноводных мод разного порядка на фоторефрактивной решетке, сформированной в кристалле LiNbO?:Cu объемными пучками, подтвержден факт возникновения неоднородных наведенных упругих и электрических полей у поверхности кристалла.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) Разработанные методики многокомпонентного легирования поверхности ниобата лития позволяют формировать волноводные структуры с прогнозируемыми параметрами и варьируемыми ф.оторефрактивньши и электрооптическими свойствами.

2) Предложенные торцевой и квазипланарный преобразователи поверхностных акустических волн имеют простую технологию, достаточно высокую эффективность в диапазоне частот до 1000 МГц и используются в широкополосных устройствах акустооптики и акустоэлектроники.

3) Продемонстрирована перспективность использования эффектов акустооптического взаимодействия с преобразованием номера ТЕ мод и с преобразованием вытекающих ТЕ мод в излучательные в эффективных широкополосных акустооптических модуляторах, работающих на частотах выше 500 МГц.

4) Волнозодные фотовольтаические линзы могут использоваться в и нтег р ал ь н о о пти ч еских схемах в качестве управляемых внешними световыми пучками элементов; топографические решетки, формируемые при параметрических фоторефракгавных взаимодействиях и дифракции волноводных мод на скрещивающихся пучках поверхностных акустических волн - в качестве динамических и квазистационарных дифракционных элементов, в том числе в вевггорно - матричных волноводных процессорах.

5) Разработанные торцевой и квазипланарный преобразователи, технология оптических волноводов, метод возбуждения вытекающих мод позволяют создавал акустооптические и электрооптические управляющие элементы, выгодно сочетающие высокую эффективность волноводных взаимодействий с простейшей геометрией их объемных аналогов.

Лшяийпсладшпра

Большинство представленных в диссертации результатов получено впервые автором, под его руководством или при его непосредственном участии.

Публикации и апробация работы

Основные материалы работы представлены в 53 публикациях, список которых приведен d конце автореферата, а также доложены и обсуждены на Совещании по УПВ (Новосибирск, 1978 г.); Школах -семинарах по проблеме "Поверхностные волны в твердых телах" (Новосибирск, 1979 г., 1982 г); Всесоюзных конференциях "Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике" (Москва, 1979г.); "Исследование и разработка прецизионных измерительных комплексов и систем с использованием радаоволновых и оптических каналов связи" (Томск, 1981 г.); конференции "Интегральная оггписа, физические основы, приложения" (Новосибирск, 1984 г.); XII, XIII Всесоюзных конференциях по квантовой акустике и акустоэлектронике (Саратов, 1983 г., Черновцы, 1986 г.); Научно -техническом семинаре "Волоконная и интегральная оптика" (Киев, 1985 г.), Всесоюзных конференциях "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" (Тбилиси, 1988 г.); Оптико - электронные измерительные устройства и системы (Tomcic, 1989 г.); "Проблемы оптической памяти" (Телави, 1990 г.); "Физические принципы и методы оптической обработки информации" (Гродно, 1991 г.); конференциях "Лкустоэлектронпые устройства обработки информации" (Черкассы, 1982 г.); VIII региональном семинаре "Оптические и оптоэлектронные методы и устройства обработки информации" (Краснодар, 1990 гг.); Международных симпозиумах "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах" (Новосибирск, 1986 г., Варна, 1989 г., Москва - С. - Петербург, 1994 г.); Acoustooptics: Researches and Developments (Ленинград, 1990 г.); Photonics Switchmg'92 (Минск, 1992 г.); Международных конференциях по фоторефракгашшм материалам, эффектам л устройствам (Франция, 1990 г., США, Бостон, 1991 г., Украина, Киев, 1993 г., США, Боулдер, 1995 г.); I я II Международных конференциях по оптической обработке информации (Сашст - Петербург, 1993, 1996 гг.); Международных конференциях по оптической памяти и нейронным сетям (Москва, 1994 г.); по физике полярных диэлектриков (Словения, Блед, 1996 г.); по оптике лазеров (Санкт - Петербург, 1995 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти разделов, содержащих оригинальные результаты, Заключения и списка цитируемой литературы, включающего 245 наименований. Полный объем диссертации - 324 страницы, включая 219 страниц основного текста, 79 страниц рисунков и 26 страниц - список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, приведены научные положения, выносимые на защиту, отражены научная и практическая значимость полученных результатов, а также изложена структура диссертации.

В первом разделе изложены результаты исследований характеристик и особенностей планарных оптических волноводов, формируемых в LiNbOj методами однокомпоненгного и многокомпонентного легирования.

В градиентных планарных волноводах показатель преломления (ПП) является функцией поперечной координаты. Знание закона его изменения необходимо для нахождения полей волноводных мод, без чего невозможен анализ процессов взаимодействия света с возмущениями различной природы, имеющими во многих случаях также неоднородное распределение амплитуды у поверхности. Для многомодовых волноводов профиль ПП может быть восстановлен по спектрам эффективных ПП мод Nm, для маломодовых заключение о его виде может быть сделано с учетом условий их формирования. В подразделе 1.1 рассмотрена временная зависимость распределения концентрации примеси N(£,,t) у поверхности твердого полупространства при ее диффузии из слоя конечной толщины на данной поверхности. В приближении пропорциональности возмущения ПП величине N(4) эта зависимость описывает эволюцию функции профиля ПП. Процесс диффузии моделировался двумя отдельными стадиями. Первая предполагала проникновение примеси из слоя внутрь полупространства с величиной N(0,t)=No, достигаемой мгновенно при t>0. При этом N(Ç,t) ~ No-erfcfé/2(Dtd)w], где D и ta -коэффициент и время диффузии. Вторая стадия соответствует диффузионному перераспределению примеси в полупространстве с отражающей границей. Данная модель при использовании аппроксимации erfc(Ç) » M-exp[-(H-Ç+G-£j2)], где M, H, G - коэффициенты аппроксимации, позволила получить аналитическое выражение для N(Ç, т), где t = (U - to)/ to - нормированное время диффузии; to - время, необходимое для полного проникновения примеси через границу. При малой х это выражение дает распределение, близкое к erfc[Ç/2(Dtd)"2], а при х > 0,5 - к функции Гаусса. Эти результаты согласуются с результатами других авторов (например, R.V.Schmidt, and I.P.Kaminow. Appl. Phys. Lett. - 1974. - V. 25. - No. 8. - pp. 458 - 460), указывающими на близость профилей ПП волноводов LiNbOi:Ti в разных случаях к функции erfc либо к функции Гаусса.

Для ТЕ мод волновода с профилем n(y)~ch г(у), близким к практически важному гауссовому, получены аналитические выражения

- распределений полей Е(у) при конечной величине поля на поверхности волновода Е(0) * 0 = Ео и целочисленных значениях параметра v, связанного с его нормированной толщиной V. Показано, что при произвольной величине v распределения Е(у) достаточно хорошо аппроксимируются известными аналитическими выражениями для тех же мод волновода при Е(0) = 0 (Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. -М. : Изд - во АН СССР, 1957. - 502 е.), с перенормировкой (сдвигом) координаты у на величину, определяемую величиной Ео.

Для отыскания полей направляемых мод в волноводах с произвольным видом профиля ПП в работе использован численный метод. Разработана программа их расчета для персональной ЭВМ, на примере волновода с профилем n(y)~ch-2(y) продемонстрирована высокая точность данной методики.

В п. 1.2 обсуждаются результаты исследования планарных волноводов LiNbOr.Ti, LiNbOj:FeH H+:LiNbOj. Волноводы LiNbOy.Ti и LiNbCh.Fe формировались диффузией в атмосфере воздуха при Т = 900 + 1000°С из пленок металлов (точнее - окислов, т.к. металлические пленки полностью окислялись при Т = 600 + 700°С). Волноводы H*:LiNbOj формировались протонно - литиевым обменом в расплавах бензойной и пальмитиновой кислот, а также их смесей при Т = 200 + 290°С в подложках X, Y, Z срезов.

Для устранения влияния обратной диффузии 1лгО на профиль ПП волноводов, формируемых при Т > 900°С, предложен простой надежный метод ее подавления [1]. Подложка волновода помещается для этого поверхностью с пленкой диффузанта на полировалую пластину высокотемпературной керамики либо LiNbOj. При отжиге в воздушном зазоре между поверхностями пластин, даже при незначительном испарении 1лгО с поверхности LiNbCb, достигается высокое парциальное давление ее паров, препятствующее дальнейшему развитию обратной диффузии.

Экспериментально исследованы временные зависимости спектров Nid волноводов LiNb03:Ti Y - среза и LiNbOjrFe X, Y, Z-срезов на длине волны света ¿,=0,63 мкм {2, 3]. Из их сравнения с расчетными для

двухступенчатой модели диффузии определены величины коэффициентов

диффузии для Т= ЮОО^С: Dti = (0,39 ± 0,01)10 12 см2/сек, Df<> =(3 + 5)-1012 см Ve. Оценены максимальные приращения ПП на поверхности по восстановленным параметрам профилей для первой стадии: Дпт* » 0,043; Двде » 0,015. Восстановленные по спектрам Nm профили ПП для необыкновенных волн при t<¡ > 2to достаточно хорошо описывались функциями Гаусса при подавлении обратной диффузии и суммой функции Гаусса с экспонентой либо зависимостью chJ(Ç) - в противном случае. Для ТЕ - мод волновода LiNbOj:Fe Z - среза отмечен близкий к

параболическому профиль ПП. Характерным для волноводов LiNbOj.Fe всех ориентации является отличие отношения Дпо/Дпс на поверхности (0,8 + 1,1) от его величины для образцов LiNbCb:Ti (0,4 + 0,5), что указывает на возможное отличие вкладов различных физических механизмов в возмущение ГШ при легировании LiNbCb данными примесями.

Исследование волноводов H+:LiNbOj подтвердило высокую величину Дщ на поверхности (0,12 + 0,13) и близкую к ступенчатой форму профилей ПП. В работе их профили аппроксимировались зависимостями 8n(y) ~ 1/[1 + (yrti)p], близкими к ступенчатой при р > (8 + 10). Величина коэффициента диффузии протонов оценивалась из условия: h = 2(Djit)l/2. Она составила Dh=0,27+0,03 мкм2/час (X срез, 200°С, пальмитиновая кислота) и Dh = 1,3±0,1 мкм2 /ч (Z срез, 240°С, бензойная кислота).

