ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-4-538-547ntv-67Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGИсследование пироэлектрического эффекта и создание модифицированной конструкции фазового модулятора на основе ниобата литияStudy of pyroelectric effect and creation of modified design of phase modulator based on lithium niobatehttps://orcid.org/0000-0001-6898-3400ШулеповаА. В.ShulepovaA. V.

Шулепова Алена Викторовна — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Alena V. Shulepova — Engineer

Saint Petersburg, 197101

79213040490@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2168-8046ШулеповВ. А.ShulepovV. A.

Шулепов Владимир Андреевич — кандидат технических наук, начальник группы

Санкт-Петербург, 197101

Vladimir A. Shulepov — PhD, Head of the Group

Saint Petersburg, 197101

shulepov_vladimir@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7151-9235СтригалевВ. Е.StrigalevV. E.

Стригалев Владимир Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, доцент, профессор, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Vladimir E. Strigalev — PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor, Professor, Senior Researcher

Saint Petersburg, 197101

vstrglv@mail.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202411122024244538547Copyright © Шулепова А.В., Шулепов В.А., Стригалев В.Е., 20242024Шулепова А.В., Шулепов В.А., Стригалев В.Е.Shulepova A.V., Shulepov V.A., Strigalev V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/67Введение

Введение. В работе рассмотрено явление пироэлектрического эффекта и показано его влияние на возникновение дополнительного фазового сдвига проходящей световой волны в волноводной структуре фотонных интегральных схем, сформированных на подложке кристалла ниобата лития X-среза. Метод. Измерения проводились интерферометрическим способом в схеме волоконно-оптического интерферометра Маха–Цендера с использованием модуляции излучения в опорном плече, позволяющего выполнять непрерывное измерение фазы в плече с исследуемым образцом. Проведен расчет временных параметров каждого из элементов экспериментальной схемы для определения времени релаксации пироэлектрических зарядов.

Основные результаты

Основные результаты. Выполнен анализ влияния пироэлектрического дрейфа фазы, его величины и временных характеристик релаксации зарядов, вызывающих дрейф. Предложена модель и исследована конструкция фазового модулятора на основе кристалла ниобата лития с дополнительными обратно Z-ориентированными пластинами, расположенными на электродах модулятора. Обсуждение. Предложенный способ решения проблемы способен компенсировать пироэлектрическое поле и, как следствие, уменьшить паразитный сдвиг фазы.

The study explores the phenomenon of the pyroelectric effect and demonstrates its influence on the emergence of an additional phase shift of the passing light wave in waveguide structures of photonic integrated circuits formed on a lithium niobate crystal X-cut substrate. Measurements were carried out using interferometric methods in a Mach-Zehnder fiber-optic interferometer configuration with radiation modulation in the reference arm allowing for continuous phase measurement in the arm with the sample under study. The calculation of the temporal parameters of each element of the experimental setup was performed to determine the relaxation times of pyroelectric charges. An analysis of the contribution of pyroelectric phase drift, its magnitude, and the temporal characteristics of charge relaxation causing the drift was conducted. A model was proposed and the design of a phase modulator based on a lithium niobate crystal with additional back Z-oriented plates located on the modulator electrodes was investigated. The proposed solution method is capable of compensating for the pyroelectric field and, as a result, reducing parasitic phase shift.

