Способ изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических кристаллах Советский патент 1992 года по МПК G03H1/18 

1

(21)4769493/25

(22) 19.12.89

(46) 15.12.92. Бюл. №46

(71)Кемеровский государственный университет

(72)С.М.Кострицкий. О.М.Колесников и Р.Ш.Маньянов

(73)С.М.Кострицкий (56) Заявка ЕПВ

№ 0219845,кл. G 02 В 5/18,1987.

Заявка ЕПВ № 0188919, кл. G 02 В 5/18, 1986

Amodei I.I.. Staebler P L Holographic pattern fixing in Electrooptic crystals.-Appl. Phys. Lett., 1971, v 18 № 12, p 540.

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА СЕГНЕТОЭЛЕКТ- РИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ (57) Сущность: сегнетоэлектрический кристалл экспонируют интерференционной картиной, образованной когерентными пучками, и нагревают его до 160-180°С. Далее кристалл охлаждают ДЬКомнатной темпера- туры.-облучают УФ-светом дозой облучения 0,24-0,9 кДж/см2 и помещают в расплав монокарбоновой кислоты. Кристалл выдерживают в расплаве 50-300 мин. В приповер- хностном слое кристалла получают амплитудно-фазовую голограмму. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области интегральной оптики и может быть использовано в оптоэлектронных устройствах, в частности, в модуляторах и преобразователях лазерного излучения.

Известен способ получения периодических структур на кристаллической подложке. Он заключается в организации двойных элементов, которые регулярно устроены и включают выпуклые и вогнутые участки, имеющие различные толщины, и изготовлены из материалов с различным показателем преломления Однако в качестве подложки в данном способе используют полупроводниковые кристаллы достаточного низкого оптического качества, выращивание которых представляет довольно сложную дорогостоящую операцию К тому же технология приготовления периодических структур на их основе страдает вынужденной трудоемкостью.

Также известен способ изготовления периодических структур на кристаллической подложке, заключающийся в записи объемных фазовых голограмм при помощи традиционной экспонирующей системы. Затем селективным травлением получают пря- моугольный профиль штрихов дифракционной решетки, который последующим травлением сглаживается до выпукло-вогнутого вида.

Недостатком данного спос оба является сложность технологии получения периодических структур на кристаллической подложке путем создания выпукло-еогнутого профиля ее поверхности, что сопряжено с серией операций селективного травления объемной фазовой голограммы, записанной в полупроводниковом кристалле.

Кроме того, данные периодические структуры обладают относительно невысокими оптическими характеристиками, приводящими, в конечном счете, к

VJ

00

N Сл N W

СО

значительному паразитному рассеянию и уменьшению контрастности в результирующих оптических сигналах (при использовании их в преобразователях лазерного излучения и других устройствах нелинейной оптики).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления периодических структур на сегнетоэлектриче- ских кристаллах, заключающийся в записи объемных фазовых голограмм путем экспонирования поверхности кристалла интерфе- ренционной картиной, образованной когерентными пучками, и в последующем термическом фиксировании записанных голограмм с помощью нагрева кристалла до 120-300°С.

Недостатком известного способа является весьма низкий контраст получаемых периодических структур, т.е. отличие в оптических параметрах, между объемом кристалла и областями кристалла, соответствующими штрихам фиксированной голограммы, незначительно. Так для показателя преломления это различие

составляет Ап 10 , а для других оптических параметров различие еще менее значительно, т.к. фиксированная голограмма является фазовой

Кроме того, данные периодические структуры имеют узкий круг областей применения. Они используются для записи, хранения и распознавания оптической информации и не могут быть использованы в модуляторах и преобразователях лазерного излучения, в интегрально-оптических устройствах на основе канальных и пленарных волноводов из-за принципиальных ограничений, связанных с низким контрастом и невозможностью выделения приповерхностного слоя

Таким образом, целью изобретения является получение периодических структур . на сегнетоэлектрических кристаллах с повышенным контрастом, обеспечивающим расширение области применения этих структур.