В исследованиях оптических потерь волноводов учитывались как ; сквозное пропускание света, так и уровень внутриплоскостного рассеяния. ; В волноводах LiÑbOj:Ti с Дне < 0,015 потери при Х=0,63 мкм не превышали 1 + 2 дБ/см. Для низших мод волноводов LiNbOa.Fe при Х=0,44 мкм они были более 30 дБ/см, что связано с поглощением света в поверхностном слое с высокой концентрацией Fe. Для высших мод потери составляли 10 + 20 дБ/см, с основным вкладом за счет внутриплоскосгаого фоторефрактивного рассеяния. При Я=0,63 мкм затухание света на низших модах составляло 1+3 дБ/см, а уровень внутриплоскостного рассеяния был ниже, чем в волноводах LiNbOjfTi, из i -за меньшей величины Дп и

большей эффективной толщины волноводов LiNbOj:Fe.

В волноводах H+:LiNbOs X и Y - срезов обнаружен и исследован новый механизм потерь, обусловленный излучением света из волновода в подложку в виде обыкновенной волны при распространении ТЕ мод даже в осевых направлениях [4-6]. Это иллюстрируется зависимостью 1тм(Вф) на рис. 1, которой соответствовало затухание ТЕо моды -14 дБ/см в волноводе X - среза. Эффект объяснен наличием наведенных вследствие протонного обмена недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости, и, соответственно, гибридно-

Ц

m

3

о £

г

/ V

/ \

/ \

/ \

! V] S,

•ю

-5 0 5 5q> (угл. шш.)

10

Рис. 1. Изменение интенсивности обыкновенной волны в подложке при возбуждении в волноводе Н+:ШЬ03 ТЕо иода

стью ТЕ мод. При условии Иш < по такие ТЕ моды становятся вытекающими. В экспериментах продемонстрировано возрастание затухания ТЕо моды в одном из волноводов с 2 дБ/см до -35 дБ/см при изменении знака величины (N0 - по) при отжиге волновода на воздухе [4].

В п. 1.3 изложены результаты исследования планарных волноводов, полученных многокомпонентным легированием ШЬО!. Для этого использовались последовательная диффузия 'П и Ре [7], Ъ и Си [8], Ре и Си [9, 10], комбинация диффузии "Б и протонно - литиевого обмена {Н], а также внедрение ионов Си и Ре в иИЬОз в условиях протонно -литиевого обмена в расплавах смесей бензойной кислоты с соединениями Си и Ре [12 - 14]. Исследованы возмущения спектров Ищ базовых волноводов 1ЛЧЬОз:Т1, иИЬОз^е при дополнительной диффузии Ре и Си, показано, что легирование ШЧЬОз медью приводит к понижению его необыкновенного ПП пе (для разных образцов найдено 81^(0,0005 + 0,006). Оценены величины 1)с«, составившие Ос» ~ (2,3 +2,8)-10-3 мкм2/с (Т=920°С, волновод LiNbO3.Ti.Cu) и Рсл = (0,7 + 2)-10~* тжиУс (ЦКЬОзРе:Си, Т=900°С). Отмечено значительное увеличение затухания света в волноводах, легированных медью, при уменьшении длины волны.

Исследованы характеристики планарных волноводов ГГгиКЬОг.П. Показано, что комбинация диффузии с протонным обменом и

последующим отжигом волноводов при Т = (300+350)°С позволяет корректировать их параметры без ухудшения оптического качества [14, 15]. Отработана методика создания волноводов Н+:Сц:и№>Оз:Т;, Н+:Ре:1лКЬОз:Т1 путем внедрения ионов Си и Ре, инициированного протонно - литиевым обменом, в расплавах смесей бензойной кислоты с соединениями Си и Ре.

Во втором разделе представлены результаты исследование особенностей фоторефрактивных характеристик полученных волноводных структур.

Особенности проявлений ФРЭ в оптических волноводах, в сравнении с трехмерными средами, обусловлены неоднородностью волноводных световых полей, возможностью распространения в одном направлении нескольких мод с рззными фазовыми скоростями, а также неоднородностью распределения концентрации активных примесей и, соответственно, изменением актуальных для ФРЭ физических свойств материала и относительных вкладов различных механизмов фоторефракции, по глубине волновода.

В подразделе 2.1 рассмотрено влияние неоднородности, распределения фоторефрактивных характеристик по глубине волновода на структуру наведенных электрических полей фоторефрактивных решеток (ФР) при фотогальваническом механизме фоторефракции. Для ' экспоненциального изменения фото гальванических констант в волноводе

со ступенчатым профилем ПП получены аналитические выражения для распределения полей ФР на начальной стадии процесса их формирования направляемыми модами. Показано, что поперечное распределение амплитуд наведенных электрических полей существенно зависит от соотношения величины периода ФР и толщины волноводного слоя, а также от степени неоднородности фотогальванических свойств по толщине волновода. Показано, что неоднородность световых полей приводит к появлению нормальной к плоскости волновода компоненты наведенного электрического поля, сдвинутой на я/2 по отношению к световой интерференционной картине, что в некоторых случаях может привести к нарушению локальности фогорефрактивного отклика.

Получены аналитические выражения для наведенных электрических полей ФР в стационарном режиме в волноводе со ступенчатым профилем и экспоненциальным изменением фотогальванических коэффициентов и темновой проводимости см по глубине. Показано, что при убывании аа с глубиной, для наведенного поля ФР характерно наличие максимума, локализованного в глубине волновода, на некотором расстоянии от его поверхности.

В подразделе 2.2 изложены результаты экспериментального исследования фоторсфрактивных характеристик различных волноводов. Использовались двухлучевая схема формирования ФР, позволяющая по характеристикам их записи и релаксации оценить влияние различных легирующих примесей на величины фоторефрактивной чувствительности, оа и фотопроводимости в волноводной области, а также однолучевая, позволяющая изучать особенности эффектов внутриплоскостного рассеяния и кинетику сквозного свеггопропуекания волноводов

Показано, что фоторефрактивная чувствительность волноводов ХлМЬОз'/П определяется, в основном, характеристиками материала подложки, а времена записи ФР модами разного порядка отличаются незначительно. Продемонстрировано хранение ФР в таком волноводе в течение более полугода, что соответствует величине ста < 1,6710" (Ом-сы)1.

Для волноводов ЫМЬОзгГе выявлено существенное (на 7-8 порядков) возрастание аа в легированной области при концентрации Ре выше 0,1 вес. %, и преобладание оа над фотопроводимостью при интенсивности света I» < 10 + 20 Вт/сы2. Показано, что вследствие неоднородности концентрации Ре в волноводе времена записи и релаксации ФР, формируемых модами разного порядка, могут изменяться от долей секунды до сотен и более часов, а кинетика процесса релаксации не описывается простыми экспоненциальными зависимостями [16 - 21]. Из - за большой величины о<1 на низших модах некоторых образцов не удалось зафиксировать записи ФР при используемых экспериментальных методиках. На ыодах низкого порядка, как правило, не наблюдался и

эффект фоторефрактивного усиления интенсивности внутриплоскостного рассеяния при 1о < 10 - 50 Вт/см2. Исследование светопропускаиия волноводов при X = 0,48 + 0,51 мкм выявило следующую особенность. При 1о < (1 + 2)102 Вт/см2 и возбуждении в волноводе мод низкого порядка в первый момент наблюдалось уменьшение начальной интенсивности прошедшего пучка 1т с последующим восстановлением ее до некоторого стационарного уровня 1«, зависящего от номера моды. На рис. 2 представлены подобные зависимости для волновода У среза. Для ТЕг моды 1л « 0,92 1т, а время установления Тя »1 - 2 с (Ьи « 100 Вт/см2, X = 0,51 мкм). Для ТЕз моды 1«» 0,55 Ггп, а т« в 25 - 30 с. Для мод более высокого порядка при той же величине Ь наблюдалась практически полная перекачка падающего луча в т - линию без восстановления начального уровня 1о. На низших модах при увеличении 1о наблюдались

пульсации интенсивности в т -линиях и в прошедшем световом пучке около некоторого среднего уровня без установления стационарного состояния. В волноводах Ъ - среза осуществлена запись ФР с вектором решетки Кз || ОХ, формируемой за счет нормальной к и

поверхности волновода компоненты фотогальванического тока, распределение которой вдоль синфазно со световой интерференционной картиной. При такой ориентации Кд в объемном кристалле запись ФР плоскими волнами одинаковой ' поляризации невозможна из - за симметрии тензоров фотогальванического и электрооптического эффектов.

Экспериментально выявлено, что формирование ФР в волноводах Н+:1лКЬОз наблюдается лишь на высших модах, за счет экспоненциальных частей полей мод в подложке. Показано, что последиффузионный отжиг приводит к восстановлению начальных фоторефрактивных свойств подложки в волноводной области [14].

Исследованы фоторефрактивные характеристики волноводных структур, полученных в УИЬОз последовательной диффузией Т! и Си [8], Ре и Си [9, 10]. Показано, что фоторефрактавная чувствительность волноводов и>1ЬОз:Тг.Си существенно выше таковой для базового образца ЫКЬОз:Т1 и определяется величиной концентрации Си, а

1

0,8 t Y \ 1 — ТЕ2

& 0,6 0,4 А -л- ТЕЗ

к H о V \

1—! 0,2 ы

0

0 2 4 6 8 10 t(c)

Рис.2. Динамика светопропускаиия волновода LiNbO',:I:e при Я = 0,51 мкм

величина ал при легировании медью возрастает незначительно. В волноводах 1лМЬОз:Ре:Си впервые обнаружен эффект компенсации теыновой проводимое™ УЫЬОз'.Ре при его дополнительном легировании медью [9]. Рис. 3 шипострирует более чем десятикратное превышение времен релаксации ФР, формируемых модами ГЕо, ТЕ1 в области с Си одного из таких волноводов У - среза, поддерживающего в направлении

X восемь ТЕ мод, по сравнению с

5

о &

100 80 60 40 20 0

-А-ТЕ1

-о-ТЕО

• А • ТЕ0

• д А (Рс+Си)

5 * * д ТЕ1

к в (Ре+Си)

» в ч *

А о

» •

1

0

40 1(с)

80

соответствующими для его части без Си. Распределения полей низших ТЕ мод в областях иЫЬО>:Г'е:Си и 1ЛЯЬ01:Ге в данном образце практически не отличались из - за слабого возмущения профиля ПП исходного волновода. Вклад фотопроводимости в релаксацию ФР был также мал, поэтому наблюдаемые различия скорости релаксации могли быть обусловлены лишь уменьшением величины ста. Аналогичные результаты получены и для других волноводов 1лНЬОз:Ре:Си с разной концентрацией Си. Показано, что при А.=0,63 мкм в волноводах иКЬСЬТегСи возможна эффективная запис ФР внешними световыми пучками, проходящими через подложку в направлении, близком к нормальному, в то время как в волноводах 1лЫЬО*:Ре она не наблюдается.

