ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2016 года по МПК G02B6/126 G02B5/30 

Настоящее изобретение относится к устройствам интегральной оптики и может быть использовано для изготовления интегрально-оптических схем, требующих высокой степени выделения линейной поляризации света, например, таких как фазовые интегрально-оптические модуляторы в составе волоконно-оптических гироскопов или амплитудные модуляторы с высоким коэффициентом экстинкции. Более конкретно настоящее изобретение относится к интегрально-оптическим волноводам на подложке ниобата лития, поддерживающим распространение только одной заданной линейной поляризации света (поляризаторам).

Интегрально-оптические схемы представляют собой волноводные структуры с различной функциональностью, такие как передающие линии, модуляторы, поляризаторы и т.д. Для интегрально-оптических схем на основе ниобата лития (LiNbO₃) характерны следующие конструкции: протонно-обменные оптические волноводы, встроенные в подложку из ниобата лития и титан-диффузионные оптические волноводы, также встроенные в подложку из ниобата лития.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 6374005, МПК G02B 6/13, опубликован 16.04.2002), включающий подложку из кристалла ниобата лития, оптический волновод, сформированный в верхней поверхности подложки из ниобата лития, образованный обменом ионов лития Li⁺, входящих в состав кристалла, на протоны H⁺, и два электрода, расположенные вблизи оптического волновода.

Недостатком известного устройства, представляющего собой образованный в подложке ниобата лития протонно-обменный волновод, является то, что в приповерхностном слое кристалла формируются различные дефекты, благодаря резким изменениям фазового состава этой части интегрально-оптического волновода в течение как протонного обмена, так и послеобменного отжига. Появление значительного количества дефектов приводит к формированию приповерхностного нарушенного слоя, вызывая значительное рассеивание света и, как следствие, заметный рост оптических потерь (0,5 Дб/см) в изготавливаемом интегрально-оптическом волноводе. Помимо этого данная конструкция обладает высокой температурной восприимчивостью. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения на последующие технологические операции, требующие высоких температур, например термодиффузия, а также условия эксплуатации таких поляризаторов.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 8189981, МПК G02B 6/10, опубликован 29.05.2012), включающий кристаллическую подложку из ниобата лития, сформированный в верхней поверхности подложки оптический волновод, образованный путем воздействия на верхнюю поверхность подложки из ниобата лития мягким протонно-обменным раствором, содержащим протонно-обменную кислоту и литиевую соль протонно-обменной кислоты при температуре, меньшей точки кипения раствора при атмосферном давлении, и последующего отжига мягкого протонно-обменного слоя в парах воды для предотвращения образования воды из протонов ниобата водорода и испарения из верхней поверхности подложки.

Известный интегрально-оптический элемент, состоящий из подложки из ниобата лития и сформированного в ней протонно-обменного волновода, имеет значительные оптические потери (0,5 Дб/см), которые к тому же возрастают при росте температуры.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 4329016, МПК С23С 10/00, С23С 10/28, С30В 31/00, опубликован 11.05.1982), включающий подложку из ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод с концентрацией ионов титана, образованный термической диффузией титана из нанесенной на поверхность подложки композитной пленки, содержащей окись титана и двуокись кремния. Концентрация ионов титана подбиралась так, чтобы обеспечить минимальные потери в волноводе.

Известный интегрально-оптический элемент имеет ненарушенный приповерхностный слой, однако он поддерживают распространение как обыкновенной, так и необыкновенной волн и не обладает свойством выделения поляризации проходящего через него света.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 4789212, МПК G02B 06/126, опубликован 12.03.1998), включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод шириной 4-8 мкм, образованный термической диффузией титана, нанесенный на оптический волновод диэлектрический слой из ZnO толщиной 200-2000 ангстрем, поверх которого нанесен слой алюминия толщиной более 1000 ангстрем.

Известный интегрально-оптический элемент обладает способностью выделять линейную поляризацию проходящего через него светового излучения, однако он достаточно сложен в изготовлении.

Известен интегрально-оптический элемент, работающий в диапазоне длин волн 1500-1600 нм, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (I.V. Il′ichev, N.V. Toguzov, А.V. Shamray, "Plasmon-polariton polarizers on the surface of single-mode channel optical waveguides in lithium niobate", Technical Physics Letters, September 2009, Volume 35, Issue 9, p.p. 831-833). Устройство-прототип включает подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-8 мкм и толщиной 100-120 нм, нанесенной на поверхность подложки, диэлектрический буферный слой из A₂O₃ нанесенный поверх оптического волновода, и алюминиевую пленку, нанесенную на диэлектрический буферный слой. Глубина оптического волновода в интегрально-оптическом элементе-прототипе составляла 5,0-7,0 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе не превышала 10²⁷ м^-3. Сформированный в подложке из кристалла ниобата лития волновод поддерживал как обыкновенную, так и необыкновенную поляризации. Буферный слой из A₂O₃ толщиной 15 нм, алюминиевая пленка толщиной 100 нм предназначены для возбуждения плазмонно-поляритонных мод и подавления моды, поляризованной перпендикулярно границе раздела металл/диэлектрик.

Такая конструкция интегрально-оптического элемента, обладающего свойством выделения поляризации, характеризуется высоким коэффициентом выделения заданной поляризации (19 Дб/мм) и отсутствием температурной восприимчивости, однако устройство-прототип имеет значительные оптические потери, и для его изготовления необходимо использовать сложный технологический процесс, требующий дополнительное напыление слоев с высокой точностью по толщине (±5 нм).

