Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Н Н LA
Эта модель при расчете концентрационного профиля С , дает ре-
н
зультаты, близкие к экспериментальным.
Во всех случаях в процессе протон-замещения [84, 87, 93, 94] продвижение концентрационного фронта в глубь подложки хорошо описывается законом d « л/Dt (рис. 18.15).
398
Из рис. 18.15 видно, что присутствие буфера снижает скорость продвижения концентрационного фронта.
Как отмечалось ранее, волноводы, полученные в результате ионного обмена в чистой бензойной кислоте, не отличаются стабильностью свойств. Отжиг, используемый для стабилизации свойств таких волноводов, размывает концентрационный профиль. Кинетика отжига описывается моделью диффузии в полубесконечном пространстве. Распределение концентраций в этом случае определяется [59] выражениями
»е
С
я*
'и+
Г
/""О 2 н+ erf - , 2 /
Лс\ 2 U erfc V
Рис. 18.16. Зависимости показателя преломления пс для Z-среза LiNbOj от длительности процесса (Т = 247 °С) протон-замещения [59]. Длительность процесса в часах:
7 -4; 2 -8;3-12; 4-16
h-x
+ erf-
h+x
2 jDfft W DHt
H‘
-x c h + x r + erfc-
(18.13, a)
(18.13,6)
где CH, hCj., - начальная концентрация ионов H+ и Li+;
h - начальная толщина волноводного слоя.
Сопоставлением концентрационных профилей, полученных экспериментально и рассчитанных с использованием выражений (18.13, а) и (18.13, б), были получены [52] коэффициенты диффузии ионов Н+ и Li+, равные ?»я+ = 2,14-1(Н см2/с и йц+ = 2,25-1(Н см2/с.
Зависимость показателя преломления от изменения состава волноводного слоя можно считать линейной до некоторого предела АС = = 3,5-1021 см'3.
Величина Ап в линейной области определяется [59] выражением
Ал = 3,4-10-23-АСдля0 < АС < 3,5 -102‘ см 3.
(18.14)
В общем случае концентрационный профиль показателя преломления можно представить в виде
399
п(С') = По + ДМтах[1 - ехр(-аС*)],
(18.15)
где С* - приведенная концентрация (от 0 до 1);
Дитах - максимальное изменение показателя преломления в волноводном слое (изменение вблизи поверхности подложки);
ст - параметр (ст = 11).
Профили показателя преломления для различных параметров процесса ионного обмена показаны на рис. 18.16.
Из приведенных на рис. 18.16 зависимостей видно, ¦гго профиль показателя преломления тем ближе к ступенчатому, чем меньше длительность отжига.
18.2.2. Получение волноводов методом ГО в кристаллах ЫТаОз
Относительно низкая температура Кюри у кристаллов 1лТаОз ограничивает возможности использования высокотемпературных металл-диффузионных методов получения волноводных слоев на подложках кристаллов ЬГГаОз. Поэтому такой низкотемпературный процесс, как протон-замещение, для кристаллов LiTa03 оказывается особенно перспективным. С применением протон-замещения получены волноводные слои на подложках LiTa03 Х-среза [36, 44, 46 - 48, 95], К-среза [96], Z-среза [97, 98]. Изменение показателя преломления танталата лития при ПЗ (Ап = 0,019) несколько меньше, чем у ниобата лития, однако вполне достаточное для получения волновода. Важным преимуществом ЬГГаОз перед LiNb03 является то, что при ПЗ в 1лТаОз электрооптические свойства меняются очень мало [97], тогда как в LiNb03 величина г33 падает почти до нуля и частично (на 2/3) восстанавливается только после дополнительного отжига.
Техника ПЗ для 1лТаОз практически такая же, как и для LiNb03. В качестве источников протонов используются те же кислоты, а кинетика ПЗ зависит от степени кислотности источника. При использовании бензойной кислоты температура процесса ПЗ может меняться в пределах 220...245 °С, а время выдержки в кислоте может колебаться от одного до нескольких часов [99]. После проведения процесса кристаллы отмываются в органических растворителях (ацетон). Концентрационный профиль и профиль Ап(у) после процесса ПЗ близки к ступенчатым. Движение фронта концентрационного профиля, как и
для LiNb03, можно описать выражением d » %/d7, где d - толщина волноводного слоя; t - продолжительность процесса протон-замещения. Коэффициент диффузии D определяется законом Аррениуса [99]. Температурная зависимость коэффициента диффузии приведена на рис. 18.17. Величина коэффициента диффузии определяется параметрами Do = 1,45-Ю9 мкм2 ч-1 и Q = 1,04эВ.
400
Волноводы, полученные после проведения процесса ПЗ, характеризуются нестабильностью свойств и достаточно высокими потерями. Для устранения этих недостатков волноводных слоев после процесса ПЗ проводится их отжиг при температурах 350...450 °С. Такой отжиг увеличивает толщину волноводного слоя и понижает величину Ап, а изменение показателя преломления в поверхностном слое Ап уменьшается (d увеличивается в три раза, а Ап уменьшается от 0,019 до 0,012 [100]). Так же как и в LiNbCb, в волноводных слоях Н : LiTaCb рассматривается несколько фаз [90, 100, 101]. Учитывая сходство фазовых диаграмм Lii-xHxNbCb и Lii-хНЛаОз, по аналогии с Lii-xHxNbCh фазовые превращения при отжиге Lii-хНДаОз можно представить как переход от высококонцентрационной p-фазы к твердому раствору Н+ в LiNbCb (a-фазе). При исследовании отжига волноводных слоев Н : LiTaCb, полученных выдержкой в бензойной кислоте в течение 8 ч при 240 °С (отжиг проводился при различных температурах в интервале 265... 420 °С в течение 1 ч при каждой данной температуре), замечено:
