авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи ...»

-- [ Страница 2 ] --

модуляторах не предложено физической модели, описывающей микроскопический механизм дрейфа на основе атомно-молекулярного строения кристалла. В предложенных феноменологических моделях не учитываются особенности исходного состояния пластин НЛ и процессы, происходящие при создании волноводов с помощью протонного обмена.

В литературе предложен целый ряд способов минимизации дрейфа ПП, 4.

однако нет работ, в которых бы надежно на множестве образцов и больших временах работы была продемонстрирована эффективность указанных методов. Ни один из предложенных методов борьбы с дрейфом ПП не позволяет полностью устранить дрейф.

Цель работы. Исходя из приведенных выводов, формулируется следующая цель работы: исследовать влияние на дрейф ПП производственных и эксплуатационных факторов и на основе полученных данных разработать качественную микроскопическую модель дрейфа показателя преломления в протонообменных канальных волноводах, учитывающую реальную кристаллическую структуру НЛ в области волновода.

Задачи работы напрямую следуют из ее цели:

Исследовать структурными методами исходное состояние пластин ниобата 1.

лития, применяемых при создании интегрально-оптических схем.

Исследовать процесс протонного обмена в НЛ с точки зрения сопряжение 2.

ПО-фаз и исходного кристалла с учетом сохранения целостности кристалла.

На образцах ИОС, созданных на основе HxLi1-xNbO3 канальных волноводов, 3.

исследовать процесс дрейфа ПП в температурном диапазоне от минус 60 до плюс 80 °С.

Предложить структурную модель HxLi1-xNbO3 канального волновода и 4.

процессов, происходящих в нем при дрейфе ПП. Провести испытание предложенной модели на реальных образцах ИОС и в режимах, обеспечивающих наибольшую достоверность результатов.

На основе модели волновода предложить методики уменьшения дрейфа ПП, 5.

учитывающие особенности конструкции, производства и эксплуатации ИОС.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ HxLi1-xNbO3 КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ И ИХ СТАБИЛЬНОСТИ 2.1. Методы исследования структуры канальных HxLi1-xNbO волноводов 2.1.1. Дифракционный структурный анализ Исследование фазового состава и параметров структуры НЛ и протонообменных слоев проводилось на рентгеновском спектрометре, построенном на основе двухкристального дифрактометра ДРОН-УМ 1.

Указанный комплекс является уникальным по точности и угловому разрешению инструментом, позволяющим исследовать малые изменения структуры образца, вызванные процессом протонного обмена. Принципиальная схема установки представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки для рентгеноструктурного анализа В двухкристальном спектрометре рентгеновские лучи, пройдя коллиматорную щель, отражаются от кристалла - монохроматора, после чего попадают на исследуемый кристалл. В качестве кристалла-монохроматора применялся высокосовершенный монокристалл кремния, который устанавливался в положение, соответствующее отражению К - серии кобальтового излучения (Co=1,62075 ) от плоскостей с кристаллографическими индексами (111).

Использование одиночной -линии кобальтового анода позволило исключить эффекты наложения рентгеновских отражений, проявляющиеся при использовании линий -дублета. При проведении измерений использовался первый порядок отражения. Ускоряющее напряжение на аноде составляло 30 кВ, ток через трубку - 10 мА. Измерения проводились при комнатной температуре.

Угловое разрешение системы составляло 0,005 градуса, расчетная глубина проникновения рентгеновских лучей не превышала 10 мкм.

Во всех проведенных экспериментах нами применялась параллельная установка образца и монохроматора, при которой угловая дисперсия, обусловленная расходимостью отраженного рентгеновского пучка, равна разности дисперсий от каждого из кристаллов, т.е. минимальна по сравнению с антипараллельной установкой кристаллов. Дифракционные кривые были получены для семейства плоскостей с индексами {110} при вращении исследуемого кристалла вокруг оси гониометра около отражающего положения с углом. При этом интенсивность рассеянного пучка регистрировалась счетчиком, установленным под углом 2 к исходному лучу и движущимся с угловой скоростью вокруг оси гониометра в два раза большей, чем скорость вращения образца. Кривые, полученные таким образом, называются - 2 - кривыми. Перед измерением проводился поиск оптимального отражающего положения кристалла при помощи его вращения в держателе. При съемке перед счетчиком устанавливалась щель шириной 0,05 мм.

2.1.2. Оптическая профилометрия в сочетании с химическим травлением Выявление микрорельефа образца проводилось с помощью химического травления. В качестве травителя использовалась смесь HF+HNO3 в пропорции 1:2. Травление проводилось при комнатной температуре, время травления определялось по секундомеру и составляло две минуты.

Для исследования микрорельефа поверхности образцов применялся оптический профилометр на базе интерференционного микроскопа Zygo New View 5000. Разрешение в плоскости образца составляло 0,1 мкм, по нормали к поверхности образца – 1 нм. Образец для позиционирования помещался на моторизованный столик, вся система устанавливалась на виброизоляционном основании.

Получение изображения в оптическом профилометре происходит на основе интерференции двух лучей, «сигнального» отраженного от поверхности образца и «опорного», отраженного от высококачественной поверхности внутри интерференционного объектива. Результатом интерференции этих двух лучей является набор светлых и темных полос, который с помощью специального программного обеспечения преобразуется в профиль поверхности образца. В процессе сканирования объектив микроскопа перемещается в вертикальном направлении при помощи пьезоэлектрического позиционера. Шаг перемещения составляет 75 нм. Набор полученных интерференционных картин обрабатывается с помощью частотного анализа (Frequency Domain Analysis), что позволяет рассчитать вертикальное положение точек поверхности с точностью до 0,1 нм.

При этом разрешающая способность в горизонтальной плоскости соответствует таковой для оптических микроскопов.

2.1.3. Электронная сканирующая микроскопия Для исследования внутренней структуры приповерхностных слоев в кристалле НЛ использовался сканирующий электронный микроскоп Hitachi S - 3400N. При проведении исследований на образцы напылялся слой золота, толщина которого не превышала 1 нм.

Для исследования приповерхностных слоев производилась съемка поверхности скола образцов. Предварительные съемки поверхности реза образца показали, что в ходе дисковой резки структура приповерхностных слоев нарушается при механическом воздействии диска.

Скол образца получали по следующей методике. Образец, представляющий собой кусочек кристалла размерами 1015 мм, через мягкие прокладки зажимали в тисках, после чего алмазным стеклорезом проводили царапину по нерабочей стороне образца. Образец с царапиной ломали на две половины. Съемку проводили вблизи стороны, не подвергавшейся царапанию.

В держателе образец устанавливался таким образом, чтобы был виден как торец образца, так и часть верхней грани. Это позволяло надежно детектировать приповерхностные слои по толщине и глубине залегания. Схема установки образца в держатель представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Направление съемки при исследовании образцов на сканирующем электронном микроскопе При проведении съемок использовались следующие параметры микроскопа:

ускоряющее напряжение – 20 кВ, увеличение 350…2500, для получения изображения использовался режим вторичных электронов (SE, secondary electrons) и электронов обратного рассеяния (BSE, backscattered electrons). Все параметры съемки отражены на полученных изображениях.

2.1.4. Измерения микротвердости В дополнение к методам электронной микроскопии, приповерхностные слои исходного кристалла исследовались с помощью системы на основе микротвердомера Nanotest-600 (Micro Materials Ltd., Великобритания). Для исследования использовался метод индентирования, в качестве индентора использовалась алмазная пирамидка Берковича. Эксперимент проводился при следующих параметрах: скорость нагружения 1 мкм/с, нагрузка 14,7 нН, глубина индентирования составляла 30 нм. Значения модуля упругости рассчитывались по кривым «приложенная сила – вертикальное перемещение индентора» с применением методики Оливера – Парра [116].

Измерения микротвердости проводились на изломе образца Х-среза ниобата лития, в направлении, совпадающем с осью Y, с различными значениями глубины H от поверхности образца (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема расположения точек индентирования в приповерхностном слое Значения модуля Юнга вычислялись с помощью поставляемого в комплекте с измерительным комплексом пакета NanoScope Analysis.

2.1.5. Изготовление образцов для структурных исследований Для исследования структуры кристалла использовались образцы, полученные следующим образом. Исходная пластина Х-среза ниобата лития нарезалась на части с характерными размерами 10151 мм таким образом, чтобы длинная сторона совпадала по направлению с осью Z, а короткая – с осью Y.

Пластина представляла собой плоский диск толщиной 1 мм со срезанными краями, обозначающими направление кристаллофизических осей (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Внешний вид пластины Х-среза В данной работе для производства ИОС использовались пластины ниобата лития Х-среза производства Sipat (Китай). Основные паспортные свойства пластин представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Свойства исходной пластины ниобата лития конгруэнтный монодоменный Материал пластины ниобат лития Состав 48,6 ± 0,01 мол. % Li2O Диаметр 76,2 ± 0,2 мм Толщина 1,00 ± 0,02 мм База 0 22 ± 1 мм База 1 14 ± 2 мм Кристаллофизическая ориентация X-срез Шероховатость Ra поверхности пластины = 0,7 нм +Х и -Х Образцы, включающие в себя волноводные слои, были получены резкой исходных пластин после проведения протонного обмена, способом, описанным в п. 3.2-3.4.