Использование способа позволит повысить оптический контраст получаемых периодических структур по сравнению с прототипом в 100 раз Так предлагаемый способ позволяет реализовать .1. тогда как известный способ дает только

-О

Кроме того, предлагаемый способ позволит расширить область применения данных периодических структур т к. повышенный контраст и возможность выделения приповерхностного слоя создают новые возможности использования этих

структур в модуляторах и преобразователях частоты лазерного излучения (генераторы второй гармоники, параметрические генераторы), основанных на волновом квазифазовомсинхронизмеив

интегрально-оптических устройствах на основе канальных и пленарных волноводов.

Поставленная цель достигается тем. что при осуществлении способа изготовления

0 периодических структур на сегнетоэлектрических кристаллах, включающего экспонирование поверхности кристалла интерференционной картиной, образованной когерентными пучками и термическое

5 фиксирование голограммы, голограмму фиксируют в приповерхностном слое кристалла при 160-180°С, охлаждают его до комнатной температуры, облучают УФ-све- том дозой излучения 0,24-0,9 кДж/см2, по0 мещают в расплав монокарбоновой кислоты и выдерживают в нем в течение 50-300 мин. При записи объемных фазовых голограмм в сегнетоэлектрических кристаллах на периферии освещенных участков интер5 ференционной картины образуются области с повышенной концентрацией электронов за счет их диффузии под действием локальных полей (фиг. 1.6.), что влечет, за собой изменение показателя преломле0 ния в освещенной области (фиг. 1 .в.). Нагревая образец до 160-180°С (фиг. 2.а.), увеличивают коэффициент диффузии протонов (для электронов это изменение незначи- тельно), что приводит к компенсации

5 избыточного отрицательного заряда на периферии освещенных областей кристалла (фиг. 2.6.) и, следовательно, к повышению концентрации протонов в данных областях (фиг. 2.в.). Последующее облучение кристал0 ла дозой УФ-излучения (фиг. 3.а.), лежащей в пределах 0,24-0,9 кДж/см2 при комнатной температуре приводит к возбуждению только электронов и возрастанию коэффициента диффузии для них в приповерхностной об5 ласти h 1 мкм. Следствием этого является выравнивание профиля концентрации данных носителей в приповерхностной области кристалла (фиг. 3.6.). Профиль концентрации протонов остается прежним. Теперь фа0 зовая голограмма обязана своим существованием периодическому распределению более массивных носителей заряда - протонов, для которых коэффициент диффузии гораздо меньше, чем для электро5 нов и голограмма живет более длительное время, чем время,необходимое для работы ОЗУ Для получения стабильной (живущей несколько лет), контрастной периодической структуры, полученную протонобусловлен- ную фазовую голограмму обрабатывают в

расплаве монокэрбоновой кислоты. В качестве активной среды может быть взята любаямонокарбоноваякислота(оксинафтойная,пальмитиновая бензойная и др), служащая источником ионов Н+ для топотактической реакции протонного замещения Li H , которая преимущественно протекает в областях с повышенной концентрацией протонов (по эстафетному характеру) Следствием этого является дальнейшее увеличение концентрации протонов в вышеупомянутых областях. Сегнетоэлектриче- ский кристалл имеет октаэдрическую симметрию, в его структуре атомы Li занимают такие позиции внутри кислородных октаэдров, что образуются прямолинейные цепочки - капилляры для проникновения атомов водорода в направлении близком к оси Z кристалла Тем самым создаются благоприятные условия для протонного обмена в направлении этих капилляров при условии, когда часть атомов Li уже замещена протонами За счет эстафетного замещений Н структура кристалла в данных областях претерпевает настолько существенное изменение, что можно говорить об образовании новой фазы (фиг 4 в) или создании дискретной структуры протон-замещенного слоя В результате получают жесткую периодическую структуру R приповерхностной области кристаллов с чередованием областей различного фазового состава имеющих большой оптический контраст (по показателю преломления ,1; по коэффициенту поглощения .02).

