О роли анизотропии и нелинейных диффузионных эффектов при формировании волноводов в кристалле ниобата лития

Авторы

  • Виталий Анатольевич Демин (Vitaliy A. Demin) Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Максим Иванович Петухов (Maxim I. Petukhov) Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Роман Сергеевич Пономарев (Roman S. Ponomarev) Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Анастасия Валерьевна Топова (Anastasia V. Topova) Пермский государственный национальный исследовательский университет

DOI:

https://doi.org/10.17072/1994-3598-2021-1-49-58

Ключевые слова:

канальные волноводы, диффузионные процессы, численное моделирование, анизотропия кристалла

Аннотация

Проведено численное моделирование процесса диффузионного насыщения протонами монокристалла ниобата лития при создании системы двух канальных волноводов. Расчеты проведены с учетом наличия в технологии производства нескольких стадий, которые включают сначала введение в материал протонов путем обработки рабочей поверхности расплавом бензойной кислоты, а затем процедуру отжига образца. Проанализирован вклад нелинейной диффузии в процесс формирования волноводов. Показано, что существенное влияние на образование ступенчатой границы волновода оказывает процедура отжига монокристалла. Ранее стадия отжига количественно не исследовалась и на ее важную роль при формировании как можно более резкой границы между волноводом и материнской подложкой до сих пор не обращалось должного внимания. На основании экспериментальных данных о наличии на поверхности монокристалла ниобата лития переходного поверхностного слоя с ярко выраженными регулярными мезоструктурными направлениями построена модель анизотропной диффузии в твердом теле. Используя выведенные уравнения, проведено моделирование формы волновода в поперечном сечении для разных значений угла поворота главных осей по отношению к линиям отреза кристалла. Показано, что в области разветвления волновода, когда на этапе протонирования возможно взаимодействие диффузионных потоков, анизотропия диффузии может приводить к нарушению симметрии волноводов, что может сказаться на их оптических свойствах.

Библиографические ссылки

Abouelleil M. M., Leonberger F. J. Waveguides in lithium niobate. J. Amer. Ceram. Soc., 1989, vol. 72, no. 8, pp. 1311–1321.

Paz-Pujalt G. R., Tucshel D. D. Depth profiling of proton exchanged LiNbO3 waveguides by micro-Raman spectroscopy. Appl. Phys. Lett., 1993, vol. 62, no. 26, P. 3411–3413.

Korkishko Yu. N., Fedorov V. A. Structural phase diagram of HxLi1-xNbO3 waveguides: the correlation between optical and structural properties. IEEE J. Select. Topics Quant. Electronics, 1996, vol. 2, no. 2, pp. 187–196.

Ponomarev R. S. Structural model of drift phenomena in optical microcircuit on the base of HxLi1-xNbO3 waveguides. Abstract of PhD thesis. Perm: Perm State University, 2014, 16 p. (In Russian).

Ponomarev R. S. Structural model of drift phenomena in optical microcircuit on the base of HxLi1-xNbO3 waveguides. PhD thesis. Perm: Perm State University, 2014, 148 p. (In Russian).

Voblikov E. D., Volyntsev A. B., Zhuravlev A.A., Kichanov A. V., Ponomarev R. S., Shevtsov D. I. Integrated optical modulator based on the Mach-Zehnder interferometer with an asymmetric waveguides topology. Trudy MAI, 2011, no. 46, 12 p. (Electronic resourse) URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=25992 (Access date: 10.03.2021)

Sosunov A., Ponomarev R., Semenova O., Petukhov I., Volyntsev A. Effect of pre-annealing of lithium niobate on the structure and optical characteristics of proton-exchanged waveguides. Optical Materials, 2019, vol. 88, pp. 176–180.

Permyakova E. V., Samoilova A. E. Modeling of the proton exchange in lithium niobate. Proc. of “Physics for Perm Region”, 2019, vol. 12, pp. 95–100.

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, vol. 66, no. 11, pp. 5161–5174. DOI: 10.1063/1.343751.

Gantmakher F. R. The theory of matrices. Chelsea Publ., 1960. 374 p.

Ferziger J. H., Peric M. Computational methods for fluid dynamics. New York: Springer, 2002, 423 p.

Загрузки

Опубликован

2021-04-05

Выпуск

Раздел

Статьи (Regular articles)