Cantelar, Eugenio

Chandler, P.J.

Cussó, F.

Herreros, B.

Lifante, G.

Muñoz, J.A.

Pernas, P.L.

Schäfer, K.

Sohler, W.

Suche, H.

Townsend, P.D.

Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio

Cantelar Alcaide, Eugenio Francisco

Pernas Martino, Pablo Luis

Lifante Pedrola, Ginés

Cussó Pérez, Fernando

Biblos-e Archivo

BOLETÍN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE Cerámica y Vidrio A R T I C U L O 4 ^ 4 Materiales para láseres en guía de onda: L¡Nb03:Er/Nd el pi B. HERREROS", J=A. M U Ñ O Z ' , E. CANTELAR', P. L. PERNAS', G. LIFANTE F. CUSSÓl,P.D. TOWNSEND^, PJ. CHANDLER^, K. SCHÄFER^, H.SUCHE^ Y W . SOHLER^ ' Dept. de Física de Materiales, C-IV, U. Autónoma de Madrid. 28049 Cantoblanco. Madrid, España ^Dept. oí Physics and Astrononny; Univ. of Sussex. Brighton BN1 9QH, Reino Unido ^Angewandte Physik, Universität-GH Paderborn D-33098 Paderborn, Alemania En este trabajo se presenta el estudio fotoluminiscente de guías de onda fabricadas mediante dos técnicas distintas, implantación iónica y difusión de Ti, sobre dos importantes materiales para aplicaciones láser, LiNb03:Er^^ y LiNb03:Nd3+. Las propiedades ópticas de los centros láser en las guías se comparan con las que presentan en el material en volumen, estudiándose también los efectos sobre éstas de los distintos métodos de preparación de guías empleados. Los resultados muestran como los dos métodos de fabricación preservan en gran medida las propiedades espectroscópicas de los iones ópticamente activos, aunque la distorsión introducida por la difusión de Ti parece ser algo más importante. Palabras clave: Niohato de litio, erbio, neodimio, guías de onda, fotoluminiscencia Waveguide laser materials: LiNb03:Er/Nd This work presents the photoluminescence study of LiNb03: Er3+ and LiNbOo:Nd3+ planar and channel waveguides fabricated by means of two different techniques, ion-implantation and Ti-in-diffusion. The optical properties of the laser centres in the wave-guides are compared with those in the bulk. A comparison of the effects induced on such properties by the two preparation tech-niques is also presented. The results show that the spectroscpic properties of the laser ions are essentially preserved by the two fabricarion methods, although the distorsion produced by the Ti-in-diffusion seems to be more important. Key words: Lithium niobate, erbium, neodymium, optical waveguides, photoluminescence 1. INTRODUCCIÓN La combinación de los iones de tierras raras y el niobato de litio presenta numerosas ventajas en el campo de la óptica inte-grada debido a las excelentes propiedades no-lineales, electro-ópticas y acusto-ópticas de esta matriz cristalina y la multitud de transiciones ópticas susceptibles de oscilación láser que pre-sentan los iones lantánidos, en especial la transición entorno a 1.55 ¡im del ion coincidente con una de las ventanas ópti-cas de las telecomunicaciones. En los últimos años, junto con esta combinación LiNb03:TR^+ se ha incluido la configuración guiada para aumentar así tanto la eficacia de los procesos no-lineales como la eficiencia láser gracias a las mayores densidades de potencia. Esto ha sido posible gracias al desarrollo y perfeccionamiento de diversas técnicas de preparación de guías de onda en LiNb03, tanto en su modalidad planar como acanalada, desta-cando entre ellas la difusión de Ti, el intercambio protónico y la implantación iónica. Como consecuencia de este rápido desarrollo se han demostrado diversos láseres en guía (1-2) uti-lizando estas técnicas de fabricación, siendo los iones Er^ "^  y los principalmente empleados. Sin embargo, las diferentes técnicas de preparación de guías pueden inducir cambios en la estructura de la matriz, por lo que, ante el gran interés que presentan estos materiales para láseres en guía de onda, se vuelve de gran importancia el estu-dio de la influencia que los distintos métodos de fabricación de guías puedan tener sobre las propiedades ópticas del ion acti-vo para poder optimizar el funcionamiento de cualquier dis-positivo láser. En este trabajo se presenta el estudio mediante fotoluminis-cencia de distintos tipos de guías de LiNb03 dopado con Nd o Er. Las propiedades ópticas de dichos iones en las guías se comparan con las que presentan en el material en volumen. 