Herstellung und Charakterisierung von Erbium dotiertem einkristallinen LiNbO$_{3}$ für optische Bauelemente

Abstract

Planare Technologien für Licht werden zunehmend wichtiger, denn die weltweite Vernetzung mit Glasfasern für die Telekornrnunikation erfordert ein leistungsfähiges Schalten und Verarbeiten der optischen Signale. Einkristallines LiNbO$_{3}$ ist das Arbeitspferd für all die elektrooptischen Bauelemente, in denen Licht durch elektrische Signale geschaltet oder verteilt wird ("switching" und "multiplexing"). Zusätzliche aktive Funktionen wie Laser und Verstärker erfordem eine Dotierung, zurn Beispiel mit Seltenen-Erd-Ionen. Dabei spielt Erbium wegen seiner Lumineszenz bei 1.5 $\mu$m eine herausragende Rolle. In dieser Arbeit wurden drei Verfahren erarbeitet, um einkristallines LiNbO$_{3}$ durch Dotieren mit Erbium optisch zu aktivieren: Die Eindiffusion von Erbium aus einem aufgedampften Erbium-Film, die MeV-Implantation von Erbium in Kombination mit einem Nachtemperschritt und die Laserablation von Erbium-dotiertem LiNbO$_{3}$. 1. Eindiffusion: Der EindiffusionsprozeB von Erbium in LiNbO$_{3}$ läuft in zwei Schritten ab: Direkt zu Beginn der Temperung bildet sich an der Oberfläche des Kristalls durch Interdiffusion mit dem Erbium-Film ein Erbium-Niob-Mischoxid, das im zweiten, dem eigentlichen Eindiffusions-Schritt, als Erbium-Reservoir dient. Die Diffusion von Erbium in LiNbO$_{3}$ läßt sich auf der Basis des 2. Fick'schen Gesetzes mit einer konzentrationsunabhängigen Diffusionskonstante exakt beschreiben. Die Diffusion verläuft schneller entlang der z-Achse als senkrecht dazu, ist aber insgesamt ein sehr langsamer Prozeß (100 h bei 1060 °C ergeben eine Diffusionslänge von 3.3 bzw. 3.8 $\mu$m). Beide Diffusionskonstanten zeigen ein thermisch aktiviertes Verhalten mit einer Aktivierungsenergie von (2.5 $\pm$ 0.15) eV. Die Löslichkeit von Erbium in LiNbO$_{3}$ ist gering (bei 1000 °C fast zwei Größenordnungen kleiner als die von Titan) und zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit. Durch Kodotieren mit Titan läßt sich die Beweglichkeit der Erbium-Ionen erheblich erhöhen, wahrend die Löslichkeit unbeeinfluBt bleibt. [...