Исследованы фоторефрактивные характеристики пяанарных волноводов, полученых в ниобате лития внедрением ионов Си и Ре при процессах протонно - литиевого обмена в расплавах смесей бензойной кислоты с СиО, РеО, РеСЬ. Показано, что внедрение Си приводит к значительному увеличению оптического поглощения, фоторефрактивной чувствительности и фотопроводимости кристалла в легированной области [14]. В волноводах Н+:Си:1ЛМЬОз:'П реализована запись ФР с дифракционной эффективностью более 20% вытекающими модами в структуре "волновод - призма связи" при длине области связи -2 мм. Для описания релаксации ФР при подсветке считывающим пучком использована аппроксимация зависимости дифракционной эффективности ФР Т] с помощью соотношения:

Рис. 3. Временные зависимости

дифракционной эффективности при релаксации ФР в волноводах иЫЬОз:Ре и 1ЖЮз:Ре:Си

где параметры 5m,t, т, предполагаются постоянш 'ми в пределах областей по глубине волновода, соответствующих отдельным максимумам интенсивности поля моды. По экспериментальным данным для релаксации ФР, сформированных модами ТЕг, оценены средние значения константы фотопроводимости стрь для областей второго и- третьего максимумов интенсивности, которые составили сгРы = 1,910"16 см-В3, ары=0,096-Ю'16 см-В2.

В волноводах H+:Fe:LiNbOi:Ti также отмечено значительное возрастание фотопроводимости. По характеристикам релаксации ФР на разных модах оценены средние величины ал и константы стрь для одного из волноводов. Они составили арь=(0,3-1)10"16 см-В"2; Cd=(0,9 - 2,5) -Ю-15 (Ом см)"1 для TEj - ТЕо мод, соответственно.

Б третьеч разделе изложены результаты исследований особенностей проявлений ФРЭ в планарных волноводах при однопучковом воздействии, а также возбуждения вытекающих мод волноводов объемными световыми пучками.

Эффект вытекания света наблюдается в планарных волноводах в LiNbOj Х- и Y - срезов при неосевом распространении ТЕ мод (K.Yamanouchi, T.Kamiya and K.Shibayama. - IEEE Trans, on MTT. - 1978. - Vol. МТГ-26.- pp. 298 - 305), и даже при осевом - в волногадах H*:LiNb0.i 14). В п. 3.1 преде тплены результаты исследования возбуждения вытекающих мод таких волноводов при полном внутреннем отражении обыкновенно поляризованных световых пучков от границы раздела "волновод - покровная среда". Анизотропный волновод с вытеканием при неизменных параметрах в направлении распространения света эквивалентен призменному элементу ввода с однородным воздушным зазором. Соответственно, эффективность преобразования мощности падающего пучка в вытекающую моду может достигать в нем ~80%. В экспериментах эта эффективность оценивалась по интенсивности необыкновенно поляризованного излучения с торца волноводов и по истощению интенсивности отраженного обыкновенно* о луча вблизи условия синхронизма sin(<pn,)=Nm/no, где фш, по - угол падения обыкновенного луча на подложку и обыкновенный ПП ниобата лития. Достигнуты ее величины г) » 65% для направлений X + (40 + 50)° в волноводах LiNb03:Ti, LiNbOjrFe, H+:LtNb03:Ti X - и Y - срезов и т)»25 % для направления X в волноводе H+:LiNb03:Ti Y - среза [22 - 24]. Изучены искажения профилей интенсивности отраженных от поверхности волновода световых пучков в условиях синхронизма [22].

В оптических волноводах, как и в объемных фоторефракгивных кристаллах, наблюдаются эффекты фоторефрактивного параметрического взаимодействия при выполнении условия синхронизма:

kpi + kP2 = ksi + kij (2),

где kp.5 - волновые векторы накачки, сигнальной и холостой волн. При вырождении по частоте и одной волне накачки (kpi = кРз), две пары волн (kpi, ksi и kpî, kj2) формируют неподвижные ФР с одинаковыми волновыми векторами. При этом, даже при чисто локальном фоторефрактивном отклике, возможна перекачка интенсивности от сильной волны к слабым, т.е. усиление слабых пучков и, .соответственно, амплитуды начальной "шумовой" ФР. Результаты исследования подобных взаимодействий изложены в подразделах 3.2 и 3.3.

Параметрическое взаимодействие направляемых мод одинаковой поляризации, но разного порядка, впервые реализовано и исследовано в планарных волноводах LiNbCb:Ti:Fe, LiNbCh:Fe при X = 0,44 + 0,63 мкм [25 -27]. Роль волны накачки в экспериментах играли моды разного порядка (от TEi до ТЕ«). Изучались картины светового поля, выведенного из волноводов призмами связи. При возбуждении в волноводе волны накачки, с течением времени из шумов на m - линии моды с более низким индексом (либо на соответствующих возбуждаемой и соседней более низкой модам) развивались и усиливались максимумы интенсивности, пространственное положение которых отвечало условию синхронизма (2). Сопоставление измеренных углов дифракции с их расчетными значениями для параметрических процессов показало их достаточно хорошее соответствие. Времена формирования и хранения ФР, в зависимости от длины волны и интенсивности света, изменялись для разных образцов и процессов от единиц секунд до десятков минут (рис.4), что определялось величинами средних темновой и фотопроводимости для взаимодействующих мод. Относительная интенсивность параметрических максимумов достигала 15% от интенсивности накачки при Х=0,63 мкм на модах высокого порядка и доли процента - на модах низкого порядка с высокой средней темновой проводимостью.

^ 40

w 30

й

5 20

о

6 10

- о

Рнс.4. Кинетика интенсивности параметрических максимумов при Х.=0,63 мкм СГЕг мода, накачка - ТЕ}) и к = 0,51 мкм (ТЕ| мода, накачка - ТЕа)

10 8 6 4 2 0

400

--V

-о-40 мВт -•-60 мВт —

10

t(c)

В структуре "волновод LiNbOj:Cu:Ti - призма связи" впервые

реализован и jKcnqjHMeHTaflbuo изучен эффект фоторефрактивного параметрического взаимодействия вытекающих мод [27]. Волновод был сформирован диффузией Ti в кристалле LiNbOj:Cu (0,005 вес.%). Длина полны света изменялась от 0,44 мкм (Не - Cd лазер) до 0,63 мкм. При возбуждении в структуре волны накачки наблюдалось развитие параметрических максимумов на всех модах более никого порядка, т.е. одновременное формирование нескольких ФР с одинаковой ориентацией и разными периодами. Такое отличие от проявления данного эффекта в волноводах LiNbCb.Fe обусловлено однородностью фоторефракгивных свойств по глубине структуры. Наибольшая эффективность преобразования волны накачки в параметрические максимумы достигалась для процесса TEiTEi=>TEoTEo (~11% при Х=0,44 мкм). Время формирования ФР изменялось от ~10 с при А. = 0,44 мкм до единиц минут при X = 0,63 мкм.

При параметрических взаимодействиях направляемых и вытекающих мод периоды формируемых ФР определяются разницей значений Nm для взаимодействующих волн и составляют дискретный набор. Параметрические процессы с участием излучателиilix мод позволяют реализовать однолучевое формирование ФР с произвольным периодом. Такие процессы впервые реализозаны и экспериментально исследованы на длинах волн Аг и Не - Ne лазеров в волноводах LiNbOj:Ti:Fe, LiNb03:Fe, LiNbOs:Fe:Cu [28 - 32]. В качестве накачки использовались ТЕ моды подложки, которым соответствовало полное внутреннее отражение необыкновенно поляризованных световых пучков от границы "волновод - покровная среда". Взаимодействия излучательных мод с вытекающими изучались при неосевом распространении света в волноводах LiNbOr.Fe, LiNbOj:Fe:Cu (Х=0,476 ¡-0,63 мкм), а излучательных с направляемыми - при его распространении вдоль оси Y в волноводе LiNbOj:Ti:Fe X - среза (Х=0,63 мкм). Время развития параметрических процессов составляло 3-5 мин для первого из них на длинах волн Аг лазера при мощности излучения 5^20 мВт и нефокусированном пучке. Для взаимодействия излучательных мод с направляемыми при мощности пучка 1 - 2 мВт (>.=0,63 мкм) оно увеличивалось до 30;80 мин, в зависимости от интенсивности света в волноводе. Периоды формируемых ФР при накачке излучательной модой определяются разницей Nm для вытекающих (направляемых) мод и волны накачки, т.е. зависят от угла падения необыкновенного луча на поверхность волновода и ограничиваются сверху скользящим падением луча. В исследованном образце с неосевым распространением света максимальная величина периода ФР составила для А=0,488 мкм Алии = 5,36 мкм.

В подразделе 3.4 обсуждаются результаты исследования эффекта пространственного самовоздействия световых пучков в волноводах ШЬОз:Ре, ХЖЬОзЛкГе, 1лМЬОз:Ее:Си [33 - 35]. В экспериментах использован подход, характерный для "Ъ - скан" метода. Исследовались профили интенсивности фокусированных в плоскости волновода световых пучков (А, = 0,63 мкм), прошедших волноводнме образцы, при изменении положения перетяжки луча в области между призмами связи. При интенсивности света внутри волновода, для которой величина фотопроводимости выше величины ста (1ы = 20 + 70 Вт/см2), наблюдались существенные искажения профилей прошедших пучков вследствие формирования в освещенной области отрицательных фотовольтаичсских линз. Рис. 5 иллюстрирует изменение профиля луча в плоскости наблюдения (60 см от волновода) при смещении его перетяжки с поперечным размером ~35 мкм к призме вывода в одном из образцов.

