CC BY
81
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В КРИСТАЛЛАХ 4-^-В1МЕТНУЬАМШО-4'-№-МЕТНУЬ-4-8Т1ЬВА8ОЬШМ ТО8УЬАТЕ (БА8Т) И.А. Верзин
Научные руководители - д.ф.-м.н., профессор И.Ю. Денисюк, к.т.н., ст.н.с. Л.Н. Аснис
В работе представлено исследование электрооптической эффективности в кристаллах БЛ8Т на длине волны 0,63 мкм и проведено сравнение с кристаллами ниобата лития 2-среза. Показано, что по параметрам БЛ8Т превышает ниобат лития 2-среза более чем в 40 раз, обеспечивая создание низковольтных СВЧ модуляторов света с управляющим напряжением на уровне жидкокристаллических модуляторов, порядка 2,5 В/мкм, при несравненно более широкой полосе модуляции - как минимум десятки мегагерц.
Введение
В последнее время большой интерес проявляется к нелинейно-оптическим молекулярным кристаллам как перспективным материалам СВЧ модуляторов ИК излучения для применения в системах оптической связи. Эти материалы, также как и электрооптические полимеры, отличаются исключительно высокими нелинейно-оптическими параметрами по сравнению с ранее используемыми неорганическими кристаллами КТР и ниобата лития. Так, электрооптический коэффициент молекулярных кристаллов составляет 100-700 пм/В, что превышает на порядок соответствующие параметры традиционных материалов [1]. Соотношение электрооптических коэффициентов молекулярных кристаллов с соответствующими параметрами ниобата лития приведено на рис. 1 (результаты разных источников).
700 пм/В
600 /
500 /
400 /
300 /
200 /
100 0 ГР л П
1 2 3 4 5
Рис. 1. Электрооптический коэффициент: 1 - ИЫЬОэ; 2, 3 - электрооптические полимеры йР1 и СШ-1;
4 - объемный кристалл йАБТ; 5 - тонкая пленка йАБТ
С учетом низкой величины диэлектрической проницаемости высокий электрооптический коэффициент обеспечивает создание модуляторов света с низким, на уровне единиц вольт, напряжением питания, что особенно важно для их применения совместно с СВЧ электронными схемами управления и исключительно широким частотным диапазоном. Например, в работе [2] показана возможность формирования модулятора с частотным диапазоном 0-1,5 ГГц.
Модуляторы подобного типа могут быть выполнены и как многоэлементные матрицы, что также является уникальным.
По сравнению с другими электрооптическими материалами кристаллы БЛБТ имеют следующие преимущества:
- высокий электрооптический коэффициент г = 100-530 им/В, что намного больше, чем у ниобата лития, электрооптический коэффициент которого не превышает 30 пм/В. Это позволяет создавать малогабаритные устройства управления параметрами лазерных пучков с малыми направляющими напряжениями;
- малые диэлектрические постоянные еа = 5,2; 8ь = 4,1; ес = 3, что дает возможность работать на высоких частотах вплоть до ТГц диапазона. У ниобата лития диэлектрические постоянные равны еа= 8ь= 44, ес= 29;
- высокая оптическая прозрачность в ближней ИК-области спектра, в частности, на наиболее часто используемых в оптоэлектронике длинах волн полупроводниковых лазеров;
- высокая тепловая стойкость (до 160 °С не происходит изменений оптических свойств кристалла);
- близость фазовых скоростей распространения ИК и ТГц излучения в кристалле, что позволяет получить длину когерентности до 10 мм.
В основном исследования электрооптических свойств кристаллов БАБТ проводились на длинах волн 720-1500 нм. Исследования показали, что полоса поглощения у них начинается с 700 мкм и идет в сторону более коротких волн. Однако толщина используемых кристаллов составляет единицы и десятки микрон, что делает их достаточно прозрачными на длине волны 0,63 мкм.
Проблема применения этого перспективного материала связана в основном со сложностью получения однородных бездефектных кристаллов и монокристаллических пленок, необходимых для создания модуляторов света [3].
