RU2594987C1 - Интегрально-оптический элемент - Google Patents
Интегрально-оптический элемент Download PDFInfo
- Publication number
- RU2594987C1 RU2594987C1 RU2015131664/28A RU2015131664A RU2594987C1 RU 2594987 C1 RU2594987 C1 RU 2594987C1 RU 2015131664/28 A RU2015131664/28 A RU 2015131664/28A RU 2015131664 A RU2015131664 A RU 2015131664A RU 2594987 C1 RU2594987 C1 RU 2594987C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- substrate
- optical waveguide
- integrated optical
- optical element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Интегрально-оптический элемент, включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки. Глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·1028 м-3. Интегрально-оптический элемент имеет простую по исполнению конструкцию и при этом сохраняет свойство выделения поляризации, а также имеет низкие оптические потери. 2 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к устройствам интегральной оптики и может быть использовано для изготовления интегрально-оптических схем, требующих высокой степени выделения линейной поляризации света, например, таких как фазовые интегрально-оптические модуляторы в составе волоконно-оптических гироскопов или амплитудные модуляторы с высоким коэффициентом экстинкции. Более конкретно настоящее изобретение относится к интегрально-оптическим волноводам на подложке ниобата лития, поддерживающим распространение только одной заданной линейной поляризации света (поляризаторам).
Интегрально-оптические схемы представляют собой волноводные структуры с различной функциональностью, такие как передающие линии, модуляторы, поляризаторы и т.д. Для интегрально-оптических схем на основе ниобата лития (LiNbO3) характерны следующие конструкции: протонно-обменные оптические волноводы, встроенные в подложку из ниобата лития и титан-диффузионные оптические волноводы, также встроенные в подложку из ниобата лития.
Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 6374005, МПК G02B 6/13, опубликован 16.04.2002), включающий подложку из кристалла ниобата лития, оптический волновод, сформированный в верхней поверхности подложки из ниобата лития, образованный обменом ионов лития Li+, входящих в состав кристалла, на протоны H+, и два электрода, расположенные вблизи оптического волновода.
Недостатком известного устройства, представляющего собой образованный в подложке ниобата лития протонно-обменный волновод, является то, что в приповерхностном слое кристалла формируются различные дефекты, благодаря резким изменениям фазового состава этой части интегрально-оптического волновода в течение как протонного обмена, так и послеобменного отжига. Появление значительного количества дефектов приводит к формированию приповерхностного нарушенного слоя, вызывая значительное рассеивание света и, как следствие, заметный рост оптических потерь (0,5 Дб/см) в изготавливаемом интегрально-оптическом волноводе. Помимо этого данная конструкция обладает высокой температурной восприимчивостью. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения на последующие технологические операции, требующие высоких температур, например термодиффузия, а также условия эксплуатации таких поляризаторов.
Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 8189981, МПК G02B 6/10, опубликован 29.05.2012), включающий кристаллическую подложку из ниобата лития, сформированный в верхней поверхности подложки оптический волновод, образованный путем воздействия на верхнюю поверхность подложки из ниобата лития мягким протонно-обменным раствором, содержащим протонно-обменную кислоту и литиевую соль протонно-обменной кислоты при температуре, меньшей точки кипения раствора при атмосферном давлении, и последующего отжига мягкого протонно-обменного слоя в парах воды для предотвращения образования воды из протонов ниобата водорода и испарения из верхней поверхности подложки.
Известный интегрально-оптический элемент, состоящий из подложки из ниобата лития и сформированного в ней протонно-обменного волновода, имеет значительные оптические потери (0,5 Дб/см), которые к тому же возрастают при росте температуры.
Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 4329016, МПК С23С 10/00, С23С 10/28, С30В 31/00, опубликован 11.05.1982), включающий подложку из ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод с концентрацией ионов титана, образованный термической диффузией титана из нанесенной на поверхность подложки композитной пленки, содержащей окись титана и двуокись кремния. Концентрация ионов титана подбиралась так, чтобы обеспечить минимальные потери в волноводе.