2. PARTE EXPERIMENTAL Los cristales de LiNb03:MgO:Nd que se emplearon para este trabajo se crecieron en la LJniversidad Autónoma de Madrid por el método Czochralski a partir de los productos químicos comercializados por la firma Johnson-Mathey con grado I de pureza, utilizándose una concentración nominal de Nd de 0.2% mol referido al niobio e incluyéndose también un codopaje con óxido de magnesio en una concentración igual o mayor que el 5% para inhibir así el daño fotorrefractivo. Se 350 Bol. Soc. Esp. Cerám. V idr io , 36 [2-3] 350-352 (1997) MATERIALES PARA LÁSERES EN GUÍA DE ONDA: LiNbOgiEr/Nd prepararon guías planas sobre substratos procedentes de estos cristales mediante implantación de iones He+ a una energía de 2 Me'V en el acelerador Van de Graaff de la Universidad de Sussex. A partir de la energía del haz de iones de He+ usado para la implantación, se puede estimar que la profundidad de las guías formadas es del orden de 4 |im. A continuación, se procedió a recocer los substratos a 250^C durante 30 min en aire para eliminar los centros de color generados por la implantación. En el caso de los cristales de LiNbOß dopados con Er, parte de ellos se crecieron también en la Universidad Autónoma mediante la misma técnica, dopándose con con-centraciones nominales de Er entre 0.2 y 1 % mol (referido al niobio), para preparar después guías planas de modo análogo al anteriormente descrito. Los substratos de LiNb03:Er que se emplearon en la fabricación de guías acanaladas por difusión de Ti se obtuvieron a partir de cristales de LiNb03 puro comercializados por Crystal Technology que se doparon en su región superficial mediante difusión de Er. Para ello se evapo-ró sobre su superficie una capa de Er de un espesor de ~ 200 Â para, a continuación, llevar a cabo la difusión a 1130^C durante 150 horas. A partir de los valores de los coeficientes de difusión del Er en LiNb03 publicados por Buchal y cola-boradores (3), se puede estimar una profundidad (1/e) de 6.5 ¡im y una concentración superficial de - 0.7 % mol para el per-fil gaussiano resultante. A continuación se usaron técnicas de fotohtografía para definir sobre estos substratos canales (5, 6, 7 y 8 |Lim de anchura) de Ti que seguidamente se difundieron a lOóO^C durante 9 horas, estimándose una profundidad de 4 |im para las guías. El estudio fotoluminiscente de los iones en la guía se llevó a cabo a alta y baja temperatura bajo excitación de láseres de Ar+ y Ti:zafiro con el sistema experimental cuya descripción puede encontrarse en la literatura (4). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La Figura 1 muestra el espectro de emisión a baja tempera-tura (4 K), bajo excitación con Ti:zafiro, correspondiente a las transiciones láser de los iones Nd^"^ (parte superior) y Er^+ (parte inferior) en LiNb03. En ella se muestra la comparación de dichos espectros, normalizados al área, entre guías planas implantadas (línea punteada) y el correspondiente material en volumen (línea continua). La emisión láser ~ L084 jiim del ion Nd3+ en LiNb03 corresponde a la transición ^'^/2~^ \ \ l l ^^ mismo. En la Figura 1 (parte superior) se observa como el número de ban-das que aparecen para dicha transición, así como su posición, coinciden en el espectro del material en volumen y de la guía, habiendo sólo pequeños cambios de intensidades relativas y un ligerísimo ensanchamiento. El mismo tipo de comporta-miento se encuentra en la Figura 1 (parte inferior) al compa-rar el espectro del material en volumen y de la guía corres-pondiente a la transición ^h3/2~^^h5/2 ^^^ ^^^ ^^^^ ^^ LiNb03. En cuanto a los tiempos de vida obtenidos para las guías implantadas de LiNb03:MgO:Nd^+, éstos son muy similares a los observados en el material en volumen, con sólo una ligera reducción (--10%). En la Figura 2 se presenta el espectro de emisión a baja tem-peratura, bajo excitación con láser de Ar+, correspondiente a la transición ^S3 /2^^ I l5 /2 ^^^ ^ ^^ ^ ^^^ ^ ^ LiNb03 que apa-rece entorno a 550 nm. Se escogió esta emisión por tratarse de una emisión muy intensa donde la resolución a efectos com-- Volumen •Guía á Q < Q LíNb03:Nd 3+ LHeT TxpoL A.^ ^^  = 808.8 nm 1060 1070 1080 1090 1100 1110 1120 1130 — 1 LiNb03:Er^^ ~ LHeT L e^xc = 979.4 nm [ a Pol LJ L^. \i—/%rÀS^^_. L_. _..,.__. 