2.2. Методы исследования стабильности оптических свойств HxLi1-xNbO3 канальных волноводов В данном разделе рассматриваются методы непосредственного наблюдения дрейфа ПП в канальных волноводах на образцах ИОС различных типов.

Основным источником информации в таких исследованиях является зависимость выходной оптической мощности от времени Iout(t) при внешних воздействиях на образец. Как и при реальной эксплуатации, внешними воздействиями являются изменение температуры образца и приложение постоянного электрического поля к системе электродов. Помимо указанных воздействий рассматривается поведение образцов при действии УФ-излучения, что характерно для некоторых производственных процессов.

В основе предложенных методов исследования дрейфа ПП лежит методика, описанная в п. 1.3.1, которая была значительно доработана автором. Новый метод интерпретации экспериментальных данных позволил связать значение Iout с процессами, происходящими внутри кристаллической решетки НЛ. Этот шаг является принципиальным, т.к. позволяет перейти от феноменологического описания процесса дрейфа ПП к описанию на основе микроскопических особенностей структуры кристалла.

2.2.1. Экспериментальные образцы для температурных испытаний Стабильность показателя преломления волноводов исследовалась на ИОС трех основных типов: прямом волноводе, симметричном Y – разветвителе с коэффициентом деления 1/1, и интегрально-оптическом интерферометре типа Маха-Цендера с симметричной и асимметричной топологией волноводов (рис.

2.5, а - в соответственно).

Рис. 2.5. Топология экспериментальных ИОС Для каждого типа ИОС исследовались образцы с пироэффектом и без него.

Для ИМЦ исследовались образцы с замкнутой и разомкнутой системой электродов, а также без системы электродов.

Рассмотрим подробно устройство ИМЦ, как самого сложного типа исследуемых интегрально-оптических схем. Экспериментальные ИМЦ имели размеры 5031 мм. На одном чипе интегральной схемы располагалось от трех до пяти параллельных интерферометров с разной топологией волноводов.

Расстояние между ИМЦ подбиралось таким образом, чтобы полностью исключить возможность оптического взаимодействия ПКВ. Волоконные световоды пристыковывались только к одному ИМЦ на каждом чипе.

Выбор чипа для стыковки зависел от топологии волноводов, которая определяла исходное положение рабочей точки интерферометра. Как правило, для стыковки выбирались ИМЦ со смещением РТ в середину линейного участка передаточной функции, что соответствует смещению в четверть длины волны.

Смещение РТ задавалось с помощью внесения асимметрии в топологию волноводов таким образом, чтобы одно плечо интерферометра было длиннее другого. Физическая разность длин плеч l, необходимая для внесения разности фаз в четверть длины волны вычислялась из соотношения l = /4ne. (2.1) Для исследования дрейфовых процессов, обусловленных только подачей внешнего электрического напряжения, использовались образцы с подавленным пироэлектрическим эффектом. Для подавления пироэлектрического эффекта на боковые грани образцов и на их нижнюю поверхность наносилась проводящая графитовая паста. Применение пасты обеспечивало замыкание полярных граней кристалла и быструю релаксацию пироэлектрических поверхностных зарядов, возникающих при изменении температуры кристалла. Для исследования процессов дрейфа, связанных с действием пироэлектрического эффекта, использовались образцы без нанесения проводящей пасты.

В качестве подводящих и отводящих излучение световодов использовались волоконные световоды типа «Panda», сохраняющие поляризацию излучения.

Световоды были произведены Пермской научно-производственной приборостроительной компанией (ОАО «ПНППК») и имели параметры, указанные в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Параметры волоконных световодов, использованных при испытаниях ИОС Одномодовое, сохраняющее Тип волоконного световода поляризацию излучения Рабочая длина волны, нм 1520… Числовая апертура 0, Диаметр модового поля, мкм 6,3 ± 0, Оптические потери, дБ/км H-параметр, 10-5, м-1 Диаметр сердцевины, мкм 5, Диапазон рабочих температур, °С -65…+ Использование указанных световодов было обусловлено двумя причинами.

Во-первых, данные световоды наилучшим образом согласуются по числовой апертуре и диаметру модового поля с исследуемыми канальными волноводами.

Во-вторых, степень поляризации выходного излучения является дополнительным источником информации о процессах, происходящих в волноводе при изменении температуры образца.

2.2.2. Влияние температуры на дрейф показателя преломления ПКВ Для исследования влияния температуры на дрейф ПП использовалась программируемая прецизионная термокамера Espec MC-711 (Япония).

Температура образца при съемке считалась равной температуре воздуха в камере, которая контролировалась с помощью встроенного датчика. Образец в открытой технологической таре помещался в термокамеру в верхней части рабочего объема. Для уменьшения градиента температуры в образце, чип модулятора помещался на алюминиевую подложку. Чип и подложка соединялись с помощью тонкого слоя силиконового клея «Эласил» с повышенной теплопроводностью.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема экспериментальной установки для оптических измерений Образец соединялся с источником и приемником излучения посредством сварки волоконных световодов или с помощью оптических разъемов. Для сварки использовалась промышленная установка сварки Fujikura FSM-60s. В разъемных соединениях применялись коннекторы типа FC-UPC и FC-APC. Совместимость применяемых в ходе эксперимента коннекторов строго контролировалась.

Подводящие и отводящие волоконные световоды выводились наружу термокамеры. Конструкция двери камеры за счет мягких прокладок исключала изгиб и сдавливание волоконных световодов при проведении эксперимента.

Источник и приемник излучения находились снаружи камеры и воздействию переменной температуры не подвергались.

В качестве источника излучения использовался волоконный лазер производства ОАО «ПНППК» с выходной мощностью 5 мВт и центральной длиной волны 1550 нм.

Измерения проводились как в режиме постоянной температуры, так и при ее изменении. В ходе измерений записывалась зависимость выходной мощности излучения Iout от времени. При этом для каждого модулятора было заранее определено положение рабочей точки. Модуляторы для испытаний подбирались таким образом, чтобы рабочая точка находилась на наклонном участке передаточной функции. Это позволяло точно определить направление изменения показателя преломления в волноводах модулятора.

Для измерения выходной мощности Iout использовалось два измерителя оптической мощности со сходными характеристиками, одноканальный Santec PEM 330 (Япония) и двухканальный General Photonics ERM-102 (США). Запись сигнала производилась в поставляемом с приборами ПО. Паспортные характеристики Santec PEM 330 приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Технические характеристики ИОМ Santec PEM Диапазон рабочих длин волн, нм 1260 … Входная оптическая мощность, дБм -40 … + Разрешение по оптической мощности, дБ 0, Погрешность измерения поляризации, дБ ±0, Динамический диапазон по измерению поляризации, дБ Точность определения поляризации излучения, ±0, дБ Частота измерений, Гц Использование различных приборов было обусловлено не их различными свойствами, а только их доступностью для эксперимента. Во время проведения измерений оба прибора имели действительные сертификаты о прохождении плановой поверки.

2.2.3. Влияние величины электрического напряжения на дрейф ПП в волноводе Исследование дрейфа ПП под действием внешнего электрического поля проводилось следующим образом. На систему электродов модулятора подавалось напряжение от батарейки типа «Крона», которая использовалась в качестве малошумящего источника постоянного напряжения. Характерные значения подаваемого напряжения составляли от 1 до 10 В, что соответствует типичным значениям Vbias для телекоммуникационных устройств. Методика оптических измерений совпадала с таковой для измерений, проводившихся при исследовании влияния температуры. Экспериментальная установка для исследования модуляторов представляла собой сложную оптическую систему, состоящую из источника излучения, подводящего и отводящего волоконного световода, чипа модулятора и измерителя оптической мощности и поляризации излучения, подключенного к компьютеру. Запись значений оптической мощности проводилась в среде LabView. Схема установки приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема экспериментальной установки для исследования влияния электрического напряжения на дрейф ПП в волноводе Исследование процессов коротковременного дрейфа ПП проводилось по следующей методике. При включенном источнике излучения на систему электродов модулятора подавалось постоянное напряжение Vbias=V0. После стабилизации значения Iout при заданном значении V0 производилась смена знака подаваемого напряжения Vbias (-Vbias) с помощью встроенного переключателя полярности. В течение всего эксперимента проводилась запись значений Iout.

Предварительно для каждого образца была получена реальная передаточная функция, которая использовалась для анализа поведения рабочей точки. С помощью передаточной функции определялось реальное положение РТ до и после смены знака V и направление ее смещения в процессе дрейфа.

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В данной главе рассматриваются процессы производства ИОС с точки зрения возможного изменения структуры кристалла. Некоторые операции, на первый взгляд не имеющие прямого отношения к модификации структуры НЛ, рассматриваются ввиду особых условий их проведения, связанных с воздействием на кристалл УФ-излучения и повышенной температуры.

3.1. Исходный кристалл Для изготовления ИОС использовались пластины Х-среза НЛ производства Sipat, описанные в п. 2.1.7. Все работы проводились в помещении шестого класса чистоты, для транспортировки пластин использовалась технологическая тара. Все манипуляции с пластинами проводились в неопудренных нитрильных перчатках и с помощью специальных пинцетов с фторопластовыми наконечниками (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Помещение пластины ниобата лития в установку нанесения фоторезиста 3.2. Фотолитография Операции фотолитографии проводились на базе системы автоматической обработки пластин, состоящей из установки автоматического нанесения и проявки фоторезиста EVG 150 и установки совмещения и экспонирования EVG 620. Обе установки располагались в помещении шестого класса чистоты по ISO 14644-1, защищенном от воздействия внешнего ультрафиолетового излучения («желтая» комната).