Известный интегрально-оптический элемент имеет ненарушенный приповерхностный слой, однако он поддерживают распространение как обыкновенной, так и необыкновенной волн и не обладает свойством выделения поляризации проходящего через него света.
Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 4789212, МПК G02B 06/126, опубликован 12.03.1998), включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод шириной 4-8 мкм, образованный термической диффузией титана, нанесенный на оптический волновод диэлектрический слой из ZnO толщиной 200-2000 ангстрем, поверх которого нанесен слой алюминия толщиной более 1000 ангстрем.
Известный интегрально-оптический элемент обладает способностью выделять линейную поляризацию проходящего через него светового излучения, однако он достаточно сложен в изготовлении.
Известен интегрально-оптический элемент, работающий в диапазоне длин волн 1500-1600 нм, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (I.V. Il′ichev, N.V. Toguzov, А.V. Shamray, "Plasmon-polariton polarizers on the surface of single-mode channel optical waveguides in lithium niobate", Technical Physics Letters, September 2009, Volume 35, Issue 9, p.p. 831-833). Устройство-прототип включает подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-8 мкм и толщиной 100-120 нм, нанесенной на поверхность подложки, диэлектрический буферный слой из A2O3 нанесенный поверх оптического волновода, и алюминиевую пленку, нанесенную на диэлектрический буферный слой. Глубина оптического волновода в интегрально-оптическом элементе-прототипе составляла 5,0-7,0 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе не превышала 1027 м-3. Сформированный в подложке из кристалла ниобата лития волновод поддерживал как обыкновенную, так и необыкновенную поляризации. Буферный слой из A2O3 толщиной 15 нм, алюминиевая пленка толщиной 100 нм предназначены для возбуждения плазмонно-поляритонных мод и подавления моды, поляризованной перпендикулярно границе раздела металл/диэлектрик.
Такая конструкция интегрально-оптического элемента, обладающего свойством выделения поляризации, характеризуется высоким коэффициентом выделения заданной поляризации (19 Дб/мм) и отсутствием температурной восприимчивости, однако устройство-прототип имеет значительные оптические потери, и для его изготовления необходимо использовать сложный технологический процесс, требующий дополнительное напыление слоев с высокой точностью по толщине (±5 нм).
Задачей настоящего изобретения разработка такого интегрально-оптического элемента, работающего в диапазоне длин волн 1500-1600 нм, который бы имел более простую по исполнению конструкцию и при этом сохранял свойство выделения поляризации, а также имел низкие оптические потери.
Поставленная задача решается тем, что интегрально-оптический элемент включает подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки, при этом глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·1028 м-3.
Новым в интегрально-оптическом элементе является то, что оптический волновод выполнен термической диффузией титана из титановой полоски таким образом, что образовываемый волновод имеет глубину 3-4 мкм и максимальную концентрацию ионов титана (1-5)·1028 м-3. Данные параметры оптического волновода обеспечивают, с одной стороны, распространение только одной поляризации и, с другой стороны, низкий уровень потерь. При концентрации ионов титана менее 1028 м-3 волновод начинает поддерживать две ортогональные поляризации (обыкновенную и необыкновенную). Концентрацию ионов титана более 5·1028 м-3 затруднительно получить при глубине оптического волновода 3-4 мкм, помимо этого концентрации свыше 5·1028 также приводят к увеличению потерь. При глубине оптического волновода менее 3 мкм возрастают потери. При глубине волновода более 4 мкм сложно обеспечить максимальную концентрацию ионов титана в сформированном волноводе более 1028 м-3.