ниобат литияфазовый модуляторпироэлектрический эффектпироэлектрическое полеlithium niobatephase modulatorpyroelectric effectpyroelectric fieldРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).The research was carried out within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. FSER-2024-0006).ReferencesИльичев И.В., Тогузов Н.В., Шамрай А.В. Оптимальная конфигурация пленочного интегрально-оптического поляризатора на подложках ниобата лития // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2009. № 3(83). С. 103–107.Ilyichev I.V. Toguzov N.V. Shamray A.V. Optimal configuration of integrated optical thin film polarizer on lithium niobate substrate. St. Petersburg Polytechnic University Journal: Physics and Mathematics, 2009, no. 3(83), pp. 103–107. (in Russian)Minakata M., Saito S., Shibata M. Two-dimensional distribution of refractive-index changes in Ti-diffused LiNbO3 strip waveguides // Journal of Applied Physics. 1979. V. 50. N 5. P. 3063–3067. https://doi.org/10.1063/1.326383Minakata M., Saito S., Shibata M. Two-dimensional distribution of refractive-index changes in Ti-diffused LiNbO3 strip waveguides. Journal of Applied Physics, 1979, vol. 50, no. 5, pp. 3063–3067. https://doi.org/10.1063/1.326383Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Applied Physics Reviews. 2015. V. 2. N 4. P. 040603. https://doi.org/10.1063/1.4931601Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications. Applied Physics Reviews, 2015, vol. 2, no. 4, pp. 040603. https://doi.org/10.1063/1.4931601Korkishko Y.N., Fedorov V.A., Feoktistova O.Y. LiNbO3 optical waveguide fabrication by high-temperature proton exchange // Journal of Lightwave Technology. 2000. V. 18. N 4. P. 562–568. https://doi.org/10.1109/50.838131Korkishko Y.N., Fedorov V.A., Feoktistova O.Y. LiNbO3 optical waveguide fabrication by high-temperature proton exchange. Journal of Lightwave Technology, 2000, vol. 18, no. 4, pp. 562–568. https://doi.org/10.1109/50.838131Becker R.A. Comparison of guided wave interferometric modulators fabricated on LiNbO3 via Ti indiffusion and proton exchange // Applied Physics Letters. 1983. V. 43. N 2. P. 131–133. https://doi.org/10.1063/1.94280Becker R.A. Comparison of guided wave interferometric modulators fabricated on LiNbO3 via Ti indiffusion and proton exchange. Applied Physics Letters, 1983, vol. 43, no. 2, pp. 131–133. https://doi.org/10.1063/1.94280Courjal N., Bernal M.-P., Caspar A., Ulliac G., Bassignot F., GauthierManuel L., Suarez M. Lithium niobate optical waveguides and microwaveguides // Emerging Waveguide Technology. InTech, 2018. https://doi.org/10.5772/intechopen.76798Courjal N., Bernal M.-P., Caspar A., Ulliac G., Bassignot F., Gauthier-Manuel L., Suarez M. Lithium niobate optical waveguides and microwaveguides. Emerging Waveguide Technology. InTech, 2018. https://doi.org/10.5772/intechopen.76798Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope / third ed. Boston: Artech House, 2022. 500 p.Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope. Third Ed. Boston, Artech House, 2022, 500 p.Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 263 с.Kuzminov Iu.S. Electro-Optical and Non-Linear Optical Lithium Niobate Crystal. Moscow, Nauka Publ., 1987, 263 p. (in Russian)Zhang M., Wang C., Kharel P., Zhu D., Lončar M. Integrated lithium niobate electro-optic modulators: when performance meets scalability // Optica. 2021. V. 8. N 5. P. 652–667. https://doi.org/10.1364/optica.415762Zhang M., Wang C., Kharel P., Zhu D., Lončar M. Integrated lithium niobate electro-optic modulators: when performance meets scalability. Optica, 2021, vol. 8, no. 5, pp. 652–667. https://doi.org/10.1364/optica.415762Chen G., Li N., Ng J.D., Lin H.