Исследование формирования канальных волноводных структур с различной топологией в приповерхностной области электрооптических кристаллов

Безпалый Александр Дмитриевич; Перин Антон Сергеевич; Мандель Аркадий Евсеевич; Шандаров Владимир Михайлович

УДК 535:621.372.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР С РАЗЛИЧНОЙ ТОПОЛОГИЕЙ В ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ

Александр Дмитриевич Безпалый

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 40, аспирант кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники, тел. (382)270-15-18, e-mail: [email protected]

Антон Сергеевич Перин

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 40, кандидат технических наук, доцент кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники, тел. (382)270-15-18, e-mail: [email protected]

Аркадий Евсеевич Мандель

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 40, доктор физико-математических наук, профессор кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники, тел. (382)270-15-18, e-mail: [email protected]

Владимир Михайлович Шандаров

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 40, доктор физико-математических наук, профессор кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники, тел. (382)270-15-18

Представлены экспериментальные результаты возможности формирования канальных волноводных структур с различной топологией лазерным излучением в образцах ниобата лития, поверхностно легированных ионами меди, железа и их комбинациями. Полученные структуры индуцировались поточно на длинах волн света X = 532 нм и X = 450 нм при низких мощностях в непрерывном режиме.

Ключевые слова: канальные волноводы, ниобат лития, экспонирование, оптическое зондирование фоторефрактивный эффект.

INVESTIGATION OF FORMATION OF CHANNEL WAVEGUIDE STRUCTURES WITH DIFFERENT TOPOLOGY IN SURFACE AREA OF ELECTRO-OPTICAL CRYSTALS

Alexander D. Bezpaly

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, Ph. D. Student, Department of Quantum Radioengineering, phone: (382)270-15-18, e-mail: [email protected]

Anton S. Perin

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Quantum Radioengineering, phone: (382)270-15-18, e-mail: [email protected]

Arkady E. Mandel

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, Dr. Sc., Professor, Department of Quantum Radioengineering, phone: (382)270-15-18, e-mail: [email protected]

Vladimir M. Shandarov

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, D. Sc., Professor, Department of Quantum Radioengineering, phone: (382)270-15-18

The experimental results of possibilities of formation of channel waveguide structures with different topologies by laser radiation in lithium niobate samples, surface-doped by copper (Cu) and iron (Fe) ions, or their combinations, are demonstrated. The obtained structures are point-by-point induced at light wavelengths X = 532 nm and X = 450 nm with low powers in continuous mode.

Key words: channel waveguides, lithium niobate, exposure, optical probing, photorefractive effect.

В последнее время интерес к способам преобразования световых полей и управления оптическим излучением растет с большой интенсивностью [1]. Это напрямую связано с развитием волноводной фотоники и интегральной оптики, что способствует совершенствованию оптических приборов и устройств передачи, обработки и приема информации [2, 3]. В качестве элементов, способствующих осуществлению контроля над световыми потоками, могут выступать канальные оптические волноводы и дифракционные решетки на основе электрооптических кристаллов [3, 4]. Одним из таких материалов является нио-бат лития, обладающий уникальным набором физических, нелинейно-оптических и фоторефрактивных свойств, благодаря которым внутри кристалла возможно формирование различных голографических структур под действием света [5]. Топология таких структур зависит от способа оптического индуцирования, которое можно осуществлять при помощи фокусировки лазерного излучения цилиндрической линзой с использованием амплитудной маски или, фокусируя световой пучок сферической линзой, производить последовательное поточечное экспонирование [6, 7].

Основной целью данной работы является исследование формирования и характеристик канальных волноводных структур с различной топологией, индуцированных в поверхностных фоторефрактивных областях ниобата лития.

Канальные волноводы индуцировались путем последовательного поточечного экспонирования поверхности кристаллических образцов LiNbO3 Y-среза c размерами 30*3*15 мм по осям X, Y, Z фокусированным лазерным пучком. Приповерхностная область пластины легирована различными участками ионами

3+

меди, железа и их комбинациями. Источниками света являлись YAG:Nd -лазер с длиной волны излучения X = 532 нм и полупроводниковый лазер с X = 450 нм. Процесс экспонирования LiNbO3 в разных экспериментах осуществлялся при смещении образца вдоль осей Y и Z. Время экспонирования каждой точки составляло от 4 до 10 при мощности 5-10 мВт. Результатом последовательно пе-

рекрывающихся точек с расстоянием между их центрами равным 20-60 мкм стали области с пониженным показателем преломления. Они представляют собой прямые линии с различной однородностью, либо полосы со сложной кривизной. Таким образом, промежуток, заключенный между двумя экспонированными полосками, оказывался эквивалентным канальному оптическому волноводу. Расстояние между их центрами в различных экспериментах варьировалось от 20 мкм до 40 мкм.

Полученные оптические неоднородности визуально оценивались путем оптического зондирования при помощи излучения Не-№ лазера с длиной волны X = 633 нм и выходной мощностью Р = 1 мВт. Результаты зондирования экспонированных областей представлены в виде световых картин на выходной грани образца на рисунке. На рисунке (а и б) показан результат структур, сформированных из двух прямолинейных полос, состоящих из точек с различным расстоянием между их центрами. Рисунок (в) демонстрирует результат зондирования волноводной структуры, имеющей сложную топологию.

а) б) в)

Световые картины, полученные при оптическом зондировании

канальных волноводных структур:

а) прямолинейной формы; б) с неоднородностью в продольном направлении; в) с поперечно изогнутой топологией

Таким образом, продемонстрированы результаты поточечного индуцирования волноводных структур с различным однородностями и топологией. Отметим, что при ориентации световой полоски вдоль оптической оси, формирование фоторефрактивных фазовых элементов считается запрещенным, но при поточечном экспонировании поверхности кристалла узким световым пучком такая возможность появляется.

Работа выполнена в рамках проектной части Госзадания Минобрнауки РФ на 2017-2019 годы (проект по заявке 3.1110.2017/ПЧ).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Kivshar Y. S. Optical solitons: from fibers to photonic crystals. - Academic Press, 2003. -

540 p.

2. Hongliang Liu, Javier R. Vázquez de Aldana, Minghui Hong, and Chen F. Femtosecond laser inscribed Y-branch waveguide in Nd:YAG crystal: fabrication and continuous-wave lasing // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 2015. - Vol. 22 (2). - 5 p.

3. Kip D. Photorefractive waveguides in oxide crystals: fabrication, properties, and applications // Appl. Phys. B. - 1998. - Vol. 67. - P. 131-150.

4. Vittadello L., Zaltron A., Argiolas N., Bazzan M., Rossetto N. and Signorini R. Photorefractive direct laser writing // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2016. - Vol. 49, (125103). - 9 p.

5. Петров М. П. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. - СПб. : Наука, 1992. - 315 с.

6. Davydov S. A., Trenikhin P. A., Shandarov V. M., Shandarova K. V., Kip D., Rueter Ch., and Chen F. Quasi-one-dimensional photonic lattices and superlattices in lithium niobate: linear and nonlinear discrete diffraction of light // Phys. of wave phen. - 2010. - Vol. 18 (1). - P. 1-6.

7. Vittadello L., Zaltron A., Argiolas N., Bazzan M., Rossetto N. and Signorini R. Photorefractive direct laser writing // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2016. - Vol. 49. - 9 p.