Смещение перетяжки к призме ввода приводило к увеличению начального масштаба профиля луча в данной плоскости. Оценка величины бп на оси линзы дала 6п » -104. Соответствующее значение (см + оРъ -I) « 2,3-10"" (П см) для I = 70 Вт/см2. Выявлены незначительные отличия времен формирования линз на модах разного порядка при сущест венных различиях времен записи - релаксации ФР теми же модами в двухлучевой схеме при преобладании ста над фотопроводимостью. Времена установления стационарного профиля наведенных линз изменялись для исследованных волноводов от единиц секунд до единиц минут, в зависимости от средней величины оа в волноводной области. В режимах формирования и релаксации линз, вследствие трехмерной неоднородности светового поля в фокальной области и неоднородности фоторефрактивных характеристик по толщине волновода, в поведении профилей интенсивности прошедших пучков наблюдались особенности. При положении перетяжки, соответствующем увеличению расходимости прошедшего пучка в стационарном режиме, в первые моменты после включения света его расходимость могла уменьшаться. Для тех же положений перетяжки на стадии темповой релаксации светоиндуцированных линз также отмечен эффект "сжатия" профиля

«

Ъ (мм)

Рис. 5. Эволюция профиля «хучка, прошедшего волновод 1лКЬОз:Т1:Ре (ТЕ) мода).

прошедшего пучка относительно его начального масштаба. При этом интенсивность в его центре при максимальном "сжатии" могла существенно превышать ее величину, достигаемую в режиме формирования линзы.

В четвертом разделе обсуждаются особенности акустооптических, электрооптических и термооптических взаимодействий в планарных волноводах в LiNbOj, обусловленных существованием в них вытекающих волн, возможностью межмодовых взаимодействий без изменения поляризации мод, а также возмущением некоторых свойств ниобата лития при его легировании железом и под влиянием протонного обмена.

Основные особенности волноводного акустооптического взаимодействия проявляются при частотах поверхностных акустических волн (llAß) от 100 до 1000 МГц, где их длина волны сравнима с толщиной волноводного слоя. Этог же диапазон представляет интерес и для реализации волноводных акустооптических компонентов и устройств. В п. 4.1 обсуждаются результаты, исследования возбуждения ПАВ данного диапазона методами, не требующими для их реализации фотошгго графин высокого разрешения. Для возбуждения IIAB в материалах с сильным пьезоэффектом (тана l.iNbOi) предложены торцевой [36, 37] и квазипланарный [38] пьезопреобразователи. Они состоят из пары электродов, расположенных на звукопроводе так, что н~ -jopuenou nouqixHocrii или ее элементе, созданном путем ионного травления, ортогональным поверхности распространения ПАВ, у их о б и'его ребра образуется зазор величиной порядка длины волны ПАВ. Возбуждение осуществляется с торцевой поверхности тангенциальным электрическим полем i¡ зазоре между электродами. Продемонстрирована достаточно высокая эффективность таких преобразователей в YZ срезе LiNbCj в диапазоне частот до 1000 МГц. Так, одиночный торцевой пьезопреобразовагель с межэлектродным зазором 5 мкм и апертурой 1,5 мм обеспечивает возбуждение ПАВ в диапазоне 200 + 1000 МГц с эффективностью -(1Ф:-21) дБ. Акустооптическим методом исследованы характеристики щелевых акустических волн рэлеевского типа в лрукгуре "пье-юэлектрик - воздушный зазор - иьезоэлектрик" [39, 40]. Экспериментально продемонстрировано, что подобная структура из материалов с разными пьезоэлектрическими свойствами, в случае синхронизма скоростей ПАВ, может быть использована для возбуждения HAH в слабых пьезоэлектриках. Для этого может использоваться и эффект существования вытекающих акустических волн в слоистых структурах "пьезоэлекгрик - ускоряющий слой". Их возбуждение в подобной структуре возможно при отражении от ее поверхности объемных сдвшовмх воин, аналогично возбуждению вытекающих волноводных мод при отражении световых пучков от поверхности волновода. Акустооптическим методом исследована трансформация рчлесвской ПАВ

в вытекающую акустическую волну в структуре "1л1ЧЬОз - ускоряющий слой", указывающая на возможность обратного процесса [41].

В п. 4.2 исследуются особенности волноводного акустооптического взаимодействия, обусловленные существованием мод разного порядка и разных типов, а также высокой фоторефрактивной чувствительностью 1лМЬОз:Ре. Впервые экспериментально исследована широкополосная дифракция волноводных ТЕ мод на ПАВ с преобразованием номера моды в диффузионных (1ЛМЬОз:Т1) и протонообменных планарных волноводах, аналогичная по геометрии широкополосной аномальной брэгговской дифракции в объемных средах [15, 42, 43]. Показано, что данный тип акустооптического взаимодействия перспективен для акустооптических элементов, работающих на частотах выше 500 МГц. В волноводе 1лКЬСЬ:Т1 для дифракционных процессов ТЕо - ТЕ) , ТЕ) - ТЕг при их центральных частотах Го-1 = 907 МГц и П-г — 590 МГц получена ширина брэгговской полосы АГ ~225 МГц и ~240 МГц. Эффективность дифракции составила гцн « 5% и »112 <» 2%, соответственно, при акустической мощности ПАВ Р»=5 мВт. При той же величине Ра для внутримодовой дифракции ТЕо - ТЕо при 1о-о = 900 МГц и г) и 7% величина ДГ по уровню -3 дБ составила ~22 МГц. В волноводе Н+:1ЖЬОз:Т1 центральные частоты составили йм » 840 и П а «610 МГц. При апертуре ШП 0,5 см значение ДГьг для процесса ТЕ] - ТЕ? достигало 260 МГц, а эффективность - 5% при управляющей электрической мощности Рс = 500 мВт.

В волноводах ЬЛ^ГЬОгЛл У среза при распространении ПАВ в направлениях Ъ ± (40 + 50)° реализован и экспериментально исследован эффект дифракции вытекающих ТЕ мод (X — 0,63 мкм) на -ПАВ в диапазоне частот 100 - 800 МГц при возбуждении вытекающих мод при полном внутреннем отражении обыкновенного светового луча от границы "волновод - покровная среда" [22, 53]. Исследовано влияние расстройки брэгговских условий и условия синхронизма для возбуждения вытекающих мод на вид дифракционных картин и дифракционную эффективность. Впервые обнаружен и экспериментально исследован эффект широкополосного акустооптического взаимодействия с преобразованием вытекающей ТЕ волны в необыкновенную изЛучательную моду с некомпланарной геометрией, позволяющий реализовать аналоги процессов широкополосной дифракции с преобразованием номера моды в одномодовых планарных волноводах.

В волноводах 1ЛЧЬО}:Ре, 1ЛЧЬОз:ТкРе реализован и экспериментально изучен эффект записи ФР при дифракции направляемых ТЕ мод (А, = 0,63 мкм) на встречных скрещивающихся пучках ПАВ в диапазоне частот 400 - 500 МГц [7]. Решетки формировались за счет ФРЭ при интерференции световых волн с одинаковыми частотами. Ими являлись однократно дифраг ированные на

каждом из пучков волны с частотными сдвигами одного знака, либо прошедший недифрагированный пучок и двукратно дифрагированная волна, приобретающая частотные сдвиги разных знаков при последовательной дифракции на первом и втором акустических пучках. Величина периода формируемой ФР определяется в данных экспериментах длиной волны ПАВ Л и составляет АЛсоьв, где 0 - угол однократной дифракции. При акустической мощности каждого из пучков ~20 мВт, оптической мощности в волноводе мВт и дифракционной

эффективности ~50% амплитуда ФР достигала на ТЕо - модах максимума за время ~5 секунд, однако ФР уверенно фиксировалась и при временах формирования в доли секунды. Время хранения ФР достигало 40 + 60 секунд при ее релаксации до половинной амплитуды за 2 + 4 секунды.

В п. 4.3 изложены результаты исследования эффекта электрооптической модуляции интенсивности света в планарных волноводах иМЪОз:П, иМЬОзгИе, Н+:1лМЬОз:Т1' при возбуждении в них вытекающих ТЕ мод в геометрии полного внутреннего отражения световых пучков от волноводной поверхности [23, 24, 44]. Механизм модуляции обусловлен элекгрооптической расстройкой условия синхронизма 5т(фш)=Нт/по для возбуждения вытекающих мод. Электродные структуры представляли собой пару электродов из 1п, либо напыленные полоски из А1 с зазором от 0,05 до 0,2 мм. При локализации области отражения у края волновода эффект модуляции наблюдался как в излучении с ТЕ - поляризацией с его торца, так и п отраженном от поверхности обыкновенном луче. Свет распространялся в направлениях X + 45'1 (1лМЬ()з:'П, ЫМЬ03:Ре) и X + 30" (ГПЛФоОкТТ). Выявлены особенности характеристик эффекта модуляции в волноводах П+:1лНЬОз:Т1, обусловленные разницей в коэффициентах затухания мол разного порядка, отмечена пониженная по сравнению с диффузионными волноводами глубина модуляции. В волноводах Ь«ЫЬОз:Т1, 1лКЬОз:Не достигнута глубина модуляции интенсивности в десятки процентов при электрических полях порядка 1 В/мкм.

В п. 4.4 исследуются температурные коэффициенты углов синхронизма с1<ртЛП' при возбуждении вытекающих мод волноводов 1лМЬО;:Т1, 1Г:1л>ч'ЬОз:Т1 при полном внутреннем отражении световых пучков от их поверхности [45 - 47]. Получено приближенное аналитическое выражение для ¿срт/сГГ при неосевом распространении света в диффузионных волноводах У и X - срезов с профилем ПП п(у)~сЬг(у). Показано, что в слабых градиентных волноводах величины ¿фщМТ для мод разного порядка отличаются мало и определяются, в основном, направлением распространения света. Продемонстрировано существенное различие величин <1фт/с1Т для разных мод в волноводах НГМлЫЬОзЛП и их аномально резкое изменение для некоторых иод и

>

зависимости от времени заключительного отжига волноводов. Показано, что такое поведение коэффициентов dcpm/dT при отжиге объясняется уменьшением температурного коэффициента необыкновенного показателя преломления LiNbOs dnr/dT в протонообменной области (практически до величины dno/dT) и его частичным восстановлением при отжиге.