-L., Zhou Y., Fu Y.H., Lee L.Y.T., Yu Y., Liu A.-Q., Danner A.J. Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives // Advanced Photonics. 2022. V. 4. N 3. P. 034003. https://doi.org/10.1117/1.ap.4.3.034003Chen G., Li N., Ng J.D., Lin H.-L., Zhou Y., Fu Y.H., Lee L.Y.T., Yu Y., Liu A.-Q., Danner A.J. Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives. Advanced Photonics, 2022, vol. 4, no. 3, pp. 034003. https://doi.org/10.1117/1.ap.4.3.034003Deppe O., Dorner G., König S., Martin T., Voigt S., Zimmermann S. MEMS and FOG technologies for tactical and navigation grade inertial sensors—recent improvements and comparison // Sensors. 2017. V. 17. N 3. P. 567. https://doi.org/10.3390/s17030567Deppe O., Dorner G., König S., Martin T., Voigt S., Zimmermann S. MEMS and FOG technologies for tactical and navigation grade inertial sensors—recent improvements and comparison. Sensors, 2017, vol. 17, no. 3, pp. 567. https://doi.org/10.3390/s17030567Петров А.Н., Тронев А.В., Лебедев В.В., Ильичев И.В., Величко Е.Н., Шамрай А.В. Повышение коэффициента передачи радиочастотной волоконнооптической линии за счет управления рабочей точкой внешнего модулятора // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 5. С. 131–136.Petrov A.N., Velichko E.N., Shamrai A.V., Tronev A.V., Lebedev V.V., Il’ichev I.V. An increase in the transmission efficiency of an rf fiberoptic line using the working point of an external modulator. Technical Physics, 2015, vol. 60, no. 5, pp. 761–766. https://doi.org/10.1134/S1063784215050217Wooten E.L., Kissa K.M., Yi-Yan A., Murphy E.J., Lafaw D.A., Hallemeier P.F., Maack D., Attanasio D.V., Fritz D.J., McBrien G.J., Bossi D.E. A review of lithium niobate modulators for fiber-optic communications systems // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2000. V. 6. N 1. P. 69–82. https://doi.org/10.1109/2944.826874Wooten E.L., Kissa K.M., Yi-Yan A., Murphy E.J., Lafaw D.A., Hallemeier P.F., Maack D., Attanasio D.V., Fritz D.J., McBrien G.J., Bossi D.E. A review of lithium niobate modulators for fiber-optic communications systems. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2000, vol. 6, no. 1, pp. 69–82. https://doi.org/10.1109/2944.826874Yamada S., Minakata M. DC drift phenomena in LiNbO3 optical waveguide devices // Japanese Journal of Applied Physics. 1981. V. 20. N 4. P. 733. https://doi.org/10.1143/jjap.20.733Yamada S., Minakata M. DC drift phenomena in LiNbO3 optical waveguide devices. Japanese Journal of Applied Physics, 1981, vol. 20, no. 4, pp. 733. https://doi.org/10.1143/jjap.20.733Kostritskii S.M., Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Yatsenko A.V. Pyroelectric drift of integrated-optical LiNbO3 modulators // Ferroelectrics. 2021. V. 574. N 1. P. 170–178. https://doi.org/10.1080/00150193.2021.1888062Kostritskii S.M., Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Yatsenko A.V. Pyroelectric drift of integrated-optical LiNbO3 modulators. Ferroelectrics, 2021, vol. 574, no. 1, pp. 170–178. https://doi.org/10.1080/00150193.2021.1888062Hollinger W.P., Kovacs R.A. Tuned integrated optic modulator on a fiber optic gyroscope. Patent US5504580A. 1996.Hollinger W.P., Kovacs R.A. Tuned integrated optic modulator on a fiber optic gyroscope. Patent US5504580A, 1996.Salvestrini J.P., Guilbert L., Fontana M., Abarkan M., Gille S. Analysis and control of the DC drift in LiNbO3-based mach–zehnder modulators // Journal of Lightwave Technology. 2011. V. 29. N 10. P. 1522–1534. https://doi.org/10.1109/jlt.2011.2136322Salvestrini J.P., Guilbert L., Fontana M., Abarkan M., Gille S. Analysis and control of the DC drift in LiNbO3-based mach–zehnder modulators. Journal of Lightwave Technology, 2011, vol. 29, no. 10, pp. 1522–1534. https://doi.org/10.1109/jlt.2011.2136322Popescu S.T., Petris A., Vlad V.I. Interferometric measurement of the pyroelectric coefficient in lithium niobate // Journal of Applied Physics. 