Для производства ИОС использовалась прямая фотолитография, стадии которой показаны на рис. 3.2. Рассмотрим каждый шаг фотолитографического процесса с точки зрения воздействия на пластину.

1. Исходные пластины НЛ, извлеченные из транспортировочной тары, считаются готовыми к фотолитографии и не подвергаются дополнительным операциям чистки или термообработки.

2. Нанесение пленки Al2O3. На первой стадии на исходную пластину НЛ методом электронно-лучевого напыления наносится пленка Al2O3 толщиной около 300 нм.

3. Нанесение слоя Cr. На второй стадии тем же методом наносится слой Cr толщиной около 100 нм.

4. Нанесение фоторезиста. Используемый для фотолитографии позитивный фоторезист наносится в установке EVG 150 методом вращения при скорости 3000 об/мин. Толщина слоя фоторезиста составляет около 1 мкм.

5. Сушка фоторезиста. Нанесенный фоторезист сушится на горячей плите в течение одной минуты при температуре около 100 °С. Равномерность прогрева обеспечивается автоматической системой укладки пластины на горячую плиту.

После сушки фоторезиста пластина охлаждается на воздухе.

6. Экспонирование фоторезиста. Высушенный фоторезист экспонируется контактным способом в УФ-излучении газоразрядной лампы. Для экспонирования используется металлический фотошаблон, сформированный на стекле.

7. Проявка фоторезиста. Фоторезист проявляется вручную при комнатной температуре в щелочном проявителе, после чего производится визуальный контроль ширины канальных волноводов на микроскопе.

8. Травление Cr. Травление слоя хрома происходит в церий-аммоний нитратном травителе в течение двух минут.

9. Травление Al2O3. Слой Al2O3 травится в смеси HF и HNO3 и Н2О в отношении 1:1:8. Для травления используются концентрированные кислоты класса «ос.ч.». Травление производится вручную, время травления составляет минуту и может варьироваться в зависимости от толщины слоя Al2O3. Время травления подобрано таким образом, чтобы минимизировать влияние травителя на ниобат лития, лежащий под слоем Al2O3. Микроскопический контроль поверхности кристалла после травления не выявляет изменений в структуре, которые можно идентифицировать как картины травления НЛ.

10. Растворение фоторезиста. Снятие остатков фоторезиста производится в органическом растворителе (CH3)2SO, не взаимодействующем с НЛ.

11. Травление остатков Cr. Оставшийся слой хрома вытравливается аналогично п. 8.

12. Пропаривание в С3Н8О. Полученная пластина с нанесенной Al2O3 маской пропаривается в парах изопропилового спирта.

Прошедшая все технологические операции пластина готова к проведению протонного обмена.

Рис. 3.2. Стадии фотолитографии 3.3. Протонный обмен и отжиг Протонный обмен проводится с пластиной, пропаренной в парах изопропилового спирта, которая помещается в титановый реактор. Перед процессом ПО на пластину с избытком насыпается порошок бензойной кислоты (БК), так, чтобы после ее плавления вся пластина была погружена в расплав.

Перед помещением в печь реактор герметично закрывается.

Для проведения ПО используется печь СНОЛ 3.5. Реактор в печи устанавливается на качающуюся платформу для перемешивания кислоты, взаимодействующей с поверхностью кристалла. В ходе процедуры происходит нагрев пластины до температуры, не превышающей 200 °С, выдержка при максимальной температуре и быстрое охлаждение пластины. Пластина, извлеченная из реактора, промывается в изопропиловом спирте и деионизованной воде, после этого она готова к проведению отжига.

Перед проведением отжига пластина укладывается на лист платиновой фольги и помещается в печь. Максимальная температура, достигаемая пластиной при отжиге составляет не более 360 °С, время отжига составляет около 6 часов.

После отжига слой Al2O3 стравливается аналогично п. 9, пластина промывается и переходит на стадию нанесения электродов либо на участок механической обработки для резки на блоки.

3.4. Нанесение электродов Нанесение системы электродов на пластину НЛ проводится в два этапа. На первом этапе в установке вакуумного напыления на поверхность кристалла наносятся слои хрома и золота. Толщина пленки Cr составляет ~ 50 нм, толщина слоя золота ~ 500 нм. Использование подслоя Cr обусловлено его лучшими адгезионными свойствами к поверхности НЛ по сравнению с золотом [117].

На начальном этапе нанесения металлических слоев происходит нагрев камеры до 200 °С и ее дегазация в течение 1 часа. Давление в камере после откачки воздуха составляет 810-4 Па. В это время также происходит очистка поверхности пластины НЛ от возможных загрязнений.

При нанесении металлов на подложку вначале происходит резистивное термическое испарение металла. Далее испаренный металл осаждается в виде тонкой однородной пленки на поверхности пластины НЛ. Результатом данной операции является пластина НЛ полностью покрытая с одной стороны слоем Cr и Au.

Для формирования конечной структуры электродов используется процесс фотолитографии и химического травления, аналогичный описанному в п. 3.2.

Изображение сформированных электродов представлено на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Система электродов на поверхности пластины НЛ (фрагмент) Пластина с нанесенными волноводами и электродами нарезается на блоки, каждый из которых содержит в себе четыре чипа ИОС. Каждый блок тестируется на предмет оптических потерь в канальных волноводах и отсутствия царапин и дефектов системы электродов. После тестирования блоки нарезаются на чипы, торцы которых полируются до оптического качества. Такие чипы готовы к стыковке с волоконными световодами, процесс которой описан ниже.

3.5. Стыковка чипа интегральной схемы с волоконными световодами Создание образцов ИОС, способных пройти длительные испытания на воздействие внешних факторов, потребовало применения методики, позволяющей надежно соединить чип ИОС (кристалл) с подводящими и отводящими излучение волоконными световодами. Обычно используемый в лабораторных условиях метод линзового ввода излучения является крайне чувствительными к механическим перемещениям образца и изменению его температуры и не подходят для проведения измерений на множестве образцов и их термоциклирования [118].

Для подведения и отведения излучения канальные волноводы соединялись с волоконными световодами с помощью специальных стыковочных модулей.

Стыковочный модуль представлял собой параллелепипед из ниобата лития, в который вклеивался волоконный световод. Световод и волновод позиционировались с помощью системы микропозиционеров на базе Thorlabs NanoMax 311 и системы технического зрения. Схема процесса стыковки представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Стыковка чипа ИОС со стыковочным модулем Для надежного соединения чипа ИОС со стыковочным модулем использовался оптический УФ-отверждаемый полимерный клей с показателем преломления равным 1.6 и пониженным коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР). Такое клеевое соединение позволило изготовить набор образцов ИОС, которые затем испытывались при вариации температуры и Vbias.

Технология отверждения клея требовала применения ультрафиолетового излучения в зоне склеивания. В качестве источника излучения применялась УФ-лампа EXFO OmniCure 2000 с гибким световодом и длиной волны от 320 до 500 нм. Диаметр световода составлял 5 мм и при расстоянии до места склеивания в 50 мм весь кристалл подвергался воздействию ультрафиолетового излучения.

3.6. Обсуждение процесса формирования HxLi1-xNbO3 канальных волноводов Рассмотрим описанные выше технологические процессы формирования волноводов с точки зрения возможного влияния на состав, структуру и свойства приповерхностных слоев, в которых формируются волноводы, а также влияния на сами волноводные области.

Изменение состава приповерхностного слоя в общем случае может происходить четырьмя способами: за счет выхода определенных атомов, составляющих структуру НЛ с поверхности кристалла;

при увеличении содержания примесей;

в ходе химических реакций НЛ и применяемых составов;

в ходе перераспределения исходных компонентов по толщине образца.

Говоря о выходе атомов с поверхности кристалла НЛ, обычно подразумевают выход Li при нагреве (аутдиффузия лития). Однако, как указано в [119], этот процесс становится заметным при температуре образца выше 600 °С.

Максимальная температура, до которой нагреваются образцы при создании волноводов не превышает 360 °С (при отжиге), что значительно ниже температуры начала выхода лития. С учетом более прочных связей между кислородным каркасом и ионами Nb+5 можно утверждать, что в ходе создания волноводов по описанной технологии не происходит заметного изменения состава исходного кристалла в тех областях, где кристалл не подвергается протонному обмену.

В части, касающейся химических реакций и внесения в структуру приповерхностного слоя примесей в процессе нанесения и проявки фоторезиста, следует отметить, что для данного процесса подобраны органические реактивы, для которых НЛ является инертным. Наиболее сильное воздействие на структуру приповерхностных слоев может происходить при стравливании слоя фоторезиста, однако, в этом случае время травления подбирается таким образом, чтобы минимизировать взаимодействие травителя с поверхностью самого кристалла.

Наконец, перераспределение исходных компонентов в НЛ при нагреве и охлаждении действительно происходит, но характерно для Z-среза кристалла, в котором под действием пироэлектрического поля происходит перераспределение ионов Li вблизи двух полярных граней [120]. Для Х-среза НЛ данные процессы не характерны ввиду того, что направление нормали к Х-срезу кристалла является неполярным.