В шипом разделе рассмотрены некоторые приложения волноводно -оптических взаимодействий к физическим исследованиям поверхности и построению элементов и устройств оптической обработки информации.

В п. 5.1.1 исследованы частотные зависимости эффективности дифракции ТЕ мод разного порядка на ПАВ rjm(i) в планарном волноводе H^LiNbCbiTi X - среза в диапазоне частот до 300 МГц [48]. Выявлено, что для мод ТЕо и ТЩ с преимущественной локализацией их полей в протонообменной и П - диффузионной областях волновода в данном диапазоне выполняется соотношение rjo /rj4 < 1 (рис. 6), в so время как для диффузионных волноводов всегда выполняется условие rjm /r|m+n > 1. Эффект объяснен деградацией электрооптического коэффициента гзз в протонообменной области, о которой сообщалось ранее (Becker R. А. Appl.Phys.Lett.- 1983. - V.43. -N2. - р. 131 - 133). В волноводах LiNbC>3:Ti YZ и XZ - ориентаций основной вклад в дифракцию обусловлен электрооптическим эффектом и определяется величиной гзз. Учитывая это, в случае малой эффективности дифракции для 114 / rjo можно получить приближенное выражение:

т)4/т10 = (гзз П)2/(п}г Го)2 (3)

где Г33 - величина rjj в ионообменном слое; Гш - величина интеграла

перекрытия поля ТЕт волны с „ электрическим полем ПАВ.

Расчет Гщ по найденным распределениям Е(х) и параметрам ПАВ для LiNbOj XZ ориентации позволил из экспериментальных значений г|4/т]о оценить отношение гзз/4з«2,3.

В п. 5.1.2 показано, что при формировании в некоторых кристаллах ФР объемными световыми пучками, амплитуды наведенных электрических i: упругих полей у поверхности могут иметь неоднородное распределение,

0 1,6

.р-

(Г 1,2

0,8

iS^ . 1 1 • Экспер. Расчет -

180

300

220 260 f(MTu)

Рве. б. Частотная зависимость отношения

эффективностей дифракционных - процессов ТЕ4-ТШ и ТЕо-ТЕов волноводе H+:L,iNbCb:Ti.

нследстаие влияния границы кристалла [49]. Экспериментально продемонстрирована возможность обнаружения подобных неоднородностей по характеристикам дифракции на ФР направляемых мод разного порядка в волноводе Тп1лЬ}ЬОз:Си (образец, в котором реализованы параметрические взаимодействия вытекающих мод в структуре "волновод - призма связи"). Объемная ФР с периодом 2,5 ыкм записывалась внешними пучками с X = 0,44 мкм, ее считывание осуществлялось при X = 0,63 мкм ТЕ модами волновода. Различие величин г] для процессов ТЕо - ТЕо, ТЕ1 - ТЕ1, и достаточно эффективная дифракция с преобразованием номера моды ТЕо - ТЕ] явились доказательством неоднородности поля ФР по толщине волновода. При его однородности должно выполняться соотношение г^о^фь а дифракция с изменением номера моды наблюдаться не должна.

В п. 5.2 обсуждаются характеристики и Конструктивные особенности широкополосных волноводных аналогов объемных акустооптических модуляторов на основе планарных волноводов и торцевых и квазипланарных пьезопреобразователей ПАВ [22, 50]. В элементах, использующих дифракцию направляемых мод на ПАВ, ввод света в волновод осуществлялся призмами связи, а его вывод - через участок волновода с переменными параметрами. Благодаря просветляющим покрытиям входной грани призмы и выходного торца подложки, а также оптимизации эффективности призменного ввода (г| « 90%), сквозное оптическое пропускание достигало 70%. Типичные значения дифракционной эффективности таких модуляторов составляли —50% в полосе частот -250 МГц при управляющей электрической мощности Рс = 500мВт. Другой тип модуляторов использовал дифракцию на ПАВ вытекающих ТЕ мод с их возбуждением при полном внутреннем, отражении обыкновенного луча от поверхности волновода. Здесь дифракционная эффективность достигала -20 - 30% в полосе частот от 200 то 300 МГц при той же величине Рс. Брэгговская дифракция в указанной голосе обеспечивалась сканированием ПАВ с помощью электродных лруктур ступенчатой формы на пути их распространения.

■В пп. 5.3, 5.4 представлены результаты исследования элементов и пакетов интегрально - оптических устройств [15, 51 - 53]. Исследованы .аракгерисгики волноводных геодезических и отражательных линз для (иффузионных волноводов в иМЬО;<, методы стыковки юлупроводниковых инжекционных гетеролазеров с такими волноводами. 1а основе планарных волноводов в ЫЫЬОз, торцевых и квазипланарных [ьезопреобразователей ПАВ, и разработанных пассивных нтегральнооптических элементов реализованы макеты гибридно . -нтегральных акустооптических анализаторов спектра радиосигналов етрового диапазона. Экспериментально продемонстрирована

возможность ввода информации с помощью топографических решеток в интегрально - оптические алгебраические процессоры.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

1. Отработаны методики формирования планарных оптических волноводов в ниобате лития высокотемпературной диффузией металлов и окислов, протонным обменом в расплавах некоторых органических кислот, и комбинированием данных процессов. Определены величины коэффициентов диффузии Л, Ре, Си и протонов в 1Д1ЧЬО* для типичных условий процессов легирования. Проведены детальные экспериментальные исследования характеристик полученных волноводов. Впервые обнаружен и исследован эффект вытекания света при распространении ТЕ мод в осевых направлениях в протонообменных волноводах У- и Х-срезов.

2. В случае формирования ФР направляемыми модами в планарных волноводах со ступенчатым профилем проведен анализ влияния Неоднородности фоторефрактивных свойств у поверхности кристалла на структуру наведенных электрических полей ФР на начальной стадии записи и в стационарном режиме. Показано, что распределения амплитуд наведенных полей зависят от соотношения величин периода решетки и толщины волновода, а также от степени неоднородности фоторефрактивных свойств. Показано, что неоднородность полей волноводных мод приводит к появлению нормальной к плоскости волновода компоненты электрического поля, которая при фотогальваническом механизме фоторефракции может формировать ФР, сдвинутую на тс/2 по отношению к световой интерференционной картине.

3. Проведены детальные экспериментальные исследования особенностей фоторефрактивных свойств планарных ьолноводов в 1ЛЧЬОз, формируемых методами одно - и многокомпонентного легирования. Выявлено существенное (на 7-8 порядков) возрастание темповой проводимости ЫЫЬО} при его легировании железом (при концентрации Ре выше. 0,1 вес.%) и преимущественное увеличение его фотопроводимости при легировании медью. Впервые обнаружен и исследован эффект компенсации темновой проводимости 1лЫЬОз:Ре при его дополнительном легировании медью. Показано, что в волноводах ЫЫЬОз^е, вследствие неоднородности концентрации Ре, времена записи и релаксации ФР, формируемых модами разного порядка, могут изменяться от долей секунды до сотен часов и более.

4. Впервые обнаружены и исследованы эффекты межмодовых параметрических фоторефрактивных взаимодействий направляемых мод в волноводах 1лКЬОз:Ре и 1ЖЮз:П:Ре, и параметрического взаимодействия вытекающих мод в структуре "волновод Ь5КЬО}:Си:И - призма

связи", позволяющие формировать при однолучевом воздействии ФР с периодами, определяемыми разницей эффективных ПП мод.

5. Bnqjubie обнаружены и исследованы эффекты параметрического взаимодействия излучагельных и вытехсакмцих, излучательных и направляемых мод в волноводах LiNbOjrFe и LiNbOrTnFe, с накачкой излучательной модой. Продемонстрировано однолучевое формирование ФР с периодом, определяемым углом падения волны накачки на поверхность волновода.

6. Впервые обнаружен и ■жепериментзлгдго псслсдовап эффект формирования динамических фотовольтаических линз в волноводах LiNbOjrFe, LiNbChrTi.-Fe, LiNbCb:Fe:Cu, существенно искажающих профили прошедших пучков при интенсивности света в волноводе, для которой величина фотопроводимости превышает величину темновой проводимости.

7. Предложены новые конфигурации электродных структур для возбуждения ПАВ в ниобате лития - торцевой и квазипланарный пьезопреобразователи. Продемонстрирована их высокая эффективность в диапазоне частот до 1000 МГц для YZ и XZ ориентации звукопроподов.

8. Рсолшоьан и экспериментально исследован метод возбуждения вытекающих мод волноводов в LiNbOj при полном внутреннем отражении обыкновенно поляризованных световых пучков от границы волновода.

9. Впервые реализованы и исследованы эффекты широкополосного акустооптического взаимодействия с преобразованием номера направляемых ТЕ мод в волноводах LiNbO?:Ti и H+:LiNb03:Ti, и с преобразованием вытекающей ТЕ моды в излучатель ную с некомпланарной геометрией в волноводе LiNbCh.Ti.

10. Реализован и исследован эффект записи фазовых решеток с периодом, определяемым частотой ПАТ], при дифракции направляемых ТЕ мод на ветре /пых скрещивающихся пучках ПАВ в волноводах LiNbOj:Ti:Fe.

11. При возбуждении вытекающих мод при полном внутреннем отражении света от поверхности волновода исследовацы некоторые особенности электрооггпгческих и термооптических полноводных ззаимодействий :

т) впервые реализован и исследован эффект электрооптической модуляции штенсивности света в волноводах LiNbOj:Fe и H+:LiNbOj:Ti; 5) исследованы температурные зависимости углов синхронизма зытекающих мод в волноводах LiNbOj:Tt и H+:LiNbOî:Ti, подтвержден |закт существенного изменения температурного коэффициента ^обыкновенного показателя преломления ниобата лития под влиянием фотонного обмена.