В отличие от устройства-прототипа, в настоящем интегрально-оптическом элементе используются анизотропные свойства кристалла ниобата лития, что приводит к различной величине изменения показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн в образованном в подложке из кристалла ниобата лития оптическом волноводе. Было обнаружено, что существует диапазон глубин оптического волновода и концентраций ионов титана в оптическом волноводе, сформированном методом термической диффузии титана в кристалл ниобата лития, при котором, с одной стороны, оптический волновод обладает низкими потерями, что необходимо для качественных интегрально-оптических элементов, а с другой стороны, не поддерживает распространение по оптическому волноводу обыкновенной волны света. Данный интервал глубин оптического волновода составляет 3-4 мкм, а концентрация ионов титана составляет (1-5)·1028 1/м3.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически показано в поперечном разрезе настоящее интегрально-оптическое устройство (h - глубина оптического волновода);
на фиг. 2 приведена зависимость длин волн отсечки для обыкновенной и необыкновенной волн, распространяющихся в оптическом волноводе, сформированном в подложке из ниобата лития, от концентрации титана в оптическом волноводе.
Настоящую конструкцию интегрально-оптического элемента изготавливают следующим образом: на подложке 1 ниобата лития (см. фиг. 1) формируют полоску титана. После этого проводят высокотемпературный отжиг при температуре 1000-1100°C, в течение времени, необходимого для достижения глубины диффузии 3-4 мкм, необходимой для формирования оптического волновода 2, и достижения в образовываемом оптическом волноводе 2 концентрации титана (1-5)·1028 1/м3.
Для изготовления интегрально-оптического элемента, работающего в качестве поляризатора в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1500-1600 нм), ширина полоски обычно лежит в диапазоне от 3 до 7 мкм, а ее толщина в диапазоне от 60 до 80 нм, время отжига не превышает 5 часов.
В соответствии с настоящим изобретением было изготовлено 3 образца интегрально-оптического элемента на подложке из кристалла ниобата лития. Использовали подложки из кристалла ниобата лития X среза. На подложках при помощи магнетронного напыления формировали полоски титана различной ширины от 3 до 7 мкм и толщиной 80 нм. Затем производили термодиффузию титана при температуре 1050°C в течение различных времен отжига. В результате, за счет термодиффузии, формировалась область повышенного показателя преломления, являющаяся оптическим волноводом. Один образец имел максимальную концентрацию титана 1028 1/м3 и глубину диффузии 3 мкм, второй образец имел максимальную концентрацию титана 5·1028 1/м3 и глубину диффузии 4 мкм, третий образец имел максимальную концентрацию титана 3,5·1028 1/м3 и глубину диффузии 3,5 мкм. Все три образца обеспечивали распространение необыкновенно поляризованной волноводной моды и отсечку и вытекание обыкновенно поляризованной моды в диапазоне длин волн 1500-1600 нм. Из фиг. 2 видно, что для длины волны телекоммуникационного диапазона 1,55 мкм при концентрациях титана в сформированном волноводе свыше 1·1028 м-3 обыкновенная волна не распространяется по оптическому волноводу. Экспериментально был измерен коэффициент выделения поляризации для каждого образца. Для всех образцов коэффициент выделения поляризации превышал 40 Дб/см. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с проведенным теоретическим моделированием с использованием литературных данных по коэффициентам диффузии титана (см. М. Fukuma, J. Noda and H. Iwasaki, "Optical properties in titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides," J. Appl. Phys., vol. 49, no. 7, pp. 3693-3698, Jul. 1978).
Таким образом, настоящая конструкция интегрально-оптического элемента на подложке из кристалла ниобата лития обеспечивает высокий коэффициент выделения заданной поляризации, низкие оптические потери, низкую температурную восприимчивость и простоту изготовления в одном технологическом процессе. Более того, настоящая конструкция интегрально-оптического элемента позволяет изготавливать сложные схемы, поддерживающие распространение обеих собственных поляризаций, где участки выделяют поляризацию, топологией полосок титана.