2013. V. 113. N 4. P. 043101. https://doi.org/10.1063/1.4788696Popescu S.T., Petris A., Vlad V.I. Interferometric measurement of the pyroelectric coefficient in lithium niobate. Journal of Applied Physics, 2013, vol. 113, no. 4, pp. 043101. https://doi.org/10.1063/1.4788696Parravicini J., Safioui J., Degiorgio V., Minzioni P., Chauvet M. Alloptical technique to measure the pyroelectric coefficient in electrooptic crystals // Journal of Applied Physics. 2011. V. 109. N 3. P. 033106. https://doi.org/10.1063/1.3544069Parravicini J., Safioui J., Degiorgio V., Minzioni P., Chauvet M. Alloptical technique to measure the pyroelectric coefficient in electrooptic crystals. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 109, no. 3, pp. 033106. https://doi.org/10.1063/1.3544069Евдокимов С.В., Шостак Р.И., Яценко А.В. Аномалии пироэлектрических свойств кристаллов LiNbO3 конгруэнтного состава // Физика твердого тела. 2007. V. 49. N 10. P. 1866–1870.Yevdokimov S.V., Shostak R.I., Yatsenko A.V. Anomalies in the pyroelectric properties of LiNbO3 crystals of the congruent composition. Physics of the Solid State, 2007, vol. 49, no. 10, pp. 1957–1962. https://doi.org/10.1134/S1063783407100241Bulmer C.H., Burns W.K., Hiser S.C. Pyroelectric effects in LiNbO3 channel waveguide devices // Applied Physics Letters. 1986. V. 48. N 16. P. 1036–1038. https://doi.org/10.1063/1.96640Bulmer C.H., Burns W.K., Hiser S.C. Pyroelectric effects in LiNbO3 channel waveguide devices. Applied Physics Letters, 1986, vol. 48, no. 16, pp. 1036–1038. https://doi.org/10.1063/1.96640Nagata H. Activation energy of DC-drift of x-cut LiNbO3 optical intensity modulators // IEEE Photonics Technology Letters. 2000. V. 12. N 4. P. 386–388. https://doi.org/10.1109/68.839027Nagata H. Activation energy of DC-drift of x-cut LiNbO3 optical intensity modulators. IEEE Photonics Technology Letters, 2000, vol. 12, no. 4, pp. 386–388. https://doi.org/10.1109/68.839027Skeath P., Bulmer C.H., Hiser S.C., Burns W.K. Novel electrostatic mechanism in the thermal instability of z-cut LiNbO3 interferometers // Applied Physics Letters. 1986. V. 49. N 19. P. 1221–1223. https://doi.org/10.1063/1.97419Skeath P., Bulmer C.H., Hiser S.C., Burns W.K. Novel electrostatic mechanism in the thermal instability of z-cut LiNbO3 interferometers. Applied Physics Letters, 1986, vol. 49, no. 19, pp. 1221–1223. https://doi.org/10.1063/1.97419Seino M., Nakazawa T., Kubota Y., Doi M., Yamane T., Hakogi H. A low DC-drift Ti:LiNbO3 modulator assured over 15 years // Proc. of the Optical Fiber Communication Conference. 1992. P. 325–328. https://doi.org/10.1364/ofc.1992.pd3Seino M., Nakazawa T., Kubota Y., Doi M., Yamane T., Hakogi H. A low DC-drift Ti:LiNbO3 modulator assured over 15 years. Proc. of the Optical Fiber Communication Conference, 1992, pp. 325–328. https://doi.org/10.1364/ofc.1992.pd3Яценко А.В., Палатников М.Н., Сидоров Н.В., Притуленко А.С., Евдокимов С.В. Особенности электрической проводимости кристаллов LiTaO3 и LiNbO3 в области температур 290−450 K // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 5. С. 932–936.Yatsenko A.V., Pritulenko A.S., Evdokimov S.V., Palatnikov M.N., Sidorov N.V. Specific features of electrical conductivity of LiTaO3 and LiNbO3 crystals in the temperature range of 290–450 K. Physics of the Solid State, 2015, vol. 57, no. 8, pp. 1547–1550. https://doi.org/10.1134/S1063783415050339Rosenman G., Shur D., Krasik Ya.E., Dunaevsky A. Electron emission from ferroelectrics // Journal of Applied Physics. 