Данная работа является продолжением цикла исследований нелинейно-оптических молекулярных кристаллов, кристаллических красителей и нанокомпозитов на их основе, выполняемых коллективом кафедры оптики квантоворазмерных сред под руководством И.А. Акимова и затем И.Ю. Денисюка, начиная с 1992 г. [4-9]. В предыдущих работах были исследованы методы синтеза монокристаллов и нанокомпозитов на основе БАБТ и РОМ, а также методы их ориентации и нелинейно-оптические свойства кристаллов. В данной работе приведены первые полученные нами результаты по модуляции света электрооптическими кристаллами БАБТ. Методы получения монокристаллов БАБТ описаны в работе [6].
Целью данной работы явилось исследование кристаллов БАБТ в модуляционном режиме на длине волны 0,63 мкм и сравнение его электрооптической эффективности (гэффИ03, где п0 - коэффициент преломления, гэфф - действующий электрооптический коэффициент) с ниобатом лития.
Исследование
Кристаллы БАБТ представляли собой тонкие пластины толщиной около 40 мкм с относительно плоскими прозрачными поверхностями, перпендикулярными оптической оси кристалла (рис. 2). Размеры кристаллов составляли 300-400 мкм. В работе исследовался поперечный электрооптический эффект. Применялась оптимальная для получения модуляции по интенсивности ориентация кристаллов, указанная на рис. 3, когда свет распространялся вдоль оси с, направление поляризации света Есв составляло угол 450 к оси Ь, а электрическое поле Еэл было направлено вдоль оси а.
Электрическое поле создавалось между двумя электродами, нанесенными методом вакуумного напыления на тонкую стеклянную пластинку. Расстояние между электродами составляло 45 мкм. Кристалл устанавливался на этих электродах с учетом заданной ориентации. Схема измерения электрооптического эффекта и модуляционных характеристик показана на рис. 4.
Ьа
15 14 5 4 3 2 1
13 12 11 10
Рис. 4. Схема лабораторной установки: 1 - лазер, 2 - механический модулятор, 3 - Л/4 пластинка, 4 - поляризатор, 5 - фазовая пластинка, 6, 9 - система зеркал, 7 - объектив, 8 - модулятор, 10 - анализатор, 11 - фокусирующая линза, 12 - светофильтр, 13 - фотоприемное устройство, 14 - осциллограф, 15 - спектроанализатор, 16 - генератор импульсного напряжения, 17 - генератор синусоидального напряжения
В качестве источника излучения использовался Не-Ые лазер. Световой пучок проходил через механический модулятор, позволяющий получать 100 % модуляцию света, пластинку Х/4, поляризатор, позволяющий выбрать необходимую плоскость поляризации света на входе электрооптического кристалла, фазовую пластинку, позволяющую выбрать рабочую точку на линейном участке модулятора. После отражения от зеркала свет фокусировался объективом на модулятор, затем вторым зеркалом направлялся на анализатор. Свет после анализатора собирался линзой и попадал на светочувствительную площадку ФЭУ, перед которым для уменьшения фоновой засветки был установлен светофильтр. На модулятор от генератора подавалось переменное напряжение с часто-
той 15 кГц и амплитудой до 100 В или импульсное напряжение с амплитудой 30 В. Сигнал с ФЭУ мог регистрироваться на осциллографе или на спектроанализаторе.
Измерения проводились относительно кристалла ЫКЬ03 2-среза, электрооптические параметры которого известны [10]. Кристалл имел толщину 1 мм (длина электрооптического взаимодействия) и размер пластинки 2x3 мм2. Кристалл размещался на тех же электродах, что и исследуемые кристаллы БАБТ.
Расчетная и экспериментальная оценка величины глубины проникновения электрического поля в кристалл (длины взаимодействия) показала, что практически эта величина не превышает 5-7 мкм. Учитывая тот факт, что толщина кристаллов БАБТ и ЫКЬ03 намного превышает данную величину, можно считать, что у этих кристаллов одинакова длина электрооптического взаимодействия и на выбранной схеме можно достаточно достоверно сравнивать эти кристаллы по электрооптической эффективности.