Облучение НЛ ультрафиолетом, проходящее на этапе экспонирования фоторезиста и стыковки ИОС, может вызывать генерацию свободных электронов в НЛ под действием фотовольтаического эффекта. Однако их время релаксации много меньше времени, проходящего между созданием ИОС и ее испытаниями.

Дефектная структура, характерная для приповерхностных слоев образца, также не может изменяться по двум причинам. Во-первых, в ходе создания волноводов поверхность образца не подвергается механическим воздействиям.

Во-вторых, максимальная температура образца много ниже температуры, при которой происходит перестройка дислокационной структуры НЛ [113].

Таким образом можно считать, что в ходе формирования ПО-волноводов на поверхности НЛ изменение в составе и структуре кристалла связано лишь с замещением ионов Li протонами и такое изменение происходит лишь в области протонного обмена и на границе ПКВ и матрицы исходного кристалла. Исходя из этого, при сравнении структуры исходного кристалла и ПКВ мы вправе считать, что все обнаруженные отличия обусловлены именно введением в решетку НЛ протонов, а не сопутствующими побочными физико-химическими процессами, происходящими при формировании волноводов.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПКВ СТРУКТУРНЫМИ МЕТОДАМИ 4.1. Состояние исходных пластин ниобата лития 4.1.1. Результаты электронно-микроскопических исследований Состояние исходных пластин НЛ исследовалось методами электронной микроскопии по методике, описанной в п. 2.1.3. На образце производства Sipat в режиме обратного рассеяния электронов обнаружен дефектный слой, лежащий под заполированным слоем. Толщина заполированного слоя составляет от 3 до 5 мкм. Толщина дефектного слоя составляет около 15 мкм (рис. 4.1а). На рисунке рис. 4.1б для сравнения приведено изображение скола НЛ производства Crystal Technology (США). В данном образце заполированный слой отсутствует или не виден, дефектный слой более развит, что говорит о более сильном нарушении внутренней структуры кристалла.

а б Рис. 4.1. Дефектный слой в структуре исходного НЛ производства Sipat (а) и Crystal Technology (б) Как видно из рисунка, дефектный слой хорошо выражен и имеет в пределах кадра постоянную глубину. Это свидетельствует о высокой стабильности процесса полировки пластин. Поворот структурных дефектов вблизи поверхности вправо говорит о преимущественном направлении движения полировального диска в данном месте образца.

Следует особо отметить то, что толщина верхнего заполированного слоя существенно меньше нижней границы ПКВ (6 мкм), т.е. при создании ПКВ в указанном образце волновод будет частично лежать в деформированном слое, и включать в себя границу между слоями.

Представленные результаты были получены впервые, ранее в литературе не встречалось упоминания о приповерхностных слоях в НЛ, видимых явно с помощью сканирующего электронного микроскопа и исследованиях изломов НЛ с целью установления свойств приповерхностных слоев.

4.1.2. Результаты исследования микротвердости Измерения микротвердости проводились на образцах Х-среза НЛ производства Sipat (Китай) по схеме, описанной в п. 2.1.4. Образцы, подвергавшиеся исследованиям оптическими методами, создавались на основе пластин НЛ этого же производителя и из той же партии. В ходе измерения были получены значения модуля Юнга для различных по глубине приповерхностных слоев образца. Всего было проведено четыре серии по 10 измерений на глубине 1,5;

3,0;

12,0;

25,0 мкм. Зависимость модуля упругости от глубины залегания слоя представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Зависимость модуля Юнга НЛ от глубины слоя Как видно из графика, модуль Юнга имеет минимум на глубине около 3 мкм от поверхности образца, увеличиваясь до объемного значения с ростом глубины слоя. Минимальное значение модуля Юнга можно связать с максимальным количеством дефектов кристаллической структуры, находящихся на этой глубине и повышением пластичности НЛ.

Измерения по данной методике проводились впервые, полученные результаты имеют большое значение с точки зрения входного контроля пластин НЛ при производстве ИОС.

4.1.3. Результаты рентгеноструктурного анализа Рентгенографические исследования образцов немодифицированного НЛ проводились по методике, описанной в п. 2.1.1. На образцах, подготовленных согласно п. 2.1.5 были получены -2 кривые. Всего было исследовано три образца с одной пластины. Типичная кривая -2 для исходного образца приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. -2 кривая исходного образца Х-среза НЛ Как видно из рисунка, пик подложки является асимметричным, причем левая сторона, соответствующая меньшему углу отражения и, соответственно, большему параметру решетки, искажена сильнее. Это свидетельствует о наличии в приповерхностном слое деформаций кристаллической решетки, что подтверждает данные электронно-микроскопических исследований и измерения микротвердости. Однако особенности метода ПДСА в данном случае не позволяют получить данные о дефектности слоя с вариацией глубины его залегания, и в данном случае уступает в информативности сканирующей микроскопии.

4.1.4. Обсуждение результатов исследования исходного кристалла В ходе исследования исходного кристалла методами электронной микроскопии, измерения микротвердости и модуля Юнга, а также прецизионной рентгеновской дифрактометрии было показано, что физические и механические свойства приповерхностных слоев исходного кристалла ниобата лития существенно отличаются от его объемных свойств, указанных в справочниках.

Разница в свойствах может быть объяснена за счет различного содержания точечных и линейных дефектов в объеме кристалла и в его приповерхностном слое. Причиной появления указанных дефектов является механическая обработка поверхности кристалла, что совпадает с данными литературы.

Следует отметить, что по результатам исследований слой, находящийся наиболее близко к поверхности, обладает меньшим числом дефектов и более высоким значением модуля Юнга. Это совпадает с представлениями Т. Тамира о верхнем заполированном слое, лежащем на дефектных слоях [86].

Таким образом, необходимо рассматривать приповерхностные слои, в которых создаются волноводы, как область с повышенным содержанием дефектов и учитывать это при проектировании интегрально-оптических устройств. Важным представляется и тот факт, что толщина заполированного слоя может быть больше или меньше толщины волновода, что может оказывать существенное влияние на количество и поведение заряженных дефектов, окружающих волновод. В случае пластин, использованных для изготовления ИОС, подвергнутых испытаниям методами интегральной оптики, дефектный слой лежал в пределах волновода, что могло оказывать существенное влияние на поведение заряженных дефектов в области окружения и внутри волновода.

4.2. Результаты исследования протонообменных слоев 4.2.1. Результаты рентгеноструктурного анализа В ходе исследования образцов с ПО-волноводами, полученными при разной температуре и длительности протонного обмена, был получен ряд дифракционных (-2) кривых по методике, описанной в п. 2.2.1. Типичные кривые, соответствующие разным режимам обмена приведены на рис. 4.4 - 4.5.

Рис. 4.4. -2 кривая для ПО при 174 °С в течение 2 ч Рис. 4.5. -2 кривая для ПО при 230 °С в течение 4 ч Как видно из приведенных дифрактограмм, в ходе протонного обмена образуется одна или несколько кристаллических фаз, которые могут иметь как слабовыраженные дифракционные пики, так и пики, сопоставимые по высоте с пиком подложки. Все пики, соответствующие ПО-фазам, расположены в области меньших углов, т.е. бльших параметров решетки. Разница в параметрах решетки определяется выражением a '- a -ctg, (4.1) a полученным при дифференцировании по углу формулы Вульфа-Брэгга с учетом постоянной длины волны рентгеновского излучения. Для дифрактограммы, изображенной на рис. 4.4 максимальное значение составляет 9,410-3, т.е. почти 1% в изменении параметра решетки кристалла.

Общей чертой для всех полученных дифрактограмм является наличие области между пиком подложки и ПО-фазами, для которой рентгеновское отражение не превышает фонового значения. Таким образом, ПО-фазы имеют параметр решетки, который меняется скачком при переходе от матрицы исходного кристалла к области протонного обмена.

4.2.2. Результаты оптической профилометрии в сочетании с химическим травлением Для исследования области сопряжения ПКВ и окружающей матрицы использовалось химическое травление в сочетании с оптической профилометрей высокого разрешения. Ожидалось, что область сопряжения, являющаяся областью с повышенным содержанием дефектов структуры, должна травиться с большей скоростью. Это предположение основано результатах работ [107;

121;

122], в которых показано, что скорость травления чистого НЛ значительно меньше скорости травления протонообменного слоя.

С учетом факторов, приведенных в п. 1.5 картина травления должна иметь вид, приведенный на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Модель сечения волновода до и после травления Микрорельеф поверхности волноводного канала, подвергнутого кратковременному травлению, был получен по методике, описанной в п. 2.1.2.

Результаты измерения приведены на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Поверхность образца после травления Как видно из профилограммы, граница канального волновода вытравливается сильнее, причем данный эффект наблюдается вдоль всего волновода. Сечение профилограммы по стрелке указанной на рис. 4.7 показано на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Сечение профиля канального волновода после травления 4.3. Обсуждение результатов структурных исследований ПКВ В ходе исследования структуры НЛ до и после протонного обмена и отжига были установлены следующие факты:

1. Исходный кристалл имеет несколько приповерхностных слоев, отличающихся по степени дефектности. Верхний заполированный слой отличается меньшим содержанием дефектов, чем следующий слой, лежащий под ним. Толщина верхнего слоя не превышает глубины волновода после отжига и граница слоев проходит по объему волновода.

2. ПО-фазы в НЛ имеют параметр решетки больший, чем исходный кристалл. Разница параметров решетки в зависимости от содержания протонов может доходить до 1 % в зависимости от параметров ПО.