12. Па основе ¿анализа эффективности дифракции направляемых мод >азного порядка ira ПАВ в волноводе H'.l.iNbOifiï и на голографичсских

решетках в волноводе LiNb03:Cu:Ti, формируемых в подложке LiNbCb:Cu внешними световыми пучками, подтверждены факты деградации электрооптических свойств LiNbOj при протонном обменне и возникновения неоднородных наведенных упругих и электрических полей у поверхности кристалла при записи ФР в его объеме.

13. На основе проведенных исследований планарных волноводов, возбуждения ПАВ и волноводных акустооптичсских взаимодействий разработаны и реализованы широкополосные волноводные акустооптические модуляторы и макеты гибридно - интегральных акустооптических анализаторов cneicrpa радиосигналов, а также продемонстрирована возможность комбинации акустооптического и топографического методов ввода информации в интегрально - оптических алгебраических процессорах.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах

1. С.Б.Калинин, В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Способ изготовления интегральных световодов // Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР N784541 (1980).

2. А.И.Башкиров, В.М.Шандаров. Исследование оптических волноводов в ниобатс лития, полученных диффузией железа //ЖТФ.- 1989.- т.59.-вып.8.- с.66-69.

3. А.Башкиров, В.Шандаров. Планарные диффузионные волноводы LiNbOj:Fe для устройств интегральной оптики // В кн.: Физика и техника акустооптики: Межвуз. сб. Томск: Изд - во Томск, ун - та. - 1987. - с. 100 -109.

4. А.И.Башкиров, В.М.Шандаров, С.М.Шандаров, Г.И.Шварцман. Особенности распространения света в ионообменных планарных оптических волноводах H:LiNbOj II Письма в ЖТФ. - 1985. - т.11. - вып.5. -с. 302-305.

5. А.И.Башкиров, В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Распространение света в волноводных структурах с анизотропией оптических свойств //Изв. вузов СССР. Сер. Физика. - Томск. - 1988. - 15с. - Деп. в ВИНИТИ 11.04.88, N4060-B88.

6. A. Bashkirov, V. Shandarov, S. Shandarov. Proton-exchange planar multiplexers and coupling elements for integrated-optical processors on lithium niobate //Proc. SPIE.- 1993,- Vol. 2051, Optical Information Processing, pp. 840-845.

7. V.Shandarov, S.Shandarov, A.Bashkirov. Integrated - optical vector - matrix devices with holographic and acoustooptical information input // Proc. SPIE. - 1993. - Vol. 2051, Optical Information Processing. - pp. 401 - 409.

8. В.Л.Попов, В.М.Шандаров. Исследование планарных волноводов, полученных в ниобате лития последовательной диффузией титана и ыеди//ЖТФ. - 1991.-т.61.-вып.12.-с.88-92.

9. В.М.Шандаров. Эффекг компенсации темновой проводимости LiNb03:Fe при его легировании медью II Письма в ЖТФ. - 1995. - т. 21. -вып. 12.-с. 46-50.

10. V.Shandarov. Си Influence on Temporal Characteristics of Photorefraction in LiNbO.<:Fo Optical Waveguides // In: Photorefractive materials, Effects & Devices PR.M'95, Techn. Dig. of Top. Meet. (Boulder, USA, 1995), pp. 528-531. .

И. А.И.Башкиров, В.М.Шандаров, С.М.Шандароп. Исследование оптических волноводов в ниобате лития, созданных комбинацией диффузии титана и ионного обмена II Известия ВУЗов СССР. Сер.Радиоэлектроника. - 1987. - т.ЗО. - N11. - с.67 - 69.

12. A.Bashkirov, Yu.Solomonov, E.Savchenkov, S.Shandarov, V.Shandarov. Effect of technology on photorefraction in lithium niobate optical waveguides // Proc. SPIE. - 1994. - Vol. 2429 Optical Memory, pp. 198 -204.

13. A.Bashkirov, V.Shandarov, S.Shandarov, Yu.Solomonov. Photorefractive properties of optical waveguides formed in lithium niobate by

metal - assisted proton exchange II In: Photorefractive materials, Effects & Devices PRM'95, Technical Digest of Topical Meeting (Boulder, USA, 1995), pp. 524 - 527.

14. Ю.А.Соломонов, С.М.Шандаров, В.М.Шандаров, А.И.Башкиров. Фоторсфракшвиые характеристики планарных оптических волноводов II:Cu:LiNbOs:Ti И Оптика и спектроскопия. - 1996. - N2. - с. 342 - 347.

15. А.И.Башкиров, И.И.Иткин, Л.Я.Серебренников, Л.И.Шангина, В.М.Шандаров, С.М.Шапдаров. Гибридно - интегральный акустоопти-ческий процессор И В кн.: Акустооптические устройства радиоэлек-, тронных систем. - Л.:Наука, 1988, с.143 - 150.

16. В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Особенности записи голограмм в планарных огплческих волноводах LiNbOj:Fe// Письма в ЖТФ. - 1986. -т. 12. - вып.1. - с.48 - 51.

17. V.Shandarov, S.Shandarov, E.Kovalenko, L.Serebrennikov. Investigation of hologram recording in LiNbOj planar optical waveguides //Proc. Int. Symp. "Surface waves in Solids and layered structures".- Novosibirsk, 1986.-Vol.2.- P.241- 244.

18. A.Bashkirov, I.ltkin, V.Shandarov, S.Shandarov. Photorefractive effects in LiNbOa planar waveguides // In: Proc. of II Intern.Symp. on surface waves in solids and layered structures. - Varna. - 1989. - Vol.1. - pp. 168-170.

19. I.I.ltkin, E.S.Shandarov, V.M.Shandarov, S.M.Shandarov. Planar hologram arrays in photorefractive waveguides in LiNbOj // In.: Proc. of Top. Meet, on Photorefractive Materials, Effects and Devices II. - Orsay, France. -1990.-pp. 132- 135.

20. Glazov Gen., Itkin I., Shandarov V., Shandarov E., Shandarov S. Planar hologram gratings in photorefractive waveguides in LiNbOj // J. Opt. Soc. Amcr. B. -1990. -Vol.7. - No. 12. -pp. 2279 - 2288.

21. E.Savchenkov, S.Shandarov, V.Shandarov. The Photorefractive Planar Gratings Erasure in LiNbOj Gradient Waveguides II In Techn.Dig. of Top. Meet, on Photorefractive Materials, Effects and Devices PRM'93. -1993.-pp.224-227.

22. V.Shandarov, S.Shandarov. Investigation of leaky optical waves of anisotropic planar waveguides and their use in integrated optical elements U Proc. SPIE. - 1992. - Vol.1794 - Integrated Optical Circuits 2. - pp. 282 - 292.

23. В.М.Шандаров. Электрооптическая модуляция света при полном внутреннем отражении от поверхности ниобата лития с анизотропным оптическим волноводом П Письма в ЖТФ. - 1994. - т. 20. - вып. 21. - с.34 -39.

24. V.M.Shandarov, A.I.Bashkirov. Effect of proton exchange on elec-trooptic intensity modulation in LiNbOj waveguides with leaky modes // Proc. SPIE. - 1996. - Vol.2969, Second Intern. Confer, on Opt. Inform. Processing. -pp.252-256.

25. А-Д.Новиков, С.Г.Одулов, В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Межмодовое параметрическое рассеяние света топографического типа в планарных оптических волноводах LiNbOs:Fe // ЖТФ. - 1988. - т.58. -вып.8.-с. 1604- 1606.

26. A.Novikov, S.Odoulov, V.Shandarov, S.Shandarov. Parametric intermode scattering in LiNb03 planar waveguides // In Proc. of Top. Meet, on Photorefractive Materials, Effects and Devices II. - Orsay, France. - 1990,-pp. 201 - 204.

27. A.Novikov, S.Odoulov, V.Shandarov, E.Shandarov, S.Shandarov. Parametric intermode scattering in planar LiNbOj waveguides II J.Opt. Soc.Am. В.-1991.-Vol.8.-No.6.-pp. 1298- 1303.

28. V.Shandarov. Photorefractive parametric interaction of volume and leaky optical waves in planar waveguide on lithium niobate И In; Tech. Dig. of Top. Meet, on Photorefractive Materials, Effects ar-d Devices (USA).- 1991 Tech.Dig.Ser. Vol.14.- pp.456-459.

29. V.Shandarov, S.Shandarov. Single - beam formation of holographic diffractive gratings with arbitrary periods at photorefractive parametric interaction in planar waveguides on lithium niobate II In: Tech.Dig. of Top. Meet, on Integrated Photonics Research. - March 22 - 24, 1993, Palm Springs, USA.

30. V.Shandarov. Parametric Buildup of Photorefractive Gratings with Arbitrary Periods in Optical Waveguides on Lithium Niobate at Radiation Mode Pump II In: Tech. Dig. of Top. Meet, on Photorefractive Materials, Effects and Devices PRM'93. - August 11 - 15, 1993. - Kiev, Ukraine. - pp. 322 - 325.

31. В.М.Шандаров. Исследование параметрического формирования стационарных фазовых решеток в оптических волноводах' на ниобатс лития при взаимодействии излучателькых и вытекающих мод // В кн; Междунар. науч. - техн. конф. "Актуальные проблемы фундаментальны?

наук"- Сборн. докл. т Т.9. - сек. "Радио - опто - электр. и лазерная техника". - с.67 -70.-Москва.- 1993.

32. V.M.Shandarov. Photorefractive grating development while parametric interactions at radiation mode pump in lithium niobate optical waveguides //Proc. SPIE. - 1994. - Vol. 2429 Optical Memory. - pp. 188 - 197.

33. В.М.Шандаров. Светоиндуцированные динамические линзы в (Ьоторефрактивных оптических волноводах в ниобате литая II Письма в ЖТФ. -1996. - т. 22. - вып. 17. - с. 1 - 5.

34. V.Shandarov. Dynamic photovoltaic lenses in iron - doped optical waveguides on lithium niobate II In: Book of Abstracts of 3-rd Europ. Conf. ECAPD - 3, Bled, Slovenia. - 1996. - p. 66.

