Исследование пироэлектрического спонтанного переключения доменов в межэлектродном зазоре фазового модулятора на основе титан-диффузионных волноводов в кристаллах ниобата лития

Аксарин С.М., Смирнова А.В., Шулепов В.А., Парфенов П.С., Стригалев В.Е., Мешковский И.К. Исследование пироэлектрического спонтанного переключения доменов в межэлектродном зазоре фазового модулятора на основе титан-диффузионных волноводов в кристаллах ниобата лития // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 3. С. 361–373. doi:10.17586/2226-1494-2021-21-3-361-373

Предмет исследования. Выполнен анализ кинетики зародышеобразования и роста доменов обратного знака в поверхностном слое монодоменного кристалла ниобата лития X-среза в межэлектродном зазоре интегрально- оптических фазовых модуляторов. Предложена и экспериментально обоснована модель морфологии роста доменов вдоль границ поверхностных электродов на модуляторах X-среза. Теоретически разъяснен механизм спонтанного роста игольчатых доменов вследствие возникновения электрического поля под действием пироэлектрического эффекта при изменении температуры кристалла. Методика эксперимента. Численная оценка вклада пироэлектрического поля в межэлектродном зазоре осуществлена в программном пакете Comsol Multiphysics. Экспериментальное изучение морфологии игольчатых доменов выполнено на серийных образцах интегрально-оптических фазовых модуляторов на основе волноводов Ti:LiNbO₃. Для оценки формы и размеров доменов применено анизотропное травление в водном растворе плавиковой кислоты с последующим визуальным анализом. Для неразрушающего контроля использованы методы сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии в контактном режиме измерения сигнала пъезоотклика. Основные результаты. Впервые экспериментально изучена морфология игольчатых доменов, возникающих в межэлектродном зазоре фазовых модуляторов на основе ниобата лития. Представлена теоретическая и численная модель роста доменов, учитывающая пироэлектрическую природу возбуждающего электрического поля. Показано, что вдоль электродов формируются игольчатые домены, длина которых может достигать 20 мкм, при нормальных условиях эксплуатации, и длиной до 30 мкм после термоудара образца с охлаждением на 125 °С. Практическая значимость. Обнаруженные домены обратного знака в межэлектродном зазоре могут оказывать влияние на электрооптические характеристики интегрально-оптических фазовых модуляторов на ниобате лития, что требует учета особенностей формирования доменов при проектировании топологии электродов и эксплуатации модуляторов.

1. Sun S., He M., Xu M., Gao S., Chen Z., Zhang X., Ruan Z., Wu X., Zhou L., Liu L., Lu C., Guo C., Liu L., Yu S., Cai X. Bias-drift-free Mach–Zehnder modulators based on a heterogeneous silicon and lithium niobate platform // Photonics Research. 2020. V. 8. N 12. P. 1958–1963. doi: 10.1364/PRJ.403167

2. Bulmer C.H., Greenblatt A.S., Moeller R.P., Burns W.K. Bias point stability of packaged lithium niobate linear modulators // Proc. Integrated Photonics Research. Dana Point, California. United States. 1995. P. IFE3. doi: 10.1364/IPR.1995.IFE3

3. Beaumont A.R., Daymond-John B.E., Booth R.C. Effect of ambient water vapour on stability of lithium niobate electro-optic waveguide devices // Electronics Letters. 1986. V. 22. N 5. P. 262–263. doi: 10.1049/el:19860180

4. Higuma K., Hashimoto Y., Yatsuki M., Nagata H. Electrode design to suppress thermal drift in lithium niobate modulators // Electronics Letters. 2000. V. 36. N 24. P. 2013–2014. doi: 10.1049/el:20001260

5. Nagata H., Oikawa S., Yamada M. Comments on fabrication parameters for reducing thermal drift on LiNbO3 optical modulators // Optical Engineering. 1997. V. 36. N 1. P. 283–286. doi: 10.1117/1.601172

6. Ponomarev R.S., Shevtsov D.I., Karnaushkin P.V. “Shutdown” of the proton exchange channel waveguide in the phase modulator under the influence of the pyroelectric effect // Applied Sciences. 2019. V. 9. N 21. P. 4585. doi: 10.3390/app9214585

7. Gopalan V., Mitchell T.E. Wall velocities, switching times, and the stabilization mechanism of 180° domains in congruent LiTaO3 crystals // Journal of Applied Physics. 1998. V. 83. N 2. P. 941–954. doi: 10.1063/1.366782

8. Gopalan V., Mitchell T.E., Furukawa Y., Kitamura K. The role of nonstoichiometry in 180° domain switching of LiNbO3 crystals // Applied Physics Letters. 1998. V. 72. N 16. P. 1981–1983. doi: 10.1063/1.121491

9. Soergel E. Visualization of ferroelectric domains in bulk single crystals // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2005. V. 81. N 6. P. 729–751. doi: 10.1007/s00340-005-1989-9

10. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 263 с.