Сравнение эффективности проходило по переменному сигналу с выхода приемного тракта при работе на линейном участке характеристики модуляторов. В этом случае при не очень высоких индексах модуляции выходной сигнал с ФЭУ имеет частоту управляющего электрического сигнала. При одинаковых управляющих напряжениях на модуляторах амплитуда сигнала пропорциональна электрооптической эффективности. Учитывая оптическое пропускание кристаллов, по величине сигнала можно сравнить эффективность кристаллов БАБТ и ниобата лития. В режиме линейной модуляции было получено, что электрооптическая эффективность кристаллов БАБТ в 42 раза лучше ниобата лития 2-среза. Вид модуляционного сигнала на линейном участке характеристики модулятора на БАБТ показан на рис. 5. При напряжении 120 В в модуляторе на ОАБТ получена почти 50 % глубина модуляции.
щт щм Нш
Ню ¡Щ
Рис.5. Модуляционный сигнал на кристалле ОДБТ при напряжении 70 В на частоте 1,5 кГц (прямоугольные импульсы - 100 % модуляция)
На рис. 6 и 7 представлены модуляционные сигналы со спектроанализатора (шкала логарифмическая). При повышении напряжения начинают появляться искажения модуляционного сигнала, что наблюдается по возникновению гармоник частоты сигнала (рис. 7).
Рис. 6. Спектр модуляционного Рис. 7. Появление второй гармони-
сигнала при малых индексах модуляции ки частоты модуляции
Импульсная работа модулятора на БАБТ демонстрируется рис. 8 (длительность импульса 1 мкс, амплитудауправляющего напряжения 30 В).
Рис. 8. Модуляция света короткими (1 мкм) импульсами напряжения
Заключение
Таким образом, в работе показано, что кристаллы DAST имеют преимущество по электрооптической эффективности в сравнении с кристаллами ниобата лития Z-среза примерно в 40 раз и перспективны для применения в различных схемах оптоэлектрони-ки как модуляторы с низким управляющим напряжением. Достигнутые в настоящее время параметры показывают возможность низковольтной модуляции света (3-5 В) при уменьшении зазора между электродами до единиц микрон, что и предполагается выполнить в ближайшее время. Фактически данный модулятор при напряжении управления, сравнимом с жидким кристаллом, обеспечивает полосу частот до мегагерц при всех преимуществах твердотельного прибора.
Работа выполнялась при поддержке по гранту РФФИ офи-п № 05-02-08048 и проекту Рособразования № 01.03.06.
Литература
1. Achintya K. Bhowmik, Shida Tan, A. Claude Ahyi On the electro-optic measurements in organic single-crystal films // J. Phys. D: Appl. Phys., 2004. Vol.37. P.3330-3336.
2. Thakur M., Mishra A., Titus J., Ahyi A.C. Electro-optic modulation at 1.5 GHz using single-crystal film of an organic molecular salt //Applied physics letters, 2002. Vol.81. No.20. P.3738-3740.
3. Yoshinori Takahashi, Hiroaki Adachi, Tetsuo Taniuchi etc. Organic nonlinear optical DAST crystals for electro-optic measurement and terahertz wave generation // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2006. Vol.183. P.247-252.
4. Акимов И.А., ДенисюкИ.Ю., Мешков A.M. Нанокристаллы полупроводников в полимерной матрице - новые оптические среды // Опт. и спектр. 1992. Т.72. №4. С.1026-1032.
5. Акимов И.А., Денисюк И.Ю., Мешков A.M. Создание оптических сред из композиций нанокристаллов красителей в полимерных матрицах // Опт. и спектр. 1994. Т.77. №6. С.954-958.
6. Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э., Смирнова Т.В. Новые электрооптические материалы на основе тонких пленок молекулярных кристаллов - преимущества и перспективы использования // Оптический журнал, 2007. № 2.
7. Denisyuk I.Yu., Burunkova Ju.E. Molecular organic crystals DAST and POM in the form of thin crystalline film and nanocrystals composition - the new and promising medium for NLO application Molecular Crystals and Liquid Crystals // 2007, в печати.
8. Denisyuk I.Yu., Burunkova Ju.E. Molecular organic crystals DAST and POM in the form of thin crystalline film and nanocrystals composition - the new and promising medium for NLO application // Ukrainian Physical Journal, 2007, в печати.
9. Denisyuk I.Yu., Burunkova Ju.E. Organic nanocrystals in polymeric matrix: synthesis, photonic, areas of application // XII Conference on Laser Optics St. Petersburg, 2006. June 26-30, invited.
10. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 264 с.