35. V.M.Shandarov, S.M.Shandarov. Spatial self-action of light beams in photorefractive optical waveguides II Proc. SPIE. - 1996. - Vol. 2969, Second Intern. Conference on Optical Information Processing, - pp. 158-162.

36. Л.Я.Серебренников, В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Широкополосное возбуждение упругих поверхностных волн СВЧ диапазона торцевым пьезоэлектрическим преобразователем II Письма в ЖТФ. 1979,-т.5,- вып.5,- 1979.- с.288-290.

37. Л.Я.Серебренников, В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Преобразователь акустических поверхностных волн Н Авт. свил. СССР N647892.

38. Л.Я.Серебренников, С.М.Шандаров, В.М.Шандаров. Преобразователь акустических поверхностных волн//Авт.свид. СССР N 1150778.

39. В.М.Шандаров, С.М.Шандаров, Исследование щелевых рэлеев-ских волн в системе "LiNb03-LiNb03" //В кн.: Материалы XII Всесоюзной конференции по акустоэлектроникз и квантовой акустике. - Саратов: ВИНИТИ, 1983. - Ч. 1. - с. 153-154.

40. В.М. Шандаров, С.М. Шандаров. Исследование щелевых акустических волн рэлеевского типа акустооптическим методом II В кн.: Физика и техника акустооптики: Межвуз. сборн. Томск: Изд. Томск, унта. - 1989. - с.16 - 24.

41. В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Исследование трансформации поверхностных акустических волн в системе "полупространство - слой" акустооптическим методом // XIH Всесоюзная конференция по акусто-электронике и квантовой акустике: Тез. докл. - Черновцы, 1986. - 4.1. С. 224-225.

42. В.Шандаров. Широкополосное акустооптическое взаимодействие с преобразованием мод в диффузионных оптических волноводах на ниобате лития II Письма в ЖТФ. -1981. - т. 7. - вып. 14. - с. 842 - 844.

43. A.Bashkirov, I.Itkin, L.Serebrennikov, V.Shandarov, S.Shandarov. Investigation of integrated acoustooptic elements for fiber - optic communication // In: Proc. Intern. Symp. on Electron. Devices, Circuits and Systems.- 1987, Kliaragpur, India.- V.2. - P.549 - 550.

44. V.Shandarov. Light modulation at its total internal reflection from anisotropic optical waveguide surface // Proc. SPIE. - 1994. - Vol. 2291, Integrated Optical Circuits 3. - pp. 316 - 326.

45. V.Shandarov, A.Bashkirov. Sensitive elements using leaky modes in Lithium Niobate optical waveguides // Proc SPIE. - 1994. - Vol. 2212. Linear and Nonlinear Integrated Optics. - p. 452 - 461.

46. V.Shaadarov, A.Bashkirov. Temperature characteristics of lithium niobate waveguide elements with light leakage // In: Proc. of Int. Symp. on Surface Waves in Solid and Layered Structures & Nat. Conf. on Acoustoelectronics (Moscow - St.Petersburg, May, 17 - 23, 1994). - 1995. - pp. 348-353.

47. А.И.Бзшкиров, В.М.Шаадаров. Тегрмооптические характеристики протонообменных оптических волноводов Н :LiNb03:Ti // Изв. ВУЗов. Физика. - 1995. - N7. - с. 84 - 91.

48. А.И.Башкиров, В.М.Шандаров, С.М.Шандаров. Влияние ионного обмена на характеристики акустооптического взаимодействия в планарных оптических волноводах на ниобате лития IIЖТФ.- 1988.- т.58,-вып.5,-с.961 - 963.

49. С.М.Шандаров, В.М.Шандаров. Исследование влияния границы фоторефрактивного пьезокристалла на структуру наведенных полей при записи голографических решеток II ЖТФ. - 1990. -т.60. - вып.2. - с. 106112.

50. V.Shandarov, A.Mandel, V.Popov, I.Antipov, N.Burimov, S.Shan-darov. Waveguide acousto - optic Bragg cells on lithium niobate II Proc. SPIE, Vol. 2155, Optoelectronic Signal Processing for Phased - Array Antennas 4. -1994.-p. 76-87.

51. В.В.Адамчук, Л.И.Шангина, В.М.Шандаров. Исследование методов стыковки инжекционных гегеролазеров с диффузионными гшанарными оптическими волноводами И Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.-1986. - т.29. - N3,-с. 48 - 53.

52. А.Башкиров, И.Иткин, Л.Серебренников, Л.Шангина, В.Шандаров. Исследование элементов гибридно - интегральных устройств акустооптики // В кн.: Физика и техника акустооптики: Межвузовский сборник. Томск: Изд - во Томск, ун-та. - 1987. - с. 96 - 105.

53. V.Shandarov, S.Shandarov. Holographic elements use in integrated acoustooptical vector - matrix multiplication devices // Proc. SPIE. - 1992. -Vol.l807 - Photonic Switching, pp. 335 - 344.



Президиум ВАК России I

(решение от

присудил ученую степень ДОКТОРА

и_нау

Начальник управления ВАК Росс: _ ____

т ' * * У / , / /У "

/ 7 * СУ / - / / —

томскии государственный университет систем

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

ШАНДАРОВ ВЛАДИМИР МИХАИЛОВИЧ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТА С ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ В ВОЛНОВОДНО - ОПТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ В НИОБАТЕ лития

(01.04.03 - радиофизика)

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

а

Томск. - 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................7

1. Планарные оптические волноводы в ниобате лития....................................18

1Л. Профили показателей преломления я поля волноводных

мод градиентных оптических волноводов,.,,,,,,,,,,.,, „.-.....,„....,„............19

IЛ Л. Профили показателя преломления планарных оптических волноводов, формируемых диффузией примеси из слоя конечной толщины............................................................................19

IЛ .2. Поля мод в градиентном волноводе с профилем показателя

преломления п(£) - сЬГ%...................................................................25

1.1.3. Численный метод нахождения полей мод планарных

градиентных волноводов.................................................................,31

1.2. Базовые (однокомпонентные) волноводные структуры в

ниобате лития.........................................................................,..........,.,..36

1.2.1. Формирование оптических волноводов в ниобате лихая методом высокотемпературной диффузии примесей......................36

1.2.2. Планарные волноводы в ниобате лития, формируемые высокотемпературной диффузией титана,...,....................................39

1.2.3. Планарные волноводы ЬЖЪОз^е. Параметры процесса диффузии и характеристики волноводных структур........................46

1.2.4. Протонообменные оптические волновода Н+ :1лМЬОз...................52

1.3. Оптические волноводы, формируемые в ниобате лития методами многокомпонентного легирования,,................,...........„„.....................62

1.3.1. Общие замечания о требованиях к характеристикам отдельных технологических процессов при формировании волноводов методами многокомпонентного легирования.............62

1.3.2. Оптические волноводы ЬШЪОз:ТкРе,.....................................•........63

1.3.3. Оптические волноводы, формируемые в ХдКЬОз последовательной диффузией Т1 и Си.,..,,........................................65

1.3.4. Оптические волноводы ЫКЮз:Ре:Си............................................72

1.3.5. Планарные волноводы H+:LiNb03:Ti...............................................74

1.3.6. Волноводы H+:Cu:LiNb03:Tis Н+:Ре:Ы1ЧЬОз:Т1 полученные ионным обменом в расплавах смесей бензойной кислоты с сожми и окислами металлов............................................................82

2. Зависимость фоторефрактивных характеристик оптических

волноводов в ниобате лития от типа легирующих примесей.......................88

2 Л, Влияние неоднородности фоторефрактивных свойств в

волноводной области на структуру наведенных электрических полей при формирований фоторефрактивных решеток........................88

2.1.1. Уравнение для потенциала наведенного поля при

формировании фоторефрактивных решеток в планарном волноводе с неоднородностью фоторефрактивных свойств............89

2Л ,2. Структура наведенных полей на начальном участке записи в

волноводе LiNb03:Fe Y среза..........................................................91

2.1.3. Структура наведенных полей фоторефрактивной решетки в

стационарном режиме...........................................................................................................Л 02

2,2, Особенности фоторефрактивных характеристик различных

волноводных структур в ниобате лития...............................................107

2.2.1. Методики исследования фоторефрактивных характеристик планарных волноводов................................................................... Л 08

2.2.2. Особенности проявления фоторефражтивного эффекта в оптических волноводах LiNbCbiTí.................................................Л 10

2.2.3. Фоторефракшвные характеристики планарных волноводов LiNbOstFe.........................................................................................Л Í3

2.2.4. Фоторефрактивные характеристики волноводов LiNb03:Ti:Cu....................................................................................124

2.2.5. Особенности фоторефракцж в волноводах LiNb03:Fe:Cu..........126

2.2.6. Особенности фоторефрактивных характеристик планарных волноводов H+:Cu:LiNb03:Ti. .......................................................133

2.2.7. Фоторефрактивные характеристики оптических волноводов H+:Fe:'LiNb03:Ti...............................................................................142

3. Проявления фоторефрактавного эффекта в оптических волноводах

в ниобате лития при однопучковом воздействии.......................................! 48

3 Л. Возбуждение вытекающих мод планарных анизотропных волноводов при полном внутреннем отражении света от границы "волновод - покровная среда".........................,.....................149

3.2. Фоторефрактивные параметрические взаимодействия в планарных

волноводах с участием направляемых и вытекающих мод................155

3.2.1. Параметрическое рассеяние света годографического типа при взаимодействии направляемых ТЕ мод в волноводах 1ЖЮ3:Ре и ЬШЬОзЛг.Ре..,..........................................................156

3.2.2. Параметрическое взаимодействие вытекающих мод в структуре "волновод ЫМЬОз:Си*Лт - при зма связи"....................Л 62

3.2.3. Фоторефражтивное параметрическое рассеяние вытекающих

мод в волноводах 1ЖЬОз:Ре,........................................................166

3.3. Фоторефрактивные параметрические взаимодействия с участием излучательных мод в волноводах Ь1МЬОз:Ре, 1ЖЬОз:ТкРе............Л 71

3.3.1. Параметрические фоторефрактивные взаимодействия с участием излучательных и вытекающих мод в волноводах 1ЖЬ03:Ре, Ш1ЬОз:Т1:Ре.................................................................171

