ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2025-92-11-14-22

УДК: 535.3

Метод определения параметров градиентных протонообменных волноводов в монокристаллах и твердых растворах

Сосунов А.В., Петухов М.И., Мололкин А.А., Фахртдинов Р.Р., Савельев Е.Д., Шур В.Я.
Ссылка для цитирования:

Сосунов А.В., Петухов М.И., Мололкин A.A., Фахртдинов Р.Р., Савельев Е.Д., Шур В.Я. Метод определения параметров градиентных протонообменных волноводов в монокристаллах и твердых растворах // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 11. С. 14–22. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-14-22

 

Sosunov A.V., Petukhov M.I., Mololkin A.A., Fakhrtdinov R.R., Savelyev E.D., Shur V.Ya. Method for determining the parameters of gradient channel proton-exchange waveguides in single crystals and solid solutions [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 11. P. 14–22. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-11-14-22

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Определение параметров градиентных волноводов, необходимых для изготовления интегрально-оптических схем с низкими оптическими потерями. Цель работы. Разработка нового подхода для определения всех основных параметров градиентных протонообменных волноводов в монокристаллах и твердых растворах. Метод. Для реконструкции профилей волноводов использованы методы конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния, призменного элемента связи и численное решение классического уравнения переноса. Основные результаты. Реконструированы градиентные профили протонообменных волноводов, сформированных в кристаллах ниобата лития и твердого раствора ниобата-танталата лития Х- и Z- срезов, с помощью измерения линии OH-групп в спектре комбинационного рассеяния. Рассчитанные профили достаточно хорошо согласуются с результатами, полученными методом призменной связи и теорией диффузии. Это позволяет с высокой точностью определять глубину волноводного слоя. Приращение показателя преломления может быть рассчитано из калибровочного графика, представленного в работе, устанавливающего зависимость между интенсивностью комбинационного рассеяния в области ОН-групп и приращением показателя преломления. Этот простой метод позволяет оценить все основные параметры протонообменных волноводов в любой точке, что недоступно для других подходов. Практическая значимость. Результаты могут быть использованы для быстрого и неразрушающего контроля параметров градиентных протонообменных волноводов в устройствах интегральной фотоники.

Ключевые слова:

ниобат лития, твердый раствор ниобата-танталата лития, протонный обмен, оптический волновод, конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния

Благодарность:

работа выполнена при поддержке РНФ и Министерства образования и науки Пермского края (проект № 24-22-20097). Экспериментальные образцы кристаллов ниобата-танталата лития изготовлены в ходе выполнения проектов по гос. заданиям [грант № 075-00295-25-00] и [грант № FSME-2023-0003]. Авторы благодарят Уральский центр коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ за проведение измерений методом конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния.

Коды OCIS: 130.2790

Список источников:
  1. Du Y., Pang Z., Zou Y., et al. Proton exchange-enhanced surface activated bonding for facile fabrication of monolithic lithium niobate microfluidic chips // Chem. Eng. J. 2024. V. 496. P. 154046. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154046
  2. Cai L., Han S., Hu H. Waveguides in single-crystal lithium niobate thin film by proton exchange // Opt. Exp. 2015. V. 23. P. 1240–1248. https://doi.org/10.1364/OE.23.001240
  3. Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2. P. 040603. https://doi.org/10.1063/1.4931601
  4. Karagöz E., Aşık F.Y., Gökkavas M., et al. Reduction in temperature-dependent fiber-optic gyroscope bias drift by using multifunctional integrated optical chip fabricated on pre-annealed LiNbO3 // Photonics. 2024. V. 11. P. 1057. https://doi.org/10.3390/photonics11111057
  5. Savelyev E., Akhmatkhanov A., Tronche H., et al. Kinetics of the domain structure in uniform electric field in LiNbO3 with surface layer modified by soft proton exchange // Phys. Status Solidi RRL. 2024. V. 18. P. 2300420. https://doi.org/10.1002/pssr.202300420
  6. Bashir U., Klimm D., Rüsing M., et al. Evaluation and thermodynamic optimization of phase diagram of lithium niobate tantalate solid solutions // J. Mater. Sci. 2024. V. 59. P. 12305. https://doi.org/10.1007/s10853-024-09932-7
  7. Kofahl C., Dörrer L., Wulfmeier H., et al. Hydrogen diffusion in Li(Nb,Ta)O3 single crystals probed by infrared spectroscopy and secondary ion mass spectrometry // Chem. Mater. 2024. V. 36(3). P. 1639. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c02984
  8. Sosunov A.V., Petukhov I.V., Kornilicyn A.R., et al. Structure and properties of proton exchange layers in lithium niobate-tantalate solid solutions // Solid State Ionics. 2024. V. 417. P. 116692. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2024.116692
  9. White J.M., Heidrich P.F. Optical waveguide refractive index profiles determined from measurement of mode indices: A simple analysis // Appl. Opt. 1976. V. 15. № 1. P. 151. https://doi.org/10.1364/AO.15.000151
  10. Chiang K. Construction of refractive-index profiles of planar dielectric waveguides from the distribution of effective indexes // J. Light. Technol. 1985. V. 3. № 2. P. 385. https://doi:10.1109/JLT.1985.1074194
  11. Свистунов Д.В. Модификация методики определения максимального показателя преломления в градиентном волноводе // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 1. С. 3–8.