3. ПО-фазы отделяются от исходной матрицы резкой границей, которая является концентратором упругих напряжений и дефектов кристаллической структуры.

4. Несмотря на разницу в параметрах решетки в исследованных образцах не наблюдается деструкции поверхности на границе ПО-слой – матрица.

Сформулированные выше факты позволяют предложить модель ПКВ, включенного в кристалл, исходя из теории дислокаций и теории точечных дефектов, характерных для НЛ и формируемых в его структуре в процессе протонного обмена.

4.3.1. Сетка дислокаций несоответствия в ПКВ Рассмотрим подробнее процесс протонного обмена и отжига с точки зрения эволюции фазовой границы между волноводом и исходным кристаллом.

Бензойная кислота, являющаяся источником протонов, соприкасается с поверхностью кристалла в области, не покрытой защитным слоем, как это показано на рис. 4.9.

Рис. 4.9 Проникновение протонов в окно фотолитографической маски Замена ионов Li протонами вызывает рост параметра решетки НЛ, приводящий к серии фазовых переходов в нем. По мере увеличения концентрации протонов в протонированной области происходит рост упругих напряжений на границе ПО-слой – матрица, а также поднятие поверхности ПО-слоя над поверхностью исходного кристалла за счет увеличения периода кристаллической решетки (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Структура канального волновода после протонного обмена Учитывая сохранение целостности кристалла на границе волновод – матрица, необходимо предложить механизм уменьшения упругих напряжений в граничной области. Единственным известным механизмом выравнивания размерных несоответствий в кристаллической решетке является образование дислокаций несоответствия, плотность которых пропорциональна величине.

Указанные дислокации несоответствия образуют сетки на границе двух кристаллических фаз [123], подобно тому, как это обычно происходит при эпитаксиальном сопряжении кристаллов, различающихся периодами кристаллической решетки.

Сетки дислокации несоответствия (СДН) должны образовываться, прежде всего, на разрывах кислородных плоскостей, составляющих остов кристаллической решетки НЛ, т.к. ниобат лития, как указано у Блистанова [82], отличается низким содержанием дефектов анионной подрешетки и высокой устойчивостью кислородного каркаса. Схематическое изображение дислокации приведено на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Возникновение дислокаций на границе ПО-слоя и матрицы исходного НЛ Дислокации в ионных кристаллах, как правило, содержат нескомпенсированные электрические заряды. Так, обрыв кислородной плоскости должен быть заряжен отрицательно, притягивая при этом положительно заряженные точечные дефекты. К точечным дефектам в данном случае относятся, прежде всего, протоны, внедренные в решетку НЛ в ходе ПО, и диффузионно распространяющиеся в структуре кристалла при отжиге.

В ходе отжига СДН должна расти одновременно с протонообменными фазами вглубь кристалла. Ввиду снижения концентрации протонов в этих фазах в процессе отжига, плотность дислокаций в СДН также должна уменьшаться пропорционально концентрации протонов и. Образовавшаяся в ходе ПО сетка дислокаций несоответствия при отжиге не изменит существенно своей плотности, т.к. температура отжига не достаточна для перестройки дислокационной структуры НЛ. То есть, несмотря на уменьшение размерного несоответствия протонообменных фаз и исходного кристалла, СДН останется на границе волновода и матрицы в виде заряженных протяженных дефектов кристаллической структуры, не выполняющих уже связующей роли. Таким образом, в результате ПО и отжига граница волновода, включенного в матрицу НЛ, должна иметь структуру, схематично изображенную на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Схематичное изображение сетки дислокаций несоответствия на границе волновод – матрица На рис. 4.12 пунктиром отделена область, в которой дислокации образовались в ходе ПО (первичные дислокации). Также следует помнить о том, что указанная дислокационная структура входит в соприкосновение с границей приповерхностного дефектного слоя, обнаруженного в п. 4.1. Таким образом, вокруг всего волновода существует область с повышенным содержанием дислокаций, заряженных отрицательно и притягивающих к себе положительно заряженные точечные дефекты кристаллической структуры. Следует также отметить, что за счет явления трубчатой диффузии вдоль линии дислокаций в кристалле облегчается движение точечных дефектов [124–128].

В настоящее время отсутствуют методы непосредственного наблюдения сеток дислокаций внутри массивных кристаллов без нарушения их целостности.

Используемые в оптически прозрачных кристаллах методы выявления дислокаций путем их декорирования в данном случае неприемлемы, поскольку связаны с существенным изменением химического состава объектов, и, как следствие, нарушением структуры самого объекта исследования, который получен методом создания концентрационной неоднородности входящих в его состав элементов. В сложившихся условиях единственным критерием правомерности выбранной модели является соответствие предсказанных с ее помощью явлений конкретным результатам натурного эксперимента. В дальнейшем будет показано, что такое соответствие имеется.

Для оценки роли СДН в дрейфовых процессах в ПКВ необходимо определить ряд ее параметров, прежде всего количество дислокаций в «стенке»

волновода и касательное напряжение, действующее на единицу длины заряженной дислокации со стороны внешнего электрического поля.

4.3.2. Расчет плотности дислокаций и силы, действующей на дислокацию Вектор Бюргерса для частичной дислокации Шокли для ГПУ решетки и Х-среза НЛ составляет a b 0110 2, 4, (4.2) 3 где a – параметр решетки НЛ, равный 5,15.

Число дислокаций N в СДН, приходящееся на 1 см длины волновода складывается из дислокаций, появившихся в ходе ПО (NPE) и дислокаций, появившихся в ходе отжига (NAPE). Обе величины могут быть приближенно найдены как отношение толщины волноводного слоя к шагу сетки дислокаций, определяемому как отношение деформации к вектору Бюргерса b:

PE d PE 102 5 107 м N PE 21, 2,4 1010 м b (4.3) APE d APE 103 5 106 м N APE 21.

2,4 1010 м b Таким образом, всего в дислокационной сетке, являющейся стенкой волновода должно содержаться около 40 дислокаций. В реальном кристалле этот параметр должен быть несколько больше ввиду не параллельного расположения дислокаций в сетке.

Рассчитаем отнесенную к единице длины силу f, действующую на линию дислокации со стороны электрического поля кристалла. Линию дислокации можно рассматривать как заряженную нить, на которой закреплены точечные заряды величиной 2e0. Расстояние между зарядами равно параметру решетки a.

Полагаем внутреннее поле E в кристалле равным 107 В/м, как указано в [54].

Искомая сила, отнесенная к длине дислокации, равна 2e E 0,6 102 Н / м.

f QE (4.4) a Тогда касательное напряжение, действующее на единицу длины дислокации, равно f 25 106 Па. (4.5) b Найденная величина сопоставима с пределом текучести высокочистых кристаллов. Такое движение может приводить к смещению границы между волноводным каналом и подложкой, т.е. к медленному макроскопическому смещению границы волноводного канала.

4.3.3. Расчет количества свободных зарядов Количество протонов, содержащихся в переходной области между канальным волноводом и подложкой также можно приближенно рассчитать. Для этого нужно знать количество протонов, внесенных в кристалл в ходе ПО, и их количество после отжига. Информация о начальном содержании протонов может быть получена из структурно-фазовой диаграммы [101], и знания толщины каждой кристаллической фазы в протонообменном слое. Структурно-фазовая диаграмма приводит в соответствие определенную кристаллическую фазу и содержание в ней протонов, замещающих ионы лития (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Структурно-фазовая диаграмма ПО-слоев в НЛ [101] Толщины кристаллических фаз могут быть определены из работ И. В.

Петухова и В.И. Кичигина по травлению канальных волноводов [107;

122].

Зависимость глубины травления от времени травления и длительности ПО показана на рис. 4.14. Температура ПО для исследуемых в работе [107] образцов составляла 175 °С, для ПО использовался расплав бензойной кислоты. Указанные факторы позволяют пользоваться данными работы [107] для расчета толщины ПО-слоев образцов, исследуемых в данной работе.

Рис. 4.14. Зависимость толщины вытравленного слоя от времени при длительности ПО: 1 – 0.5 ч, 2 – 2 ч., 3 – 3 ч, 4 – 6 ч [107] Как видно из рисунка, для образцов с длительностью ПО менее 6 ч на кривой травления выделяется по два прямолинейных участка, на которых скорость травления заметно отличается. Этим участкам соответствуют определенные кристаллические фазы, в данном случае 2 и 1. С учетом прямого порядка залегания слоев [105], можно приближенно рассчитать количество протонов, содержащееся в данных фазах.

Для указанных фаз параметр x из Li1-xHxNbO3 составляет:

2 фаза: x = 0,52…0,64, среднее значение С2 = 0,58, толщина слоя d2 = 380 нм, 1 фаза: x = 0,43…0,52, среднее значение С1 = 0,48, толщина слоя d1 = 120 нм.

Для -фазы х = 0…0,12. Толщина слоя -фазы после отжига d при тех же условиях ПО составляет около 5 мкм.

Тогда для -фазы параметр х вычисляется из следующего соотношения:

х = [d2 С2+ d1 С1]/d = 0,056 при условии, что все внесенные протоны остаются в решетке НЛ после отжига.

Площадь волновода после отжига составляет 55 мкм2 = 2,5·10-8 см2, соответственно объем волновода, приходящийся на один сантиметр его длины составляет 2,5·10-8 см3. При плотности НЛ 4,6 г/см3 и молярной массе 148 г/моль, в объеме волновода, приходящемся на 1 см его длины, содержится около 5·10 структурных единиц LiNbO3. Тогда с учетом вычисленного значения x на 1 см длины волновода приходится 2,8·1014 протонов. Это значение необходимо сравнить с количеством протонов, которое требуется для создания полей, вызывающих дрейф ПП в волноводе.


Как будет показано ниже, кратковременные дрейфовые явления в ПКВ можно феноменологически интерпретировать как подачу дополнительного напряжения на систему электродов. В этом случае наблюдаемые в эксперименте дрейфы ПП эквивалентны подаче минус 0,5 В при типичном напряжении смещения 3 В. Рассчитаем, какой заряд необходимо иметь на стенке волновода, чтобы создать встречное напряжение, эквивалентное ослаблению внешнего напряжения на 0,5 В.

Расстояние между электродами примем равным 20 мкм. Диэлектрическая проницаемость НЛ в данном направлении 33=32.

Эквивалентная напряженность электрического поля составляет в данном случае Е = 0,5 В/(20·10-4 см) 30 кВ/см = 80 ед. СГСЭ/см. Волновод в предельном случае можно представить в качестве плоского конденсатора, тогда заряд Q, необходимый для создания соответствующего электрического можно найти из соотношения Q = E·33·S, где S – площадь боковой поверхности волновода.

Величина S, приходящейся на каждый сантиметр длины волновода составляет 5·10-4 см2. Тогда Q = 80·32·5·10-4 1,3 ед. заряда СГСЭ, что эквивалентно ~ 3· зарядов протона. Указанная величина на 5 порядков меньше, чем общее число протонов, внесенных в решетку НЛ, т.е. в ходе отжига один из ста тысяч протонов занимает положение на линии дислокации, сохраняя свою подвижность и принимая участие в дрейфе ПП.

4.3.4. Обсуждение результатов измерения: зарядовая модель ПКВ По результатам структурных исследований ПКВ можно предложить простую физическую модель ПКВ, в основе которой лежит несколько простых предположений:

1. Волновод со всех сторон окружен сеткой дислокаций. По бокам волновода это СДН, обусловленная несоответствием параметров решетки исходного кристалла и ПО-фаз. Дно волновода лежит в области сетки дислокаций, являющейся результатом механической обработки кристалла в процессе нарезки були на отдельные пластины и полировки их поверхности.

2. Сетка дислокаций представляет собой разрывы в атомных плоскостях, образующих кислородный каркас НЛ. Сетка дислокаций является заряженной отрицательно и притягивает к себе положительно заряженные протоны, распространяющиеся по решетке НЛ в процессе ПО и отжига.

3. Протоны, оседающие на линии дислокации, сохраняют более высокую подвижность, чем протоны, занимающие регулярные положения, ранее принадлежавшие литию. Для наблюдаемых в эксперименте дрейфовых явлений в ПКВ достаточно участия малой, порядка 0,00001 части протонов, внесенных в решетку НЛ в ходе протонного обмена. Протоны легко скользят вдоль линии дислокации, однако не могут оторваться от нее в силу зарядового взаимодействия.

Таким образом, описанную этими предположениями модель волновода можно представить в виде замкнутой полости, окружающей и частично пересекающей волновод и наполненной положительно заряженной жидкостью, способной перемещаться вдоль полости под действием электрического поля E.

Рис. 4.15. Модель ПКВ, окруженного заряженной жидкостью (поперечное сечение):

а – в отсутствие внешнего электрического поля, б – под действием внешнего электрического поля.

Для проверки предложенной модели волновода была разработана методика, основанная на испытаниях готовых ИОС. Это связано с двумя важными факторами. Первым из них является трудность прямой проверки предложенной модели методами физики твердого тела. Так, дислокации в области границы волновод – матрица невозможно детектировать оптическими методами с помощью декорирования, как это делается, например, в [113;

129], ввиду малого объема исследуемой области. Исследование концентрации протонов методами вторичной ионной масс-спектроскопии, проведенное в работе [130], также невозможно проводить на границе ПО-волновода. Наконец, канальные волноводы не подходят и для исследования методами ПДСА, т.к. площадь, на которую падает рентгеновское излучение, много больше площади сечения граничной области.

С другой стороны, канальные волноводы являются объектами интегральной оптики, на основе которых можно создавать интерференционные схемы, чрезвычайно чувствительные к изменению таких параметров волновода, как оптические потери или показатель преломления. С учетом электрооптической природы НЛ любые перемещения заряда вблизи волновода должны приводить к наведению в волноводе локального электрооптического эффекта, изменению показателя преломления и фазы распространяющегося излучения. Таким образом, представляется логичным проводить испытания предложенной модели с помощью методов интегральной оптики и на оптических объектах, описанных в п. 2.2.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ПКВ МЕТОДАМИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ 5.1. Температурные факторы, влияющие на показатель преломления волновода При проведении температурных испытаний образец может подвергаться действию ряда температурных факторов. К важнейшим из них относятся:

1. Абсолютная температура образца.

2. Направление изменения температуры (нагрев или охлаждение).

3. Скорость изменения температуры.

4. Температурная предыстория (начальная температура, от которой происходит нагрев или охлаждение).

В литературе подробно исследовалось только влияние абсолютной температуры на стабильность показателя преломления ПКВ. Между тем, с точки зрения кристаллофизики, дрейфовые процессы в кристалле в большей степени зависят от изменения температуры, вызывающего действие пироэлектрического эффекта и его релаксацию. Также при изменении температуры происходит тепловое расширение ПКВ и окружающей его матрицы, способное приводить к действию пьезоэлектрического эффекта, ввиду возможной разницы коэффициентов теплового расширения для ПКВ и матрицы.

В данной главе представлены результаты исследования всех перечисленных температурных воздействий на стабильность работы трех типов ИОС.

Полученные результаты описываются с помощью предложенной модели волновода, окруженного сеткой дислокаций. Ниже будут представлены результаты температурных испытаний ИМЦ и прямого Y-разветвителя, канального волновода.

5.2. Влияние абсолютной температуры на работу Y-разветвителя Влияние абсолютной температуры на работу Y-разветвителя вначале было исследовано на образцах с подавленным пироэлектрическим эффектом, описанных в п. 2.2.1. Для исследования применялся термоцикл, включавший в себя изменение температуры от минус 60 до плюс 80 °С, скорость изменения температуры не превышала 5,3 °С/мин. В ходе термоциклирования применялись длительные выдержки при постоянной температуре для сброса всех эффектов, связанных с температурной предысторией. Для чистоты эксперимента одновременно в термокамере находилось два образца, в одном из которых пироэффект был подавлен, а во втором – оставлен без изменений. Всего было проведено три термоцикла с шестью разными образцами 5.2.1. Результаты измерений для образцов Y-разветвителей с подавленным пироэлектрическим эффектом Для образцов Y-разветвителей с замкнутыми боковыми гранями температурные испытания не показали зависимости Iout от абсолютной темпертуры образца. Для высоких скоростей нагрева наблюдалось небольшое уменьшение Iout, однако величина этого уменьшения не превышала 1 дБм, и ее нельзя было однозначно соотнести с процессами, происходящими в структуре кристалла при изменении его температуры.

Подобный результат был получен на пяти образцах, после чего было принято решение не испытывать в дальнейшем ИОС с подавленным пироэлектрическим эффектом ввиду малой чувствительности таких образцов к изменению температуры. Одновременно было рекомендовано включить процедуры, связанные с подавлением пироэффекта в ИОС, в производственный процесс для всех типов ИОС, производимых в ОАО «ПНППК».

Несмотря на доказанную эффективность подавления пироэлектрического эффекта, было принято решение исследовать поведение образцов, в которых пироэффект не подавлялся. Этому способствовали две причины.

С точки зрения надежности реальных ИОС важно знать, как поведет себя схема при изменении температуры в условиях ухудшения свойств проводящего покрытия или в случае столь быстрого изменения температуры, что пироэффект не успевает полностью отрелаксировать в образце.

С точки зрения испытания предложенной модели волновода, пироэффект является фактором, действие которого должно адекватно описываться этой моделью во всевозможных условиях эксперимента. Таким образом, проведение испытаний на образцах с неподавленным пироэффектом было признано целесообразным. Как будет показано ниже, при действии пироэлектрического эффекта на ИОС наблюдается ряд явлений, имеющих первостепенное значение с точки зрения стабильности ИОС.

5.3. Влияние пироэлектрического эффекта на работу Y разветвителя 5.3.1. Пироэлектрический эффект в ниобате лития Пироэлектрический эффект в НЛ проявляется при изменении температуры кристалла в виде электрических зарядов, возникающих на гранях кристалла, перпендикулярных полярной оси Z. Несмотря на то, что пироэлектрический эффект известен очень давно и широко применяется, в большинстве работ по пироэффекту не указывается природа появляющихся на гранях зарядов и их свойства. В рамках данной работы эти вопросы имеют принципиальное значение и должны быть рассмотрены подробно.

Рассмотрим кристалл НЛ в состоянии теплового равновесия при постоянной температуре ниже точки Кюри. Существующая в кристалле спонтанная поляризация Ps и соответствующая ей поверхностная плотность связанных зарядов in не может быть найдена простым измерением напряжения между полярными гранями кристалла. Это связано с тем, что связанные заряды qin на противоположных гранях кристалла экранируются зарядами qout, находящимися на поверхности кристалла и в приповерхностном слое. К экранирующим зарядам qout относятся собственные заряженные дефекты кристалла, поверхностные загрязнения и заряженные частицы, притянутые поверхностью из окружающей кристалл атмосферы. Описанная система показана на рис. 5.1.


