Способ изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических кристаллах

 

„„фЦ„„1782323 АЗ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (stjs О 03 Н 1/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Изобретение относйтся к области интег- . : Также известен способ изготовления ральной оптики и может быть использовано периодических структур на кристалличев оптоэлектронных устройствах, в частно-- ской подложке, заключающийся в записи сти; в модуляторах и преобразователях ла- объемных фазовых голограмм при помощи зерного излучения. - . традиционной экспонирующей системы. Затем селективным травлением получают пряИзвестен способ получения периодиче-: моугольный профиль штрихов ских структур на кристаллической подлож- . дифракционной решетки, который последу- Э ке. Он заключается в организации двойных ющим травлением сглаживается до выпук-, () элементов, которые регулярно устроены и ло-вогнутого вида.. " . Я включают выпуклые и вогнутые участки, Недостатком данного cnocoáà является Ъ имеющие различные толщины, и изготовле- сложность технологии получения периодины из материалов с различным показателем ческих структур на кристаллической под-,3 преломления; Однако в качестве подложки ложке йутем созданйя выпукло-вогнутого 4,) в данном способе используют полупровод- профиля ее поверхности, что сопряжено с никовые кристаллы достаточного низкого серией операций селективного травления г оптического качества, выращйванйе кото- объемнойфазовой голограммы,записанной рых представляет довольйо сложную доро- - в полупроводниковом кристалле, . гостоящую операцию. К тому же технология Кроме того. данные периодические приготовления периодических структур на структуры обладают относительно невысоих основе страдает вынужденной трудоем- . кими оптическими характеристиками, прикостью.. - ..: . водящими, в конечном счете, к

1 (21) 4769493/25 (22) 19,12.89 (46) 15.12.92. Бюл. N. 46 (71) Кемеровский государственный университет (72) С.М,Кострйцкий, О.М.Колесников- и

Р.LU.Màíüÿíoâ (73) С,M.Êîcòðèöêèé

- (56) Заявка ЕПВ

N 0219845,,кл. G 02 В 5/18, 1987.

Заявка ЕПВ

N 0188919, кл, G 02 B 5/18; 1986, Amodei О.. Staebler РЛ, Holographic pettern fixing,in Electrooptic crystals.— Appl.

Phys. I ett., 1971, ч, 18, N 12, р, 540.

2 (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР. НА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ (57) Сущность: сегнетоэлектрический кристалл экспонируют интерференционной картиной; образованной когерентными пучками, и нагревают его до 160-180 С. Далее криСталл охлаждаЮт ДЬ Комнатной температуры.-облучают УФ-светом дозой облучения

0,24-0,9 кДж/см и помещают в расплав монокарбоновой кислоты. Кристалл выдержйвают в расплаве 50-300 мин. В приповерхностном слое кристалла получают амплитудно-фазовую голограмму. 4 ил., 1 табл. л..

1782323 значительному паразитному рассеянию и уменьшению контрастности в результирующих оптических сигналах (при использовании их в преобразователях лазерного излучения и других устройствах нелинейной оптики), Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления периодических структур на сегнетаэлектрических кристаллах. заключающийся в записи объемных фазовых голограмм путем экспонирования поверхности кристалла интерференционной картиной, образованной когерентными пучками, и в последующем термическом фиксировании записанных голограмм с помощью нагрева кристалла до.

120 — 300 С.

Недостатком известного способа является весьма низкий контраст получаемых периодических структур, т.е. отличие в оптических параметрах, между обьемом кристалла и областями кристалла, соответствующими штрихам фиксированной голограммы, незначительно. Тэк для показателя преломления это различие составляет Л г1 < 10, а для других оптических параметров различие еще менее значительно, т.к, фиксированная голограмма является фазовой.

Кроме того, данные периодические структуры имеют узкий круг областей применения. Они используются для записи, хранения и распознавания оптической информации и не могут быть использованы в модуляторах и преобразователях лазерного излучения, в интегрально-оптических устройствах на основе канальных и планарных волноводов из-за принципиальных ограничений, связанных с низким контрастом и невозможностью выделения приповерхностного слоя.

Таким образом, целью изобретения является получение периодических структур . на сегнетоэлектрических кристаллах с повышенным контрастом, обеспечивающим расширение области применения этих структур.

Использование способа позволит повысить оптический контраст получаемых периодических структур по сравнению .с прототипом в 100 раз. Так предлагаемый способ позволяет реализовать Л n/n=0.1, тогда как известный способ дает только

Лп/и <.10 . Кроме того. предлагаемый способ позволит расширить область применения данных периодических структур, т.к, повышенный контраст и возможность выделения приповерхностного слоя создают новые возможности использования этих

15 структур в модуляторах и преобразователях частоты лазерного излучения (генераторы второй гармоники, параметрические генераторы), основанных на волновом квазифазовом синхрон изме и в интегрально-оптических устройствах на основе канальных и планарных волноводов.

Поставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических кристаллах, включающего экспонирование поверхности кристалла интерференционной картиной; образованной когерентными пучками и термическое фиксирование голограммы, голограмму фиксируют в приповерхностном слое кристалла при 160-180 С, охлаждают его до комнатной температуры, облучают УФ-светом дозой излучения 0,24-0,9 кДж/см, по2

20 мещают в расплав монокарбоновой кислоты и выдерживают в нем в течение 50 — 300 мин.

При. записи обьемных фазовых голограмм в сегнетоэлектрических кристаллах на периферии освещенных участков интер25 ференционной картины образуются области с повышенной концентрацией электронов за счет их диффузии под действием локальных полей (фиг, 1.б,), что влечет за собой изменение показателя преломле30 ния в освещенной области (фиг, 1.в.), Нагревая образец до 160-180 С (фиг, 2,a.), увеличивают коэффициент диффузии протонов (для электронов это изменение незначительно), что приводит к компенсации

35 избыточного отрицательного заряда HB пе риферии освещенных областей кристалла (фиг. 2.б,) и, следовательно, к повышению концентрации протонов в данных областях (фиг. 2.в.). Последующее облучение кристал40 ла дозой УФ-излучения (фиг, З.а.),лежащей в пределах 0,24-0,9 кДж/см при комнатной

2 температуре приводит к возбуждению только электронов и возрастанию коэффициента диффузии для них в приповерхностной об45 ласти h 1 мкм. Следствием этого является выравнивание профиля концентрации данных носителей в приповерхностной области кристалла (фиг, З,б.), Профиль концентрации протонов остается прежним. Теперь фа50 зовая голограмма обязана своим существованием периодическому распределению более массивных носителей заряда — протонов, для которых коэффициент диффузии гораздо меньше, чем для электро55 нов и голограмма "живет" более длительное время, чем время, необходимое для работы

ОЗУ. Для получения стабильной (живущей несколько лет), контрастной периодической структуры, полученную "протонобусловленную" фазовую голограмму обрабатывают в

1782323 расплаве монокарбоновой кислоты, В качестве активной среды может быть взята любая монокарбоновая кислота (оксинафтойная,пальмитиновая,бензойная

-О и др.), служащая источником ионов Н для топотактической реакции протонного заме.+ + щения Li Н, которая преимущественно протекает в областях с повышенной концентрацией протонов (no эстафетному характеру). Следствием этого является дальнейшее увеличение концентрации протонов в вышеупомянутых областях. Сегнетоэлектрический кристалл имеет октаэдрическую симметрию, в его структуре атомы Li занимают такие позиции внутри кислородных октаэдров, что образуются прямолинейные цепочки — "капилляры" для проникновения атомов водорода в направлении близком к оси Z кристалла. Тем самым создаются благоприятные условия для протонного обмена в направлении этих "капилляров, при условии, когда часть атомов Li уже замещена протонами. 3а счет эстафетного замещения

Li Н структура кристалла в данных областях претерпевает настолько существенное изменение, что можно говорить об образовании новой фазы (фиг. 4.в.) или создании дискретной структуры протон-замещенного . слоя. В результате получают жесткую периодическую структуру в приповерхностной области кристаллов с чередованием областей различного фазового состава, имеющих большой оптический контраст (по показателю преломления Л пlп- 0,1; по коэффициенту поглощения Ла/(с=0.02).

При нагревании кристаллов до температуры ниже 160 С коэффициент диффузии для протонов еще мал и не обеспечивает эффективной компенсации избыточного отрицательного заряда за счет миграции Н .

При увеличении температуры выше 180 С происходит эффективная фиксация голограммы, однако за счет дрейфа главным об,+ разом ионов Li, Si и кислородных вакансий, что делает невозможным осуществление способа. т.к. основной целью термической фиксации. как одной из операций нашего способа, является создание обла+ стей с повышенной концентрацией Н . Для проявления фазовой голограммы после термической фиксации обычно применяют некогерентное освещение. Однако известен характер зависимости квантового выхода фотовозбуждения электронов от длины волны падающего излучения, который указывает . на резкое увеличение фотогальванического тока при уменьшении длины волны от 0,5 до 0,4 мкм. Поэтому предлагается испольэовать для проявления термически фиксированных обьемных фаэовых голограмм в сегнетоэлектрических кристаллах УФ-излучение с il 0,3 — 0.4 мкм.