3.3.2. Параметрические взаимодействия с участием излучательных

и направляемых мод в волноводе 1ЖЬОз:Тг.Ре.........«.....,...........178

3.4, Фоторефрактивное самовоздействие световых пучков в планарных волноводах с легированием Ре........................................182

3.4.1. Экспериментальная методика и волноводные образцы,................183

3.4.2. Экспериментальные результаты......... ...........................................187

3.4.3. Обсуждение экспериментальных результатов......................,„„..,., 191

4. Особенности акустооптических, электрооггшческих н термоопшческих

взаимодействий в оптических волноводных структурах...........................Л97

4.1. Возбуждение поверхностных акустических волн в ниобате лития......197

4.1.1. Широкополосное возбуждение поверхностных акустических волн в ниобате лития торцевым и квазишганарным

преобразователями,,........................................................................198

4Д.2. Возбуждение поверхностных акустических волн с

использованием щелевых рэлеевских волн.....................................203

4.1.3. О возможности возбуждения поверхностных акустических волн при отражений объемных акустических пучков в слоистых структурах.......,........................................................2!. I

4.2. Особенности акустооитического взаимодействия в оптических волноводах............................................................................................214

4.2.1. Исследование широкополосной дифракции с преобразованием

ТЕ мод в ошических волноводах ЬШЬОз:Т1, Н*:Ь£Ш>Оз:Т1,......214

4.2.2. Брэгтовское акустооптическое взаимодействие в волноводе иМЬСь,:Т1 с участием вытекающих ТЕ мод, возбуждаемых при полном внутреннем отражении обыкновенного луча от поверхности волновода...................................................................217

4.2.3. Широкополосное некомпланарное АОВ с участием вытекающих ТЕ волн в волноводе 1ЖЬОз;Т1,„.........................,219

4.2.4. Формирование голографических решеток при дифракции света на скрещивающихся пучках ПАВ в волноводах ЫИЬОзгРе........................................................................................224

4.3. Электрооптическое взаимодействие с участием вытекающих

мод в диффузионных и протонообменных планарных волноводах...230

4.3Л, Электрооптическая модуляция интенсивности в планарных

волноводах Ъ1МЬОз:Ре, 1лКЬОз:Т1.................................................230

4.3.2. Особенности элекхрооптичеекой модуляции интенсивности в

протонообменных волноводах........................................................235

4.4. Исследование термооптических характеристик оптических волноводов с утечкой............................................................................238

4.4.1. Температурные зависимости условий возбуждения вытекающих мод при полном внутреннем отражении света

от границы волновода.....................................................................239

4.4.2. Температурные коэффициенты углов синхронизма в

волноводах LiNb03:Ti, Н+:1ЖЬОз:Т1...........................................243

5. Приложения эффектов взаимодействия света с физическими полями в исследованиях поверхности LiNbOs и реализации интегральнооптических компонентов и устройств.....................................256

5.1. Исследование неоднородности физических свойств и нолей вблизи поверхности по характеристикам волноводных взаимодействий..................................„......„....................................,..„256

5 л Л. Исследование возмущения электрооптических свойств ниобата лития в протшообменных волноводах

H+:LiNb03iTi акустооптическим методом......................................257

5.1.2, Исследование приповерхностных полей, наведенных при формировании гояографических решеток объемными световыми пучками в фоторефражтивных кристаллах,..,..............260

5.2. Планарные акустоопгаческие модуляторы..........................................272

5.2.1. Планарный акустооптический модулятор с дифракцией направляемых мод на ПАВ.............................................................273

5.2.2. Планарный акустооптический модулятор на основе волновода с утечкой.......................................................................276

5.3. Гибридно - интегральные акустоопшческие процессоры...............„„277

5.3.1. Пассивные волноводаые элементы интегральнооптических устройств.........................................................................................278

5.3.2. Стыковка дискретных элементов с оптическими волноводами,....283

5.3.3. Макеты гибридно - интегральных акустооптических

устройств..........................................................................................284

5.4. Интегрально - оптические векторно - матричные процессоры........... 288

5.4.!. Схемы процессоров на основе интегральной оптики.....................289

5.4.2. Экспериментальная демонстрация возможности комбинации

акустооптического и голографического ввода информации в

планарный алгебраический процессор...........................................29.1

Заключение.......................................................................................................295

Литература......................................,............................................................„299

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации определяется тем, что волноводно -оптические структуры на основе электрооптических кристаллов в течение всего периода формирования и развития концепций интегральной оптики являются объектами первостепенного внимания в плане как научных исследований, так и технических приложений [1-3]. В первую очередь это относится к оптическим волноводам в ниобате лития (ЫМЬОз) из - за уникального комплекса его оптических, акустических, пьезоэлектрических и электрооптических свойств и высокой технологичности [4, 5]. Поэтому создание в ниобате лития высококачественных волноводных слоев методами обратной диффузии окиси лития [6], высокотемпературной диффузии титана [7] и протонно - литиевого обмена |8, 9] обозначило этапные моменты в развитии интегральной оптики.

К настоящему времени на основе оптических волноводов в 1ЖЬОз реализован целый ряд элементов и устройств для целей оптической обработки информации [10 - 12] и оптической связи [13, 14], часть из которых производится серийно несколькими зарубежными фирмами. Подобные базовые элементы используют эффекты волноводных акустооптических и электрооптических взаимодействий. В волноводных структурах в 1лМЬОз наблюдается и фоторефрактивный эффект, что позволяет реализовать в них даже при крайне низкой оптической мощности нелинейное взаимодействие световых волн, приводящее к формированию динамических голограмм [15, 16], представляющих интерес для целей оптической памяти.

На характеристики волноводно - оптических взаимодействий оказывает значительное влияние неоднородный характер возмущений в водиоводной

V V «У

области, обусловленный наличием границы раздела с покровной средой, а также возмущением физических свойств материала в приповерхностном слое. Специфические особенности волноводных световых полей (неоднородность амплитуда в направлении нормали к поверхности и распространение в заданном направлении нескольких мод с разной поляризацией и разными

фазовыми скоростями) также приводят к заметным отличиям количественных характеристик волноводных взаимодействий по сравнению с объемными аналогами, и даже к качественно новым эффектам.

В публикациях, имеющихся к началу соответствующих этапов данной работы, возмущения вместе с показателем преломления и других свойств материала при формировании волноводных структур методами поверхностного легирования принимались во внимание в редких случаях. Основной задачей считалось создание слоя с повышенным показателем преломления и низкими оптическими потерями с помощью одной легирующей примеси. При разработке волноводных акустооптических и электрооптических управляющих элементов преимущества, обусловленные спецификой волноводных полей, также использовались лишь в отдельных случаях, хотя в ряде работ отмечена высокая эффективность акусто- и электрооптических взаимодействий с участием вытекающих мод [17, 18], акустооптических взаимодействий направляемых мод разной поляризации и разного порядка [19, 20]. Не уделялось достаточного внимания и взаимодействиям световых волн на фоторефрактивной нелинейности в волноводных структурах на основе электрооптических кристаллов, хотя проявления фоторефрактивного эффекта в трехмерных средах и их возможные приложения в целях оптической обработки информации и оптической памяти изучались весьма интенсивно [21 - 23]. Таким образом, многие потенциальные преимущества волноводно - оптических взаимодействий, перспективных для построения интегральнооптических элементов и устройств, оставались не реализованными.

В связи с изложенным, целью диссертационной работы являлось развитие нового научного направления в интегральной оптике, связанного с разработкой физических основ построения волноводно - оптических элементов для оптической обработки информации, оптической памяти и нелинейной интегральной оптики. В рамках этого направления решались задачи:

- разработка методик формирования и исследования характеристик волноводно - оптических структур в ниобате лития с возможностью варьирования физических свойств материала, актуальных для заданных приложений, путем многокомпонентного легирования;

- исследование основных закономерностей взаимодействия световых волн на возмущениях различной природы в волноводных структурах и их особенностей, обусловленных спецификой волноводных световых полей и возмущением физических свойств материала в волноводной области, позволяющих реализовать в разрабатываемых элементах все преимущества волноводно - оптических взаимодействий,

Основные научные положения, выносимые на защиту

1) Многокомпонентное легирование поверхности ниобата лития примесями П, Ре, Си (с их средней концентрацией в легированной области до одного весового процента) и Н+, с использованием методов диффз'зии, протонно - литиевого обмена и их комбинаций, позволяет формировать

волноводно - оптические структуры с целенаправленным варьированием \

физических свойств материала в волноводном слое с диапазоном: повышения темновой проводимости, фотопроводимости и фоторефрактивной чувствительности - до 7 4- В порядков; увеличения оптического поглощения -до десятков дБ/см; снижения электрооптических коэффициентов и температурного коэффициента необыкновенног о показателя преломления - до нескольких раз.

2) Возмущения физических свойств кристалла в приповерхностной области, обусловленные поверхностным легированием, и неоднородности физических полей, связанные с влиянием границы раздела, обнаруживаются, а их структура реконструируется, по характеристикам акустооптических,

электрооптических, фоторефрактивных и термооптических взаимодействий в планарных волноводах, сформированных у данной поверхности, при сравнимых размерах масштаба неоднородности и толщины волновода.

3) При синхронизме фазовых скоростей вытекающей и обыкновенной излучательной мод, вытекающие моды оптических волноводов в ниобате лития X и У срезов возбуждаются при полном внутреннем отражении обыкновенно поляризованных световых пучков от границы "волновод -покровная среда", соответствующем излучательной моде, с эффективностью, достигающей величины эффективности призменного метода. На основе вытекающих мод реализуются эффективные фоторефрактивные, акустооптические, электрооптические и термооптические взаимодействия.

4) В оптических волноводах в ниобате лития, легированных железом, при его неоднородном распределении по глубине, средней концентрации выше 0,2 -г 0,5 вес..%, различии средних концентраций Бе для разных мод на десятки процентов, и преобладании темновой проводимости над фотопроводимостью, двухлучевое формирование фоторефрактивных решеток модами разного порядка обеспечивает времена их формирования от долей секунды до часов, а хранения - от долей секунды до месяцев.

5) В планарных волноводах в н