Рис. 5.1. Расположение зарядов в кристалле НЛ при постоянной температуре При изменении температуры происходит изменение Ps за счет изменения взаимного смещения катионной и анионной подрешеток. При этом соответственно меняется поверхностная плотность связанных зарядов in, причем это изменение является быстрым, т.к. не требует смещения атомов на расстояние больше параметра решетки. Однако величина qout и соответствующая плотность поверхностных зарядов out не способны изменяться с той же скоростью, т.к.

заряды, входящие в qout обладают малой подвижностью и вынуждены перемещаться на значительные расстояния. Таким образом, в момент изменения температуры кристалла зарядовое равновесие нарушается, сумма зарядов qin и qout становится не равной нулю, и это фиксируется по напряжению, возникающему на гранях кристалла. Состояние системы в случае нагрева кристалла показано на рис.

5.2.

Рис. 5.2. Состояние зарядов в НЛ при нагреве Таким образом, в качестве пироэлектрического эффекта фиксируется изменение суммы связанных и поверхностных зарядов на полярных гранях кристалла. Если новое значение температуры стабилизировать, то через некоторое время система поверхностных зарядов придет в равновесие со связанными зарядами. Для НЛ это время очень сильно зависит от температуры, чистоты и качества поверхности, состава кристалла, окружающей атмосферы. Характерное время релаксации составляет от нескольких минут до десятков часов.

Рассчитаем максимальное значение напряженности поля пироэлектрических зарядов в модуляторе, считая поверхностную проводимость равной нулю. Расположение кристаллофизических осей в Y-разветвителе показано на рис. 5.3, направление полярной оси совпадает с осью Z, направление распространения излучения совпадает с осью Y.

Рис. 5.3. Ориентация кристаллофизических осей в Y-разветвителе Рассчитаем электрическое напряжение, возникающее на гранях Y - разветвителя под действием пироэлектрического эффекта при изменении температуры кристалла на 1 °С. В первом приближении рассмотрим Y-разветвитель в качестве плоского конденсатора, емкость которого определяется C 33 0 S / d, соотношением где – относительная диэлектрическая проницаемость в направлении оси Z, d – ширина образца в направлении оси Z.

Для ниобата лития 33 = 30 ед. СГСЭ [131] для низкой частоты приложенного напряжения. Следует отметить, что при расчетах СВЧ-устройств и оптических приборов 33 уменьшается до значения около 5 ед. СГСЭ исходя из величины показателя преломления для ниобата лития. Произведение 33 и диэлектрической постоянной 0 дает значение абсолютной диэлектрической проницаемости НЛ в системе единиц СИ, измеряемое в Ф/м.

Заряд, возникающий на гранях под действием Y-разветвителя пироэлектрического эффекта, вычисляется по формуле Q T S, где T – изменение температуры образца, S – площадь боковой грани. Тогда для напряжения, возникающего на гранях Y-разветвителя справедливо соотношение U T d / 33 0. Для T = 1 °C получим значение напряжения на гранях ИОФМ 5 105 Кл / ( К м2 ) 1 К 3 103 м U 5,5 102 В / К. (5.1) 30 8,85 10 Ф / м Таким образом, при изменении температуры Y-разветвителя на 1 °К на его гранях возникает напряжение 550 В. Напряженность электрического поля в кристалле в таком случае может достигать 1760 В/см. При изменении температуры кристалла на 100 °C, что происходит при стандартных термоциклах, напряженность электрического поля может достигать 1,76·105 В/см. С учетом того, что в выражении для напряжения отсутствует площадь грани, напряженность поля пироэлектрических зарядов будет одинаковой для образцов Y-разветвителей и модуляторов на основе ИМЦ, т.к. их ширина одинакова.

5.3.2. Результаты измерений Результаты измерения Iout(t) для Y-разветвителя при термоциклировании образца и действии пироэлектрического эффекта представлены на рис. 5.4, где две красная и черная кривые отвечают двум плечам Y-разветвителя, а серая ломаная – температуре в термокамере при проведении эксперимента. Диапазон изменения температуры составлял 140 °С.

Рис. 5.4. Изменение выходного сигнала Y-разветвителя под действием пироэлектрического эффекта Как видно из представленного рисунка, на участках нагрева на одном плече Y-разветвителя наблюдается резкое падение выходной оптической мощности. В ходе последующего нагрева значение Iout восстанавливается, причем такое поведение характерно для всех циклов нагрева. Охлаждение образца не дает подобного эффекта, и анализ графика не позволяет выделить стабильного значения температуры, при котором происходит падение Iout. Увеличенный отрезок, соответствующий скорости нагрева 0,16 °С/мин представлен на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Деградация Iout при действии пироэлектрического эффекта. Скорость роста температуры 0.16 °С/мин Как видно из рисунка, падение мощности для такой скорости нагрева характерно только для одного плеча Y-разветвителя, при этом во втором плече наблюдается малое изменение выходной мощности. Рассматриваемое падение мощности можно условно разделить на три участка: А - Б – резкое увеличение оптических потерь (“исчезновение” волновода), Б - В – отсутствие волновода, В Г – восстановление волновода. Длина участка А - Б на представленном рисунке составляет 24 минуты, Б - В – 5,5 часа, В - Г – 2,5 часа. Мощность сигнала на участке Б - В (- 49 дБм) соответствует значению, которое наблюдалось бы при отсутствии волноводного канала, но при наличии входного излучения.

Для больших скоростей нагрева наблюдаются схожие явления, сопровождающиеся изменениями и в сигнале второго плеча Y–разветвителя (рис.

5.6), скорость нагрева 5,3 и 2,5 °С/мин.

Рис. 5.6. Деградация Iout при нагреве со скоростью 5.3 и 2.5 °С/мин Условие “исчезновения” волновода исследовалось также с точки зрения температуры, от которой начинается нагрев образца. Для этого был предложен термоцикл, в котором образец нагревался с разными скоростями от температуры минус 40, минус 20 и 0 °С. Скорости нагрева варьировались в ходе термоцикла, перепад температуры оставался постоянным и был равен 60 °С. Результаты измерения представлены на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Результаты термоциклирования Y-разветвителя при разной начальной температуре нагрева Из рис. 5.7 видно, что глубина деградации Iout сильно зависит от температуры, от которой нагревался образец. Для начальной температуры минус 40 °С наблюдается кратковременное, но полное «исчезновение» обоих волноводов. С ростом начальной температуры нагрева явление ослабляется и перестает наблюдаться при нагреве образца от Т = 0 °С. По этой причине обнаруженные нами явления могли не наблюдаться ранее другими исследователями, т.к. использованные параметры термоцикла (низкая начальная температура, высокая скорость нагрева, большой перепад температуры) не является типичным для испытания ИОС.

5.3.3. Обсуждение результатов измерений с Y-разветвителем В ходе температурных испытаний на большом количестве образцов Y разветвителей с действующим пироэлектрическим эффектом были установлены следующие факты:

При нагревании образца происходит резкая деградация мощности в 1.

одном из плеч Y-разветвителя.

Мощность во втором плече Y-разветвителя меняется тем сильнее, чем 2.

выше скорость нагрева.

Деградация мощности не наблюдается при охлаждении образца.

3.

При стабилизации температуры мощность в плечах Y-разветвителя 4.

восстанавливается до начальных значений.

Восстановление мощности происходит не только при стабилизации 5.

температуры, но и при дальнейшем нагреве образца.

Значение оптической мощности после восстановления не зависит от 6.

абсолютной температуры образца.

Глубина падения мощности обратно пропорциональна значению 7.

температуры, при которой начался нагрев.

Указанные явления полностью исчезают при замыкании граней образца 8.

проводящей пастой.

Указанные экспериментальные факты ниже будут интерпретированы с точки зрения предложенной модели волновода, совместно с результатами температурных испытаний ИМЦ, как того требует логика изложения.

5.4. Влияние пироэлектрического эффекта на работу ИМЦ Для исследования влияния пироэлектрического эффекта на работу ИМЦ использовалась методика оптических измерений, описанная в п. 2.6.2. Для исследования были взяты четыре образца ИМЦ без нанесения проводящей пасты, как это указано в п. 2.6.1. Образцы делились на две пары, отличавшиеся шириной канальных волноводов, заложенной на этапе фотолитографии.

Длительность термоцикла составила более 60 часов, данные записывались с частотой 0,5 Гц. Для всех образцов были получены схожие картины поведения оптического сигнала при изменении температуры, причем зависимость Iout(t) была нелинейной. Пример полного графика Iout(t) для образца из первой группы представлен на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Зависимость Iout (t) для образца ИМЦ с незамкнутой системой электродов.