Задачей настоящего изобретения разработка такого интегрально-оптического элемента, работающего в диапазоне длин волн 1500-1600 нм, который бы имел более простую по исполнению конструкцию и при этом сохранял свойство выделения поляризации, а также имел низкие оптические потери.

Поставленная задача решается тем, что интегрально-оптический элемент включает подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки, при этом глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·10²⁸ м^-3.

Новым в интегрально-оптическом элементе является то, что оптический волновод выполнен термической диффузией титана из титановой полоски таким образом, что образовываемый волновод имеет глубину 3-4 мкм и максимальную концентрацию ионов титана (1-5)·10²⁸ м^-3. Данные параметры оптического волновода обеспечивают, с одной стороны, распространение только одной поляризации и, с другой стороны, низкий уровень потерь. При концентрации ионов титана менее 10²⁸ м^-3 волновод начинает поддерживать две ортогональные поляризации (обыкновенную и необыкновенную). Концентрацию ионов титана более 5·10²⁸ м^-3 затруднительно получить при глубине оптического волновода 3-4 мкм, помимо этого концентрации свыше 5·10²⁸ также приводят к увеличению потерь. При глубине оптического волновода менее 3 мкм возрастают потери. При глубине волновода более 4 мкм сложно обеспечить максимальную концентрацию ионов титана в сформированном волноводе более 10²⁸ м^-3.

В отличие от устройства-прототипа, в настоящем интегрально-оптическом элементе используются анизотропные свойства кристалла ниобата лития, что приводит к различной величине изменения показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн в образованном в подложке из кристалла ниобата лития оптическом волноводе. Было обнаружено, что существует диапазон глубин оптического волновода и концентраций ионов титана в оптическом волноводе, сформированном методом термической диффузии титана в кристалл ниобата лития, при котором, с одной стороны, оптический волновод обладает низкими потерями, что необходимо для качественных интегрально-оптических элементов, а с другой стороны, не поддерживает распространение по оптическому волноводу обыкновенной волны света. Данный интервал глубин оптического волновода составляет 3-4 мкм, а концентрация ионов титана составляет (1-5)·10²⁸ 1/м³.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематически показано в поперечном разрезе настоящее интегрально-оптическое устройство (h - глубина оптического волновода);

на фиг. 2 приведена зависимость длин волн отсечки для обыкновенной и необыкновенной волн, распространяющихся в оптическом волноводе, сформированном в подложке из ниобата лития, от концентрации титана в оптическом волноводе.

Настоящую конструкцию интегрально-оптического элемента изготавливают следующим образом: на подложке 1 ниобата лития (см. фиг. 1) формируют полоску титана. После этого проводят высокотемпературный отжиг при температуре 1000-1100°C, в течение времени, необходимого для достижения глубины диффузии 3-4 мкм, необходимой для формирования оптического волновода 2, и достижения в образовываемом оптическом волноводе 2 концентрации титана (1-5)·10²⁸ 1/м³.

Для изготовления интегрально-оптического элемента, работающего в качестве поляризатора в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1500-1600 нм), ширина полоски обычно лежит в диапазоне от 3 до 7 мкм, а ее толщина в диапазоне от 60 до 80 нм, время отжига не превышает 5 часов.

В соответствии с настоящим изобретением было изготовлено 3 образца интегрально-оптического элемента на подложке из кристалла ниобата лития. Использовали подложки из кристалла ниобата лития X среза. На подложках при помощи магнетронного напыления формировали полоски титана различной ширины от 3 до 7 мкм и толщиной 80 нм. Затем производили термодиффузию титана при температуре 1050°C в течение различных времен отжига. В результате, за счет термодиффузии, формировалась область повышенного показателя преломления, являющаяся оптическим волноводом. Один образец имел максимальную концентрацию титана 10²⁸ 1/м³ и глубину диффузии 3 мкм, второй образец имел максимальную концентрацию титана 5·10²⁸ 1/м³ и глубину диффузии 4 мкм, третий образец имел максимальную концентрацию титана 3,5·10²⁸ 1/м³ и глубину диффузии 3,5 мкм. Все три образца обеспечивали распространение необыкновенно поляризованной волноводной моды и отсечку и вытекание обыкновенно поляризованной моды в диапазоне длин волн 1500-1600 нм. Из фиг. 2 видно, что для длины волны телекоммуникационного диапазона 1,55 мкм при концентрациях титана в сформированном волноводе свыше 1·10²⁸ м^-3 обыкновенная волна не распространяется по оптическому волноводу. Экспериментально был измерен коэффициент выделения поляризации для каждого образца. Для всех образцов коэффициент выделения поляризации превышал 40 Дб/см. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с проведенным теоретическим моделированием с использованием литературных данных по коэффициентам диффузии титана (см. М. Fukuma, J. Noda and H. Iwasaki, "Optical properties in titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides," J. Appl. Phys., vol. 49, no. 7, pp. 3693-3698, Jul. 1978).

Таким образом, настоящая конструкция интегрально-оптического элемента на подложке из кристалла ниобата лития обеспечивает высокий коэффициент выделения заданной поляризации, низкие оптические потери, низкую температурную восприимчивость и простоту изготовления в одном технологическом процессе. Более того, настоящая конструкция интегрально-оптического элемента позволяет изготавливать сложные схемы, поддерживающие распространение обеих собственных поляризаций, где участки выделяют поляризацию, топологией полосок титана.

Интегрально-оптический элемент, включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки. Глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·10²⁸ м^-3. Интегрально-оптический элемент имеет простую по исполнению конструкцию и при этом сохраняет свойство выделения поляризации, а также имеет низкие оптические потери. 2 ил.

Интегрально-оптический элемент, включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки, при этом глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·10²⁸ м^-3.