Claims (1)
- Интегрально-оптический элемент, включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки, при этом глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·1028 м-3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015131664/28A RU2594987C1 (ru) | 2015-07-29 | 2015-07-29 | Интегрально-оптический элемент |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015131664/28A RU2594987C1 (ru) | 2015-07-29 | 2015-07-29 | Интегрально-оптический элемент |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2594987C1 true RU2594987C1 (ru) | 2016-08-20 |
Family
ID=56697161
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015131664/28A RU2594987C1 (ru) | 2015-07-29 | 2015-07-29 | Интегрально-оптический элемент |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2594987C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1089542A1 (ru) * | 1983-01-17 | 1984-04-30 | Ордена Ленина Физический Институт Им.П.Н.Лебедева | Интегрально-оптический модул тор |
JPH0359603A (ja) * | 1989-07-28 | 1991-03-14 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ti拡散LiNbO↓3光導波路とその製造方法 |
RU2089928C1 (ru) * | 1994-09-28 | 1997-09-10 | Кубанский государственный университет | Способ создания оптических канальных волноводов в ниобате лития |
EP1260839B1 (en) * | 2001-05-14 | 2014-09-24 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical waveguide and method of its manufacture |
-
2015
- 2015-07-29 RU RU2015131664/28A patent/RU2594987C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1089542A1 (ru) * | 1983-01-17 | 1984-04-30 | Ордена Ленина Физический Институт Им.П.Н.Лебедева | Интегрально-оптический модул тор |
JPH0359603A (ja) * | 1989-07-28 | 1991-03-14 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ti拡散LiNbO↓3光導波路とその製造方法 |
RU2089928C1 (ru) * | 1994-09-28 | 1997-09-10 | Кубанский государственный университет | Способ создания оптических канальных волноводов в ниобате лития |
EP1260839B1 (en) * | 2001-05-14 | 2014-09-24 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical waveguide and method of its manufacture |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5313198B2 (ja) | 導波路型偏光子 | |
Miyazawa | Ferroelectric domain inversion in Ti‐diffused LiNbO3 optical waveguide | |
US5082349A (en) | Bi-domain two-mode single crystal fiber devices | |
Armenise | Fabrication techniques of lithium niobate waveguides | |
WO2019061900A1 (zh) | 一种高偏振消光比铌酸锂波导及其制作方法 | |
CN107037532B (zh) | 长周期波导光栅的制备方法 | |
WO2021031416A1 (zh) | 铌酸锂光波导芯片 | |
Courjal et al. | Lithium niobate optical waveguides and microwaveguides | |
Karavaev et al. | Polarization separation in titanium-diffused waveguides on lithium niobate substrates | |
Rambu et al. | Analysis of high-index contrast lithium niobate waveguides fabricated by high vacuum proton exchange | |
Masuda et al. | Electro-optic and dielectric characterization of ferroelectric films for high-speed optical waveguide modulators | |
JPH083581B2 (ja) | 電気光学的モード変換装置 | |
Armenise et al. | Fabrication and characteristics of optical waveguides on LiNbO3 | |
Ziling et al. | Optical and structural properties of annealed PE: LiNbO3 waveguides formed with pyrophosphoric and benzoic acids | |
WO2014075546A1 (zh) | 悬空式光波导及其制备方法 | |
Kostritskii et al. | Subsurface disorder and electro-optical properties of proton-exchanged LiNbO 3 waveguides produced by different techniques | |
JP4642356B2 (ja) | ニオブ酸リチウムデバイスを安定化させるための緩衝層構造 | |
CN113388892A (zh) | 一种钛扩散制备铌镁酸铅钛酸铅光波导的方法 | |
RU2594987C1 (ru) | Интегрально-оптический элемент | |
JP2005515485A6 (ja) | ニオブ酸リチウムデバイスを安定化させるための緩衝層構造 | |
Chen et al. | Lithium-Niobate Mach-Zehnder Interferometer With Enhanced Index Contrast by SiO 2 Film | |
TW200933224A (en) | Metal-diffused single polarization light waveguide chip and manufacturing method thereof | |
CN105074545B (zh) | 光波导元件以及光波导元件的制造方法 | |
US20220365379A1 (en) | Structure for an optoelectronics platform and method of fabricating a structure for an optoelectronics platform | |
Caccavale et al. | A secondary‐ion‐mass spectrometry study of magnesium diffusion in lithium niobate |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190416 Effective date: 20190416 |