Исследование пироэлектрического эффекта и создание модифицированной конструкции фазового модулятора на основе ниобата лития
https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-4-538-547
Аннотация
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. 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.
При поддержке: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).
Об авторах
А. В. Шулепова
Университет ИТМО
Россия
Россия
Шулепова Алена Викторовна — инженер
Санкт-Петербург, 197101
В. А. Шулепов
Университет ИТМО
Россия
Россия
Шулепов Владимир Андреевич — кандидат технических наук, начальник группы
Санкт-Петербург, 197101
В. Е. Стригалев
Университет ИТМО
Россия
Россия
Стригалев Владимир Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, доцент, профессор, старший научный сотрудник
Санкт-Петербург, 197101
Список литературы
1. Ильичев 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.
2. 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/10.1063/1.326383
3. Bazzan 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/10.1063/1.4931601
4. Korkishko 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/10.1109/50.838131
5. Becker 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/10.1063/1.94280
6. Courjal 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.76798
7. Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope / third ed. Boston: Artech House, 2022. 500 p.
8. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 263 с.
9. 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.415762
10. Chen 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.4.3.034003
11. Deppe 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/s17030567
12. Петров 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.
13. Wooten 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/10.1109/2944.826874
14. Yamada 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.20.733
15. Kostritskii 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/10.1080/00150193.2021.1888062
16. Hollinger W.P., Kovacs R.A. Tuned integrated optic modulator on a fiber optic gyroscope. Patent US5504580A. 1996.
17. 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.2011.2136322
18. Popescu 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/10.1063/1.4788696
19. Parravicini 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/10.1063/1.3544069
20. Евдокимов 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.
21. Bulmer 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/10.1063/1.96640
22. Nagata 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/10.1109/68.839027
23. Skeath 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/10.1063/1.97419
24. Seino 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.pd3
25. Яценко 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.
26. Rosenman 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/10.1063/1.1319378
27. Смирнова 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.
28. 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.
29. 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/photonics8120571
30. Яценко 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.2017.07.44676.1984
31. Fridkin V.M. Photoferroelectrics. Springer, 1979. 176 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-81351-1
32. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. 768 с.
33. Щербаков В.С., Лазута И.В. Теория автоматического управления. Линейные непрерывные системы: учебное пособие. Омск: СибАДИ, 2013. 142 с.
34. 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/ad207d
Рецензия
Для цитирования:
Шулепова А.В., Шулепов В.А., Стригалев В.Е. Исследование пироэлектрического эффекта и создание модифицированной конструкции фазового модулятора на основе ниобата лития. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024;24(4):538-547. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-4-538-547
For citation:
Shulepova A.V., Shulepov V.A., Strigalev V.E. Study of pyroelectric effect and creation of modified design of phase modulator based on lithium niobate. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2024;24(4):538-547. (In Russ.) https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-4-538-547
Просмотров:
8
Послать статью по эл. почте 