1500 1525 1550 1575 1600 1625 LONGITUD DE ONDA (nm) Fig. 1. Espectros de emisión a baja temperatura, bajo excitación infrarroja, correspondientes a las transiciones Fsn^hl/l ^^^ ^ ^^ Nd'^'^ (parte supe-rior) y ^^23/2^h5l2 ^^^ ^^^ ^^ (parte inferior) en LiNbO^. Se comparan los espectros del material en volumen (línea continua) y de guías implanta-das (línea punteada). % 540 550 560 LONGITUD DE ONDA (nm) Fig. 2. Espectro de emisión a baja temperatura, bajo excitación con láser de Ar^, correspondiente a las transición ^3/2^ hsil ^^^ '^^ ^ Er^'^ en EiNbOß. Se comparan los espectros del material en volumen (línea continua) y de guías difundidas con Ti (línea pimteada). parativos guía/volumen es óptima. Por otra parte, dicha emi-sión presenta un posible interés láser en esquemas ''up-con-version''. En este caso la comparación se hace entre guías de difusión de Ti (línea punteada) y material en volumen (línea continua). Puede observarse nuevamente la coincidencia entre Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 36 Núms. 2-3 Marzo-Junio 1997 351 . HERREROS, J.A. MUÑOZ, E. CANTELAR, P. PERNAS, G. LIFANTE, F. CUSSO,P.D. TOWNSEND, P.J. CHANDLER, K. SCHÄFER, H, SUCHE, W. SOHLER posiciones y número de bandas, aunque ahora el ensancha-miento de las bandas en el espectro de la guía es mucho más evidente. El hecho de que en los dos tipos de guías estudiadas la posi-ción y número de bandas coincida con las de los espectros del material en volumen indica que el entorno cristalino del ion en la matriz no se ha visto muy alterado por el proceso de prepa-ración de la guía, lo cual es altamente ventajoso desde el punto de vista tecnológico ya que es una clara indicación de que las propiedades espectroscópicas de los iones V Nd^"^ en LiNb03 no se ven apenas afectadas por estos procesos de pre-paración de guías. Por otro lado, el ensanchamiento en las bandas resulta de una pequeña pérdida de calidad cristalina en las guías detecta-da también mediante espectrometría de retrodispersión Rutherford combinada con canalización iónica (5). La observa-ción experimental de que este ensanchamiento es mayor en el caso de las guías difundidas con Ti que en el caso de las guías implantadas parece bastante razonable si se tiene en cuenta las características de estos dos métodos de fabricación. En las guías de implantación iónica la región de la guía corresponde a la zona que queda confinada entre el aire y la región de daño nuclear, es decir la zona de daño electrónico que apenas es dañada por la implantación que tan sólo genera la aparición de centros de color que pueden hacerse desaparecer mediante un tratamiento térmico posterior a temperaturas del orden de 250°C. Sin embargo, en el caso de la difusión de Ti la guía corresponde a la zona que se ha modificado mediante la intro-ducción del Ti en la red, esperándose en este caso una distor-sión mayor. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer la financiación parcial de este trabajo a la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT, Proyecto TIC95-0166) y a la Comunidad Económica Europea (HCM, Proyecto ERBCHRX-CT93-0211). • BIBLIOGRAFÍA 1. S.J. Field, D.C. Hanna, D.P. Shepherd, A.C. Tropper, P.J. Chandler, P.D. Townsend, and L. Zhang. «Ion-Implanted Nd:MgO:LiNb03 Planar Waveguide Laser». Opt. Lett. 16 [7] 481-483 (1991). 2. H. Suche, R. Wessel, S. Westenhöfer, W. Sohler, S. Bosso, C. Carmannini, and R. Corsini. «Harmonically Mode-Locked TiiEriLiNbOß Waveguide Laser». Opt. Lett. 20 [6] 596-598 (1995). 3. CH. Buchal, and S. Mohr. «Ion-Implantation, Diffusion and SolubiHty of Nd and Er in LiNb03». J. Mat. Res. 6 [1] 134-137 (1991). 4. B. Herreros, G. Lifante, F. Cussó, P.D. Townsend, and P.J. Chandler. «Luminescence Spectroscopy of Nd^ "*" in Ion-Implanted LiNbOßiNdiMgO Planar Waveguides». J. Phys. D: Appl. Phys. 28 1687-1697 (1995). 5. B. Herreros, G. Lifante, F. Cussó, A. Kling, J.C. Soares, M.F. da Silva, P.D. Townsend, and P.J. Chandler. «Structural and Optical Properties of Rare-Earth Doped Lithium Niobate Waveguides Formed by MeV Hehum Implantation». Proceedings of Symposium A of the Fall 1995 MRS Meeting, vol. 396. • • • 352 Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 36 Núms. 2-3 Marzo-Junio 1997 

Materiales para láseres en guía de onda: L¡Nb03:Er/Nd

https://repositorio.uam.es/bitstream/handle/10486/13824/64813_Materiales_para_laseres_en_guia.pdf?sequence=1

Materiales para láseres en guía de onda: L¡Nb03:Er/Nd

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