СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ В НИОБАТЕ ЛИТИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02B6/13 

Изобретение относится к интегральной оптике, а именно к способам создания оптических канальных волноводов, и может быть использовано при создании активных элементов из монокристалла ниобата лития.

Известен способ создания оптических титандиффузионных волноводов на основе монокристалла ниобата лития, с нанесенной на нее металлической полоской титана толщиной 800А^o, помещают в печь при температуре 1025^oC и в течение 6 ч проводят диффузию титана с целью создания оптического волновода.

Недостатком данного способа является обратная "паразитная" диффузия Li₂O из подложки монокристалла ниобата лития в процессе диффузии полоски титана, что приводит к созданию наряду с канальными титандиффузионным волноводом оптически планарного волновода для необыкновенной волны.

Известны способы частичного подавления обратной "паразитной" диффузии Li₂O, но они не позволяют полностью избавиться от нее.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления оптических канальных волноводов, включающий размещение подложки из монокристалла ниобата лития с полоской металлического титана в герметично закрытый платиновый контейнер, который помещают в печь при 1000^oC. Диффузией титана в подложку из монокристалла ниобата лития создают оптический титандиффузионный канальный волновод.

К недостаткам данного способа относится неполное подавление экзодиффузионного Li₂O оптического планарного волновода, что в итоге приводит к понижению оптического контраста полезного оптического сигнала, распространяющегося по оптическому канальному титандиффузионному волноводу, а также дороговизна, обусловленная применением в технологическом процессе дорогостоящих металлов, т.е. платинового контейнера.

Цель изобретения повышение оптического контраста (сигнал-шум) оптических канальных волноводов в ниобата лития.

Для достижения поставленной цели полированные подложки из монокристалла ниобата лития предварительно подвергают температурному воздействию не менее 20 ч при 900-1100^oC. После чего проводят диффузию титана, формируя оптический канальный волновод.

Предлагаемый способ обоснован теоретической моделью, учитывающей изменения значения показателя преломления монокристалла ниобата лития от концентрации групп типа Li₂O в объеме кристаллической подложки и на ее поверхности.

На фиг. 1 изображен участок монокристалла ниобата лития; на фиг. 2 - зависимость концентрации группы Li₂O от времени температурного воздействия на подложку из монокристалла ниобата лития; на фиг. 3 - зависимости эффективного показателя преломления экзодиффузионного Li₂O волновода от времени температурного действия на подложку из монокристалла ниобата лития; на фиг. 4 -зависимости оптического контраста (сигнал/шум) оптических канальных титандиффузионных волноводов от времени температурного воздействия на подложку из монокристалла ниобата лития.

Согласно модели Пенна теории ковалентных связей с учетом кристаллографической структуры монокристалла ниобата лития была вычислена энергия связи, удерживающая ион в узле кристаллической решетки. Было определено, что минимальная энергия связи соответствует группе Li₂O и что с увеличением температурного воздействия на монокристалл ниобата лития, вероятность отрыва группы Li₂O от кристаллической решетки максимальна по сравнению с другими группами связанных между собой ионов.

Рассмотрим поверхностный слой участка монокристалла ниобата лития в виде сплошной изотропной среды. Разобъем его на две области (фиг. 1):
1.Внутренняя область.

2. Поверхностная (волноводная) область.

3. Область газовой фазы.

Количество наиболее слабо связанных с остальной кристаллической решеткой монокристалла ниобата лития групп атомов Li₂O, приходящихся на единицу объема в области 1, обозначим N₁, а в области 2 N₂. В отсутствие температурного воздействия N₁ N₂. В процессе температурного воздействия на монокристалл ниобата лития, за счет диффузии групп атомов Li₂O из области 1 и в область 2 вдоль направления X происходит уменьшение концентрации групп Li₂O в области 1 по закону:

а для области 2 концентрация групп Li₂O увеличивается по закону:

где σ₁, σ₂ вероятность туннелирования диффундирующей группы Li₂O из области 1 в область 2 и из области 2 в газовую фазу, т.е. область 3, фиг. 1;
t время диффузии, т.е. время температурного воздействия на монокристалл ниобата лития.

Решая уравнение (2) при начальном условии
t 0
N₂(O) N₂₀ N₁₀
получим:

Полагая, что потенциальный барьер, через который туннелирует группа Li₂O, отрываясь от решетки прямоугольный, находим, что σ₂ > σ₁ Характер изменения концентрации группы Li₂O со временем, т.е. N₂(t) при σ₂ > σ₁ представлен на фиг. 3. В результате диффузии групп Li₂O, в процессе температурного воздействия на подложку из монокристалла ниобата лития из образца относительная концентрация атомов Nb и электронов, а вместе с этим и плотность вещества в области 2 увеличиваются. Это приводит к временному увеличению показателей преломления поверхностного слоя подложки из монокристалла ниобата лития, величина которого по мере дальнейшей диффузии группы Li₂O из области 1 в область 2 и выравнивание их концентрации в области 2 вновь возвращается к исходному значению. Так например, на фиг.3 представлены зависимости эффективного показателя преломления оптического волновода, обусловленного диффузией групп Li₂O, от времени температурного воздействия T 1000^oC на подложки из монокристалла ниобата лития. Кривая 1 расчетная, кривая 2 экспериментальная. Значение эффективного показателя преломления оптического волновода рассчитывались и измерялись для длины волны оптического излучения λ_o 630 нм.

На фиг. 4 представлены зависимости оптического контраста сигнул/шум оптических титандиффузионных волноводов от времени температурного воздействия T 1000^oC на подложку из монокристалла ниобата лития ( λ_o 630 нм).

Кривая 1 соответствует оптическим канальным титандиффузионным волноводам, сформированным на полированных подложках из монокристалла ниобата лития "X"-среза диффузией пленки титана толщиной d 230 в атмосфере воздуха при 1000^oC в течение 8 ч, ширина оптических канальных титандиффузионных волноводов 5 мкм. Кривая 2 соответствует оптическим канальным титандиффузионным волноводам, сформированным на полировальных подложках из монокристалла ниобата лития "X"-среза диффузией титана толщиной d 175 в атмосфере при 1000^oC в течение 8 ч, ширина оптических канальных титандиффузионных волноводов 5 мкм.

Из зависимостей (1) и (2) (фиг. 4) видно, что с ростом времени предварительного температурного воздействия на полировальные подложки из монокристалла ниобата лития оптический контраст оптического сигнала монотонно растет и при временах, превышающих 25 ч, наблюдается насыщение. Анализ данных кривых (фиг. 4) показывает, что оптические канальные титандиффузионные волноводы, изготовленные на подложках из монокристалла ниобата лития, подверженных предварительному температурному воздействию, имеют оптический контраст светового сигнала выше на 8-10 дБ в сравнении с оптическими канальными титандиффузионными волноводами, изготовленными на подложках из монокристалла ниобата лития, не подвергающихся предварительному температурному воздействию.

Использование: при создании активных элементов волноводной оптоэлектроники на основе подложек из монокристалла ниобата лития. Сущность изобретения: полированные подложки из монокристалла ниобата лития предварительно подвергают температурному воздействию не менее 20 ч при 900+1100^oC, после чего проводят диффузию титана, формируя оптический канальный волновод. 4 ил.

Способ создания оптических канальных волноводов, включающий в себя термодиффузию пленки титана в подложку из монокристалла ниобата лития, отличающийся тем, что полированные подложки из монокристалла ниобата лития подвергают предварительному температурному воздействию не менее 20 ч при температуре 900 1100^oС.