При нагревании кристаллов до температуры ниже 160°С коэффициент диффузии для протонов еще мал и не обеспечивает эффективной компенсации избыточного отрицательного заряда за счет миграции Н+. При увеличении температуры выше 180°С происходит эффективная фиксация голограммы, однако за счет дрейфа главным образом ионов Li4 Si+ и кислородных вакансий, что делает невозможным осуществление способа, т к основной целью термической фиксации как одной из операций нашего способа является создание областей с повышенной концентрацией Н Для проявления фазовой голограммы после термической фиксации обычно применяют некогерентное освещение Однако известен характер зависимости квантового выхода фотовозбуждения электронов от длины волны падающего излучения, который указываетнарезкоеувеличениефотогальванического тока при уменьшении длины волны от 0,5 до 0,4 мкм. Поэтому предлагается использовать для проявления

термически фиксированных объемных фазовых голограмм в сегнетоэлектрических кристаллах УФ-излучение с А 0,3-0.4 мкм. Другим доводом в пользу данного предло5 жения является факт возрастания коэффициента поглощения монокристаллов LiNbOa и УТаОз при уменьшении Я излучения. Таким образом, эффективность УФ-облучения увеличивается за счет практически полной

0 утилизации его энергии уже в приповерхностном слое кристалла за счет большого коло

эффициента поглощения а 10 -10 см . Необходимое количество энергии для полного проявления объемной фазовой голо5 граммы в ее приповерхностной области обусловлено концентрацией электронов, локализованных на периферии освещенных участков интерференционной картины при ее записи Нижний предел дозы (0,24

0 кДж/см2) выбирается достаточным, чтобы для приповерхностной области кристалла уничтожение электронной топографической решетки было полным. Верхний предел дозы (0.9 кДж/см) выбран из

5 соображений разумной достаточности, чтобы не записать с помощью УФ-облучения шумовую топографическую решетку.

Способ осуществляется следующим образом

0В сегнетоэлектрическом кристалле записывают объемную фазовую голограмму, применяя оптическую экспонирующую систему (фиг. 1 а), включающую в себя делительную пластину 1. два зеркала 2, 3,

5 транспарант 4 для изменения периода голо- графической решетки кристалла 5 В качестве источника монохроматического излучения используют лазер, работающий в непрерывном режиме

0Затем кристалл 5 нагревают в муфельной печи до 160 -180°С (фиг. 2, А) и в ней же охлаждают до комнатной температуры

После этого (фиг 3. а) при помощи ртутной лампы 6, снабженной специальным

5 фильтром 7, пропускающим в области А-300-370 нм, облучают кристалл 5 УФ-све- том дозой 0.24-0,9 кДж/см2. Далее кристалл обрабатывают расплавом монокарбоновой кислоты в муфельной печи,

0 время и температура обработки для каждой кислоты выбираются исходя из оптимальной глубины протонирования (фиг. 4.а.). Наличие периодической структуры, ее качество фиксируется и измеряется при экс5 понировании в голографической схеме (фиг. 1,а). Глубина протонирования контролируется с помощью ИК-спектроскопических методов исследования (ИК-отражения). Оптическое качество полученной периодической структуры определяютиз измерений ее дифракционной эффективности с помощью топографической экспонирующей системы.

Пример 1, В качестве сегнетоэлект- рического кристалла берут пластину Z-среза ниобата лития (LiNbOa), записывают объемную фазовую голограмму. Затем кристалл нагревают в муфельной печи до 160°С, охлаждают до комнатной температуры, облу- чают УФ-светом дозой 0,24 кДж/см2 и помещают в расплав чистой бензойной кислоты, где кристалл выдерживают при температуре 200°С в течение 70 мин.

Пример 2. В качестве сегнетоэлект- рического кристалла берут пластину Z-среза танталата лития (ЫТаОз). а в качестве кислоты - оксинафтойную (СюНеОНСООН). Для достижения глубины приповерхностной периодической структуры в 1,4±0.2 мкм требу- ется обрабатывать кристалл кислотой в муфельной печи при температуре 200°С в

течение 50 минут. Остальные операции те же.

Другие примеры осуществления способа сведены в таблицу.

Формула изобретения Способ изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических .кристаллах путем экспонирования поверхности кристалла интерференционной картиной, образованной когерентными пучками, термического фиксирования голограммы, отличающийся тем, что, с целью повышения контраста периодических структур и расширения класса решаемых задач, фиксируют голограммы в приповерхностном слое кристалла, нагревая его до 160-180°С, затем охлаждают его до комнатной температуры, облучают УФ-светом дозой излучения 0.24-0,9 кДж/см2, помещают в раствор мо- нокарбоновой кислоты и выдерживают в течение 50-300 мин.

Н