2000. V. 88. N 1. P. 6109–6161. https://doi.org/10.1063/1.1319378Rosenman G., Shur D., Krasik Ya.E., Dunaevsky A. Electron emission from ferroelectrics. Journal of Applied Physics, 2000, vol. 88, no. 1, pp. 6109–6161. https://doi.org/10.1063/1.1319378Смирнова А.В., Стригалев В.Е., Варжель С.В. Исследование способов стабилизации оптических параметров фазового модулятора путем подавления пироэлектрического эффекта // Навигация и управление движением: Материалы ХXIV конференции молодых ученых с международным участием. 2022. С. 85–87.Smirnova A.V., Varzhel S.V., Strigalev V.E. Methods of suppressing the pyroelectric effect to stabilize the optical parameters in a phase modulator. Proc. of the 24th Conference of Young Scientists “Navigation and Motion Control” ((with international participants), 2022, pp. 85–87. (in Russian)Шулепова А.В., Аксарин С.М., Стригалев В.Е. Исследование сдвига фазы под действием пироэлектрического поля в Ti:LiNbO3 модуляторе // Альманах научных работ молодых учёных Университета ИТМО. Т. 4. СПб., 2021. С. 102–106.Shulepova A.V., Aksarin S.M., Strigalev V.E. Study of phase shift under the influence of a pyroelectric field in a Ti:LiNbO3 modulator. Almanac of scientific works of young scientists of ITMO University. Vol. 4. St. Petersburg, 2021, pp. 102–106. (in Russian)Sosunov A., Ponomarev R., Zhuravlev A., Mushinsky S., Kuneva M. Reduction in DC-drift in LiNbO3-based electro-optical modulator // Photonics. 2021. V. 8. N 12. P. 571. https://doi.org/10.3390/photonics8120571Sosunov A., Ponomarev R., Zhuravlev A., Mushinsky S., Kuneva M. Reduction in DC-drift in LiNbO3-based electro-optical modulator. Photonics, 2021, vol. 8, no. 12, pp. 571. https://doi.org/10.3390/photonics8120571Яценко А.В., Притуленко А.С., Ягупов С.В., Сугак Д.Ю., Сольский И.М. Исследование стабильности электрических свойств восстановленных кристаллов LiNbO3 // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 7. С. 1049–1052. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.07.44676.1984Yatsenko A.V., Pritulenko A.S., Yagupov S.V., Sugak D.Y., Sol’skii I.M. Investigation of the stability of electrical properties of reduced linbo3 crystals. Technical Physics, 2017, vol. 62, no. 7, pp. 1065–1068. https://doi.org/10.1134/S1063784217070271Fridkin V.M. Photoferroelectrics. Springer, 1979. 176 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-81351-1Fridkin V.M. Photoferroelectrics. Springer, Springer, 1979, 176 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-81351-1Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. 768 с.Besekerskii V.A., Popov E.P. Theory of Automatic Control Systems. Moscow, Nauka, 1972, 768 p. (in Russian)Щербаков В.С., Лазута И.В. Теория автоматического управления. Линейные непрерывные системы: учебное пособие. Омск: СибАДИ, 2013. 142 с.Shcherbakov V.S., Lazuta I.V. The theory of automatic control. linear continuous systems. Omsk, SibADI, 2013, 142 p. (in Russian)Thiele F., Hummel T., Amelie Lange N., Dreher F., Protte M., Bruch F., Lengeling S., Herrmann H., Eigner C., Silberhorn C. Pyroelectric influence on lithium niobate during the thermal transition for cryogenic integrated photonics // Materials for Quantum Technology. 2024. V. 4. N 1. P. 015402. https://doi.org/10.1088/26334356/ad207dThiele F., Hummel T., Amelie Lange N., Dreher F., Protte M., Bruch F., Lengeling S., Herrmann H., Eigner C., Silberhorn C. Pyroelectric influence on lithium niobate during the thermal transition for cryogenic integrated photonics. Materials for Quantum Technology, 2024, vol. 4, no. 1, pp. 015402. https://doi.org/10.1088/2633-4356/ad207d

The authors declare that there are no conflicts of interest present.