Сплошная линия – значение Iout, пунктирная линия– температура образца Подробный анализ графика позволил выделить на зависимости Iout(t) участки, характерные для определенных температурных воздействий. Так для стационарной температуры без предыстории Iout сохраняет свое значение. При изменении температуры начинается периодическое изменение Iout по закону косинуса (в логарифмическом масштабе), что можно интерпретировать однозначно как движение рабочей точки по передаточной кривой (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Поведение Iout при охлаждении образца Как видно из рис. 5.9 при охлаждении образца начинается изменение Iout, которое не прекращается сразу со стабилизацией температуры. Кроме того, часть графика с начала охлаждения (180 минут) до 280 минуты можно условно разделить на две области, разделяющиеся в точке А. Можно утверждать, что после прохождения точки А на графике рабочая точка ИМЦ движется в одну сторону по передаточной кривой. Об этом свидетельствует как отсутствие разрывов в графике косинусоиды (в логарифмическом масштабе), описывающей значения Iout, так и огибающая минимумов Iout, которая в т. А сменила знак первой производной по времени.

Следующей важной особенностью поведения Iout было резкое ослабление сигнала при увеличении температуры ИОС (рис. 5.10), характерное для двух из четырех образцов и сходное с тем, что наблюдалось на образцах Y-разветвителей.

Рис. 5.10. Резкая деградация Iout при росте температуры, наблюдаемая на двух образцах ИМЦ Как видно из рис. 5.10, мощность сигнала падает примерно на 40 дБ и такое значение мощности сохраняется в течение часа и более – волновод “исчезает”.

Переходу в не волноводное состояние предшествует периодическое изменение сигнала, которое описывается косинусом и интерпретируется как движение рабочей точки ИМЦ по передаточной функции. Такие периодические осцилляции являются сопутствующими для процесса “исчезновения” волновода. Следует отметить, что в выключенном состоянии волновода этих изменений сигнала не наблюдается.

Оставшиеся два образца ИМЦ показали при нагреве наличие сопутствующего периодического изменения сигнала, но без перехода в неволноводный режим работы (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Поведение сигнала образцов, в которых не наблюдается деградации сигнала при росте температуры Таким образом, из рис. 5.10 и рис. 5.11 видно, что при действии пироэффекта на ИМЦ во всех случаях наблюдается изменение фазы излучения в плечах интерферометра, но при этом в некоторых случаях наступает резкая деградация оптической мощности и ее последующее восстановление.

5.4.1. Сравнение результатов измерения для ИМЦ с замкнутыми и разомкнутыми электродами С целью определения роли электродов в наблюдаемых при термоциклах явлениях дрейфа Iout было проведено исследование образцов с замкнутой системой электродов. Результат одновременного измерения образцов с замкнутой и разомкнутой системой электродов приведен на рис. 5.12. Увеличенный участок графика представлен на рис. 5.13.

Рис. 5.12. Поведение Iout для ИМЦ с замкнутой (красный) и незамкнутой (черный) системой электродов Рис. 5.13. Поведение Iout при нагреве ИМЦ с замкнутой (красный) и незамкнутой (черный) системой электродов Как видно из представленных рисунков, замыкание электродов модулятора приводит к резкому ослаблению действия пироэлектрического эффекта.

Наблюдаемые слабые осцилляции сигнала могут быть связаны с тем, что при замыкании электродов остаются незамкнутыми короткие (3 мм) технологические электроды, которые могут оказывать слабое влияние на ПКВ.

5.4.2. Обсуждение результатов измерений с ИМЦ В ходе экспериментов с пироэлектрическим эффектом, помимо факта возможного исчезновения канального волновода и его последующего восстановления, был получен ряд фактов, подтвержденных при испытаниях большого количества образцов:

1. Исчезновение волновода наблюдается только при нагреве образца.

2. При исследовании Y-разветвителей явлению подвержено или одно плечо разветвителя, или одно плечо гораздо сильнее, чем другое (рис. 5.5 - 5.6) 3. При замыкании граней кристалла проводящей пастой явление полностью исчезает.

4. При замыкании электродов модулятора явление исчезает или значительно ослабляется (рис. 5.12 - 5.13).

5. При экспериментах с ИМЦ перед исчезновением канала наблюдается изменение выходной мощности, соответствующее движению рабочей точки интерферометра по передаточной функции (рис. 5.10).

6. Наблюдаемая выходная мощность соответствует не полному выключению лазера, а вводу излучения в кристалл так, как будто в нем отсутствует волновод.

7. В экспериментах с прямым волноводом явление пронаблюдать не удалось.

8. На некоторых образцах наблюдались сопутствующие явления без исчезновения канала. Эти образцы отличались от других по ширине волноводов и режиму их создания.

9. Глубина падения мощности и скорость восстановления волноводных свойств зависят от значения температуры, при котором начинается нагрев образца.

Указанные факты могут быть объяснены с помощью предложенной модели волновода, окруженного областью, содержащей повышенное количество заряженных дефектов в подвижном состоянии.

Начнем рассмотрение с самого сильного явления – резкой деградации волноводных свойств при нагреве образца (“исчезновения” волновода). С точки зрения интегральной оптики исчезновение волновода трактуется таким образом, что распространение фундаментальной моды излучения больше не поддерживается волноводом. Математически это означает, что при существующих граничных условиях волновое уравнение 2 Ez (k02n2 2 ) Ez 0, (5.1) x описывающее ТЕ-моду излучения, не имеет действительных решений.

С точки зрения кристаллофизики к этому могут приводить следующие явления. При повышении температуры кристалла за счет одновременного действия пироэлектрического и электрооптического эффектов должно происходить увеличение показателя преломления во всем объеме кристалла, как это следует из формулы (1.3) и рис. 5.2. Важно отметить, что увеличение ПП кристалла следует из того, что возникающее при нагреве пирополе направлено противоположно полярной оси кристалла, что обусловлено уменьшением спонтанной поляризации при нагреве сегнетоэлектрика.

В отсутствие подвижных зарядов при действии пироэффекта контраст волновода остается неизменным и никаких особенностей в распространении излучения быть не должно. Однако, если предположить, что волновод окружен областью с повышенным содержанием заряженных дефектов, то тогда под действием пироэффекта эти дефекты перераспределились бы таким образом, чтобы минимизировать влияние внешнего электрического поля на волновод, создавая деполяризующее поле внутри волновода. Иначе говоря, произошла бы экранировка пирополя заряженными дефектами.

В таком случае показатель преломления волновода nf увеличился бы в меньшей степени, чем показатель преломления окружающего кристалла ns. Тогда при определенных условиях возможно достижение такого значения разности (nf - ns), при котором, в соответствии с рис. 1.5, волновое уравнение (5.1) перестает иметь решение в действительной области. В эксперименте это наблюдалось бы как быстрое исчезновение волновода.

Гипотеза об окружении волновода подвижными зарядами позволяет объяснить и другие экспериментальные факты.

1. Исчезновение волновода наблюдается только при нагреве образца.

При охлаждении образца происходит уменьшение показателя преломления всего кристалла. Тогда с учетом гипотезы о подвижных зарядах контраст волновода должен увеличиваться, и его волноводные свойства на изгибных участках – улучшаться. В проведенных экспериментах это явление скрадывается за счет процессов, происходящих в клее, находящемся в точке соединения волоконного световода и ПКВ. Малые деформации этого клеевого слоя при тепловом расширении приводят к изменению взаимного расположения волоконного световода и ПКВ и, как следствие, изменению значения Iout, на фоне которого увеличение выходной мощности за счет повышения контраста волновода становится незаметным.

2. При исследовании Y-разветвителей явлению подвержено или одно плечо разветвителя, или одно плечо гораздо сильнее, чем другое.

В зарядовом смысле плечи Y-разветвителя представляют собой единую систему, т.к. у них есть точка соединения. В этом случае подвижные заряды, в отсутствие пироэффекта распределенные равномерно вблизи двух плеч Y разветвителя могут перераспределиться под действием пироэффекта таким образом, что их количество вблизи одного плеча станет больше чем вблизи другого. Тогда и эффект от их воздействия для двух плеч будет разным (рис.

5.14).

Рис. 5.14. Перетекание заряда под действием пироэлектрического поля в области соединения волноводов Указанное явление приводит к тому, что одно плечо исчезает полностью, а второе – не исчезает совсем или исчезает частично и на короткое время.

3. При замыкании граней кристалла проводящей пастой явление не наблюдается.

При замыкании граней кристалла релаксация пироэлектрических зарядов происходит за короткое время, величина пироэлектрического поля не достигает значений, достаточных для исчезновения волновода.

4. При замыкании электродов модулятора явление значительно ослабляется.

Это интересный факт, для объяснения которого требуется включение в предложенную модель также системы электродов. По-видимому, электроды модулятора каким-то образом усиливают действие пироэлектрического поля. Это может происходить за счет того, что в электродах, находящихся на поверхности кристалла под действием краевых эффектов происходит перераспределение электронов таким образом, что создается дополнительное поле Eind, сонаправленное с пирополем Epyro и усиливающее его (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Электрические поля в чипе ИОС при переменной температуре.

Расчет величины этого поля представляется трудной задачей ввиду влияния краевых эффектов и малой толщины электродов.

5. При экспериментах с ИМЦ перед исчезновением канала наблюдается изменение выходной мощности, соответствующее движению рабочей точки интерферометра по передаточной функции.

Для ИМЦ изменение показателя преломления, неодинаковое в плечах интерферометра, должно приводить к изменению разности фаз для правого и левого плеча и модуляции оптического сигнала, соответствующей движению РТ по передаточной функции. Это движение можно отнести к обязательным предварительным явлениям, предшествующим исчезновению волновода.

6. Наблюдаемая выходная мощность соответствует не полному выключению лазера, а вводу излучения в кристалл без волновода.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.