Исследование модуляционных характеристик электрооптических модуляторов на основе кристалла ниобата лития с прозрачными электродами



Для исследования электрооптических модуляторов дифракционного типа на основе кристалла ниобата лития х-среза с прозрачными электродами из оксида индия-олова была разработана программа для расчета электрического, диаграммы направленности и модуляционной характеристики.

Уникальная особенность пленок ITO [1] заключается в том, что они, будучи электропроводящими, прозрачны для света видимой части спектра и отражают в ближней ИК-области.

При моделировании задавались следующие параметры кристалла ниобата лития n₀=2,286, n_e=2,200, r₁₃=9,6 пм/В, r₃₃=30,9 пм/В, ε_x=83, ε_z=24,5.

При моделировании диаграммы направленности и модуляционной характеристики задавались следующие исходные данные: межэлектродный зазор b=167,5мкм,период электродов d=295мкм,толщина кристалла h =1мм,длинаволны 632,8 нм.

Рис. 1. Расчетная диаграмма направленности решетки при напряжениях: 0 В; б) 400 В; в) 800 В; г) 1000 В

При отсутствии напряжения максимальное значение наблюдается у 0-го порядка (рисунок 1, а). С увеличением напряжения от 0 до 1000 В наблюдается уменьшение 0-го порядка на 87 % (рисунок1, г) от своего максимального значения при 0 В. Происходит увеличение ±01-го (рисунок 1, б, в). При увеличении напряжения интенсивность ±1-го порядка почти не изменяется.

Рис. 2 Модуляционная характеристика электрооптического модулятора дифракционного типа с прозрачными электродами

На рисунке 2 показано, что 0-й порядок не достигает 0 значения при 1000 В. 01-й порядок увеличился на 40 %. 1-й порядок не изменяется.

В качестве подложек использовались полированные кристаллы конгруэнтного ниобата лития размером 15х15х1 мм. Материалом электродов служил оксид сплава индия — олова (indium tin oxide, ITO) электронной чистоты, наносимый в вакууме реактивным магнетронным распылением.

Измерение показателя преломления ITO-пленки осуществлялось методом эллипсометрии на автоматизированном спектральном эллипсометре J. A. Woollam V-VASE. Длина волны задавалась равной 632,8 нм, ширина спектра излучения составляла не более 2,3 нм. Для снижения влияния отражения от задней поверхности подложки производилось ее матирование. Фотография экспериментального образца приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Управляемая дифракционная решетка на основе ниобата лития х-среза с потенциалами вида v0v0 с прозрачными электродами из оксида индия-олова

Управляемая дифракционная решетка (рисунок 4) формировалась на поверхности X-среза кристалла, обладающего максимальной чувствительностью к поперечному полю электродов E_z.

Рис. 4. Фотографии топологии электродов решетки: а) 10x увеличение; б) 4х увеличение; электроды ориентировались перпендикулярно оптической оси Z кристалла

Электрическая изоляция межэлектродных зазоров обеспечивалась прозрачным акриловым лаком Plastik 70 с электрической прочностью 70 В/мкм. Использование лака предотвращало поверхностный электрический пробой при напряжении более 500 В. Высокая электрическая прочность ниобата лития не позволяла развиться объемному пробою. Сопротивление образцов составляло не менее 200 МОм.

Диаграмма направленности регистрировалось ПЗС-камерой DCM310 с разрешением 2048x1536. Зависимость интенсивности 0-го дифракционного порядка от напряжения измерялась фотоприемником PM100D. Излучение в фотоприемник вводилось через кварцевое оптическое волокно с диаметром сердцевины 62,5 мкм.

При отсутствии напряжения на электродах управляемой дифракционной решетки присутствуют 0-ой и ±1 дифракционные порядки, определяемые дифракцией излучения на периодической амплитудной решетке электродов (рисунок 5, а). Увеличение напряжения от 0 до 800 В снижает интенсивности 0-го и ±1 порядков. При этом наблюдается появление новых дифракционных порядков ±01 (рисунок 5, б, в).

Рис. 5. Экспериментально наблюдаемые дифракционные порядки управляемой решетки: а) 0 В; б) 400 В; в) 800 В

Увеличение напряжения от 0 до 800 В снижает интенсивности 0-го порядка на 55,5 % от начального (рисунок 6). Сплошная линия соответствует возрастанию напряжения, пунктирная — убыванию.

Рис. 6. Измеренная модуляционная характеристика нулевого порядка I₀(u) с помощью PM100D

Исследовано влияние приложенного напряжения на диаграмму направленности и модуляционную характеристику электрооптического модулятора дифракционного типа на основе х-среза ниобата лития с прозрачными электродами из оксида индия-олова. Обнаружено уменьшение интенсивности 0-го и ± 1 дифракционных порядков до 55,5 % при увеличении напряжения до 800 В.

Литература:

1. Егоров В. К. Физические основы модуляции лазерного излучения [Текст]: учебное пособие для вузов / В. К. Егоров, И. Г. Зубарев, Р. С. Стариков. — М.: МИФИ, 2008. — 252 с.
2. Крылов П. Н. Оптические свойства пленок ITO, полученных высокочастотным магнетронным напылением с сопутствующей ионной обработкой [Текст] / П. Н. Крылов, Р. М. Закирова, И. В. Федотова // Физика твердого тела. — 2013. — Т. 47. – № 10. — С. 1421–1424.
3. Достовалов А. А. Оптимизация топологии электродов управляемой дифракционной решетки для предотвращения электрического пробоя [Текст] / А. А. Достовалов, В. Д. Паранин // М.: ИСОИ РАН. – 2015. – С. 287–291.
4. Ярив А. Оптические волны в кристаллах: пер. с англ. [Текст] / А. Ярив, П. Юх. – М.: Мир, 1987. — 616 с.
5. Паранин В. Д. Особенности формирования иглообразных доменов в поверхностном слое ниобата лития Х-среза [Текст] / В. Д. Паранин // Журнал Технической Физики. – 2014, – Т. 84. – № 12. – С. 132–136.