Другим доводом в пользу данного предло5 жения является факт возрастания коэффициента поглощения монокристаллов ЫИЬОз и ЫТаОз при уменьшении il излучения. Таким образом, эффективность УФ-облучения увеличивается за счет практически полной

10 утилизации его энергии уже в приповерхностном слое кристалла за счет большого. ког з эффициента поглощения и =10 — 10 см

Необходимое количество энергии для полного проявления объемной фазовой голо15 граммы в ее приповерхностной области обусловлено концентрацией электронов, локализованных на периферии освещенных участков интерференционной картины при ее записи. Нижний предел дозы (0,24

20 кДж/смг) выбирается достаточным, чтобы для приповерхностной области кристалла уничтожение "электронной" голографической решетки было полным, Верхний предел дозы (0,9 кДж/см ) выбран из г

25 соображений разумной достаточности, чтобы не записать с помощью УФ-облучения шумовую голографическую решетку.

Способ осуществляется следующим образом.

30 В сегнетоэлектрическом кристалле записывают обьемную фазовую голограмму, применяя оптическую экспонирующую систему (фиг. 1.а), включающую в себя делительную пластину 1, два зеркала 2. 3, 35 транспарант 4 для изменения периода голографической решетки кристалла 5. В качестве источника монохроматического излучения используют лазер, работающий в непрерывном режиме.

40 Затем кристалл 5 нагревают в муфельной печи до 160--180 С (фиг. 2, A) и в ней же охлаждают до комнатной температуры.

После этого (фиг. 3. а) при помощи ртутной лампы б, снабженной специальным

45 фильтром 7, пропускающим в области

1=300-370 нм, облучают кристалл 5 УФ-светом дозой 0.24-0,9 кДж/см . Далее криг сталл обрабатывают расплавом монокарбоновой кислоты в муфельной печи, 50 время и температура обработки для каждой кислоты выбираются исходя из оптимальной глубины протонирования (фиг. 4.а.), Наличие периодической структуры, ее качество фиксируется и измеряется при экс55 понировании в голографической схеме(фиг. . 1,а). Глубина протонирования контролируется с помощью ИК-спектроскопических методов исследования (ИК-отражения), Оптическое качество полученной периоди1782323

Доза облучения, КЛж/см2

Глуби га протонир-я, мкм

Температура распла ва, С

Кислота

Время прото" нирования, мин

Температура нагрева, ОС

Опыт

Кристалл

Бензойная 70

С Н5СООН

1 Пластина 1мьо, Z — - срез

200 1,4

0,24

160

200 1,5

Оксинафтой- 50 ная

С о Н«ОНСООН

Глутаровая GO

НО С-(СНг) СОН .

0,57

170

2 Пластина

iTaO, Z - -срез

220 1,6

180

0,9

3 Пластина

1.1%03

Z — - срез

0,9

Пластина

LiTa03

Z — срез

250 1,3

160

Адипиновая 300

Н,С- (СН,), СО,Н

Бензойная 60

СБН СООН

249 1,2

180

5 Пла ст ина

LiNb03

Z — срез

Стеариновая 250 (октодекановая)

СН3(СНг) 1«СОгН

Пальмитино- 200 вая

СН; (СН,)„СООН

160

6 Пластина

iTao3

Z — - срез

0,6

230 1,2

170

220 1,4

0,7

7 Ппа ст ина 03

Z — - срез ческой структуры определяютиз измерений ее дифракционной эффективности с помощью голографической экспонирующей системы.

Пример 1, В качестве сегнетоэлектрического кристалла берут пластину Z-среза ниобата лития (LiNb00), записывают объемную фазовую голограмму. Затем кристалл нагревают в муфельной печи до 160 С, охлаждают до комнатной температуры, облучают УФ-светом дозой 0,24 кДж/см и помещают в расплав чистой бензойной кислоты, где кристалл выдерживают при температуре 200 С в течение 70 мин.

Пример 2. В качестве сегнетоэлектрического кристалла берут пластину Z-среза танталата лития (LITaOa), а в качестве кислоты — оксинафтойную (С10нбОнСООн). Для достижения глубины приповерхностной периодической структуры в 1,4+0,2 мкм требуется обрабатывать кристалл кислотой в муфельной печи при температуре 200оС в течение 50 минут, Остальные операции те же.

Другие примеры осуществления способа сведены в таблицу.

5 Формула изобретения

Способ изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических .кристаллах путем экспонирования поверхности кристалла интерференционной картиной, 10 образованной когерентными пучками, термического фиксирования голограммы, о тлича ющийся тем,что;сцельюповыше.ния контраста периодических структур и расширения класса решаемых задач. фикси15 руют голограммы в приповерхностном слое кристалла, нагревая его до 160 — 180 С, затем охлаждают его до комнатной температуры. облучают УФ-светом дозой излучения

0,24-0,9 кДж/см, помещают в раствор мо2

20 нокарбоновой кислоты и выдерживают в течение 50-300 мин.

1782323 (а) а

Составитель С. Кострицкий

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор H.Cëàáîäÿíèê

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101, Заказ 4292 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР . 113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., 4/5