11. Gopalan V., Gupta M.C. Origin and characteristics of internal fields in LiNbO3 crystals // Ferroelectrics. 1997. V. 198. N 1. P. 49–59. doi: 10.1080/00150199708228337

12. Ro J.H., Jeon O.-Y., Kim T.-H., Ro J.-H., Cha M. Non-stoichiometric defect effect on coercive field in lithium niobate crystals // Ferroelectrics. 2002. V. 269. N 1. P. 231–236. doi: 10.1080/713716050

13. Baturin I.S., Akhmatkhanov A.R., Shur V.Y., Nebogatikov M.S., Dolbilov M.A., Rodina E.A. Characterization of bulk screening in single crystals of lithium niobate and lithium tantalate family // Ferroelectrics. 2008. V. 374. N 1. P. 1–13. doi: 10.1080/00150190802418860

14. Shur V.Y., Mingaliev E.A., Lebedev V.A., Kuznetsov D.K., Fursov D.V. Polarization reversal induced by heating-cooling cycles in MgO doped lithium niobate crystals // Journal of Applied Physics. 2013. V. 113. N 18. P. 187211. doi: 10.1063/1.4801969

15. 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. 43101. doi: 10.1063/1.4788696

16. Parravicini J., Safioui J., Degiorgio V., Minzioni P., Chauvet M. All-optical technique to measure the pyroelectric coefficient in electro-optic crystals // Journal of Applied Physics. 2011. V. 109. N 3. P. 033106. doi: 10.1063/1.3544069

17. Евдокимов С.В., Шостак Р.И., Яценко А.В. Аномалии пироэлектрических свойств кристаллов LiNbO3 конгруэнтного состава // Физика твердого тела. 2007. T. 49. № 10. C. 1866–1870.

18. 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. T. 57. № 5. C. 932–936.

19. Shur V.Y., Rumyantsev E.L., Nikolaeva E.V., Shishkin E.I. Formation and evolution of charged domain walls in congruent lithium niobate // Applied Physics Letters. 2000. V. 77. N 22. P. 3636–3638. doi: 10.1063/1.1329327

20. Yatsenko A.V., Evdokimov S.V. Effect of an iron impurity on the electrical conductivity of LiNbO3 crystals // Physics of the Solid State. 2020. V. 62. N 3. P. 485–491. doi: 10.1134/S1063783420030269

21. Шур В.Я., Румянцев Е.Л. Исследование кинетики субмикронных и нано-доменных структур в сегнетоэлектрических монокристаллах при внешних воздействиях: учебное пособие / Уральский государственный университет им. А.М. Горького. Екатеринбург, 2007. 105 с.

22. Argiolas N., Bazzan M., Bernardi A., Cattaruzza E., Mazzoldi P., Schiavuta P., Sada C., Hangen U. A systematic study of the chemical etching process on periodically poled lithium niobate structures // Materials Science and Engineering: B. 2005. V. 118. N 1-3. P. 150–154. doi: 10.1016/j.mseb.2004.12.088

23. Wicks B.J., Lewis M.H. Direct observations of ferroelectric domains in lithium niobate // Physica Status Solidi (b). 1968. V. 26. N 2. P. 571–576. doi: 10.1002/pssb.19680260221

24. Randles A.B., Esashi M., Tanaka S. Etch rate dependence on crystal orientation of lithium niobate // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2010. V. 57. N 11. P. 2372–2380. doi: 10.1109/TUFFC.2010.1705

25. Sones C.L., Mailis S., Brocklesby W.S., Eason R.W., Owen J.R. Differential etch rates in z-cut LiNbO3 for variable HF/HNO3 concentrations // Journal of Materials Chemistry. 2002. V. 12. N 2. P. 295–298. doi: 10.1039/b106279b

26. Kokhanchik L.S., Bodnarchuk Y.V., Volk T.R. Electron beam domain writing in reduced LiNbO3 crystals // Journal of Applied Physics. 2017. V. 122. N 10. P. 104105. doi: 10.1063/1.4991509

27. Vlasov E., Chezganov D., Chuvakova M., Shur V.Y. The ferroelectric domain structures induced by electron beam scanning in lithium niobate // Scanning. 2018. V. 2018. P. 7809826. doi: 10.1155/2018/7809826

28. Aristov V.V., Kokhanchik L.S., Voronovskii Y.I. Voltage contrast of ferroelectric domains of lithium niobate in SEM // Physica Status Solidi (a). 1984. V. 86. N 1. P. 133–141. doi: 10.1002/pssa.2210860113

29. Kokhanchik L.S. The use of surface charging in the SEM for lithium niobate domain structure investigation // Micron. 2009. V. 40. N 1. P. 41–45. doi: 10.1016/j.micron.2008.02.009

30. Jungk T., Hoffmann Á., Soergel E. Contrast mechanisms for the detection of ferroelectric domains with scanning force microscopy // New Journal of Physics. 2009. V. 11. N 3. P. 033029. doi: 10.1088/1367-2630/11/3/033029

31. Shur V.Y., Lobov A.I., Shur A.G., Kurimura S., Nomura Y., Terabe K., Liu X.Y., Kitamura K. Rearrangement of ferroelectric domain structure induced by chemical etching // Applied Physics Letters. 2005. V. 87. N 2. P. 022905. doi: 10.1063/1.1993769

32. Manzo M., Denning D., Rodriguez B.J., Gallo K. Nanoscale characterization of β-phase HxLi1−xNbO3 layers by piezoresponse force microscopy // Journal of Applied Physics. 2014. V. 116. N 6. P. 066815. doi: 10.1063/1.4891352

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License