Svistunov D.V. Modification of a technique for determining the maximum refractive index in a gradient waveguide // J.  Opt. Technol. 2015. V. 82. P. 1. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000001

  1. Колосовский Е.А., Петров Д.В., Царев А.В. Численный метод восстановления профиля показателя преломления диффузных волноводов // Квант. электрон. 1981. Т. 8. № 12. С. 2557–2568.

Kolosovskiĭ E.A., Petrov D.V., Tsarev A.V. Numerical method for the reconstruction of the refractive index profile of diffused waveguides // Sov. J. Quant. Electron. 1981. V. 11. P. 1560. https://doi.org/10.1070/QE1981v011n12ABEH008650]

  1. Lenzini F., Kasture S., Haylock B., et al. Anisotropic model for the fabrication of annealed and reverse proton exchanged waveguides in congruent lithium niobate // Opt. Exp. 2015. V. 23. P. 1748. https://doi.org/10.1364/OE.23.001748
  2. Vohra S.T., Mickelson A.R., Asher S.E. Diffusion characteristics and waveguiding properties of proton exchanged and annealed LiNbO3 channel waveguides // J. Appl. Phys. 1989. V. 66. P. 5161. https://doi.org/10.1063/1.343751
  3. Neradovskiy M., Tronche H., Chezganov D.S., et al. Nonlinear characterization of waveguide index profile: Application to ion-exchanged LiNbO3 // J. Light. Tech. 2021. V. 39(14). P. 4695–4699. https://doi:10.1109/JLT.2021.3077637
  4. Kostritskii S.M., Korkishko Y.N., Fedorov V.A., et al. Phase composition and electro-optic properties of proton-exchanged waveguides in lithium niobate crystals // J. Appl. Spectrosc. 2015. V. 82. P. 234. https://doi.org/10.1007/s10812-015-0091-2
  5. Roshchupkin D.V., Emelin E., Plotitcina E., et.al. Single crystals of ferroelectric lithium niobate-tantalate LiNb1–xTaxO3 solid solutions for high-temperature sensor and actuator applications // Acta Crystallographica. Section B: Structural Sci. 2020. V. 76. P. 1071. https://doi.org/10.1107/S2052520620014390
  6. Roshchupkin D., Fakhrtdinov R., Redkin B., et al. Growth of ferroelectric lithium niobate-tantalate LiNb(1–x)TaxO3 crystals // J. Cryst. Growth. 2023. V. 621. P. 127377. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2023.127377
  7. Першин С.М. Спектроскопия комбинационного рассеяния колебаний OH-групп структурных комплексов жидкой воды // Опт. и спектроск. 2005. Т. 98. № 4. С. 594–605.

 Pershin S.M. Raman spectroscopy of the OH group vibrations in structural complexes of liquid water // Opt. Spectrosc. 2005. V. 98. P. 543. https://doi.org/10.1134/1.1914890]

  1. Galinetto P., Marinone M., Grando D., et al. Micro-Raman analysis on LiNbO3 substrates and surfaces: Compositional homogeneity and effects of etching and polishing processes on structural properties // Opt. Laser Eng. 2007. V. 45. P. 380. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.05.007
  2. Schmidt N., Betzler K., Grabs M., et al. Spatially resolved second harmonic generation investigations of proton induced refractive index changes in LiNbO3 // J. Appl. Phys. 1979. V. 50. P. 3063. http://doi.org/10.1063/1.343018
  3. Petukhov I.V., Sosunov A.V., Kichigin V.I., et al. Visualization of κ1-phase in proton-exchange waveguides on the surface of lithium niobate crystal // Ferroelectrics. 2023. V. 605(1). P. 67. https://doi.org/10.1080/00150193.2023.2169011
  4. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. Relationship between refractive indices and hydrogen concentration in proton exchanged LiNbO3 waveguides // J. Appl. Phys. 1997. V. 82. P. 1010–1017. https://doi.org/10.1063/1.365864