Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Достижение поставленной цели проекта будет осуществляться путём реализации научных тематик, соответствующих направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»). Финансирование научных тематик будет осуществляться за счёт привлечённого внебюджетного и бюджетного финансирования, в том числе средств гранта в форме субсидии из федерального бюджета, предоставленного на оказание поддержки Программы развития УрФУ на 2021-2030 гг. в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Постановление Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 года № 729), которые будут направлены на реализацию научной тематики «Создание устройств интегральной оптики на основе сегнетоэлектрических кристаллов с регулярной доменной структурой», прошедшей конкурсный отбор.
Описание реализуемой за счёт средств ПСАЛ «Приоритет 2030» научной тематики «Создание устройств интегральной оптики на основе сегнетоэлектрических кристаллов с регулярной доменной структурой»:
1) Решаемая проблема.
Разработка методов изготовления устройств интегральной оптики на основе сегнетоэлектрических кристаллов с регулярной доменной структурой и волноводами, полученными методами протонного обмена.
2) Актуальность решения обозначенной проблемы
Актуальность решения проблемы обусловлена тем, что для создания нелинейно-оптических устройств интегральной оптики особый интерес представляет изготовление оптических волноводов в кристаллах с регулярной доменной структурой. Такие устройства могут использоваться для генерации фотонных пар со спутанными состояниями, которая является основой современной квантовой криптографии. Несмотря на очевидную актуальность задачи, в настоящее время в России еще не разработаны технологии создания оптических волноводов в кристаллах с регулярной доменной структурой.
3) Описание задач, предлагаемых к решению
При выполнении проекта будут разрабатываться методы создания оптических волноводов в кристаллах семейства ниобата лития LiNbO3 (LN), который является основным материалом интегральной оптики. Будут использоваться коммерчески доступные кристаллы конгруэнтного состава (CLN) и легированные магнием (MgO:LN). Более высокая стойкость кристаллов MgO:LN к фоторефрактивному повреждению по сравнению с кристаллами CLN, используемыми в настоящее время в интегральной оптике, позволит создавать нелинейно-оптические элементы повышенной мощности. Следует отметить, что сравнительно высокая объемная проводимость и пространственная неоднородность пороговых полей в MgO:LN значительно усложняют создание прецизионной регулярной доменной структуры. Поэтому разработка методов создания регулярной доменной структуры в канальных и планарных волноводах в MgO:LN потребует комплексного изучения эволюции доменной структуры при переключении поляризации и особенностей роста доменов в кристаллах MgO:LN с градиентом состава в приповерхностном слое, возникающем в результате протонного обмена.
Для решения поставленной проблемы необходимо будет решить ряд задач в области физики сегнетоэлектриков и нелинейной оптики.
С точки зрения физики сегнетоэлектриков необходимо будет провести детальное исследование эволюции доменной структуры в пластинах CLN и MgO:LN с градиентом состава и пространственно неоднородным распределением спонтанной поляризации, возникающими вблизи поверхности в результате протонного обмена. Планируемое исследование позволит выявить новые сценарии эволюции доменной структуры при переключении поляризации с учетом воздействия индуцированных градиентом состава связанных внутренних полей.
Для дальнейшего развития нелинейной оптики будут решаться принципиальные задачи, связанные с переходом на новые фоторефрактивно-стойкие сегнетоэлектрические материалы со стабильными регулярными доменными структурами с микронными периодами для нелинейно-оптических преобразований в интегральных устройствах. Будут использоваться два альтернативных подхода к созданию интегрального устройства с регулярной доменной структурой: (1) изготовление оптических волноводов в кристаллах с регулярной доменной структурой и (2) изготовление регулярной доменной структуры в кристаллах с оптическими волноводами.
4) Практическая значимость ожидаемых результатов
Решение указанной проблемы имеет важное прикладное значение. В последние годы во всем мире развивается доменная инженерия как новая ветвь науки и технологии, связанная с изготовлением в сегнетоэлектриках стабильных регулярных доменных структур. Методы доменной инженерии используются в производстве электрооптических и нелинейно-оптических приборов с улучшенными характеристиками. Изготовление нелинейно-оптических элементов с регулярными доменными структурами позволило разработать когерентные источники света с преобразованием частоты излучения с рекордной эффективностью. Однако эффективность нелинейно-оптического преобразования при распространении взаимодействующих оптических волн внутри объемного кристалла ограничена дифракцией. Кроме того, оптические схемы на объемных кристаллах сравнительно громоздки и требуют прецизионной фокусировки лазерного излучения. Использование оптических волноводов компенсирует дифракцию путем полного внутреннего отражения на границах раздела со средой с пониженным показателем преломления. Кроме того, ввод излучения в канальный волновод с помощью оптического волокна позволяет избежать трудоемкой настройки оптической схемы конечным заказчиком.
5) План работ на 2022-2024 год
2022 год
1. Исследование влияния основных параметров протонного обмена (температуры, длительности и состава источника протонов) при создании волноводов на пространственное распределение состава в приповерхностном слое.
2. Экспериментальное и теоретическое исследование пространственного распределения связанного внутреннего поля в кристаллах с пространственно неоднородным составом.
3. Исследование формирования микро- и нанодоменов в результате создания модифицированного поверхностного слоя методом протонного обмена в пластине с регулярной доменной структурой.
2023 год
1. Обоснование оптимальных параметров протонного обмена, позволяющих сохранить регулярную доменную структуру.
2. Разработка методов создания канальных волноводов методами протонного обмена в кристаллах с регулярной доменной структурой.
3. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетики доменной структуры при переключении поляризации в неоднородном электрическом поле, создаваемом электродами конечных размеров в кристаллах с пространственно неоднородным составом.
2024 год
1. Изучение влияния связанных внутренних полей, индуцированных пространственной неоднородностью состава, на кинетику доменной структуры в пластинах CLN и MgO:LN с поверхностным слоем, модифицированным методом протонного обмена.
2. Изучение особенностей роста и взаимодействия доменов при сканировании фокусированным электронным пучком поверхностей пластин CLN и MgO:LN, модифицированных методом протонного обмена.
3. Разработка методов создания регулярной доменной структуры в кристаллах ниобата лития с планарными и канальными волноводами, изготовленными методами протонного обмена: (1) приложением электрического поля с помощью системы полосовых электродов и (2) сканированием поверхности сфокусированным электронным пучком.
4. Измерение эффективности преобразования, диапазона перестройки и спектральной ширины излучения в кристаллах ниобата лития с волноводами и регулярной доменной структурой.
Коллектив Научного центра компетенций руководствуется в своей работе Положением о научных центрах компетенций СМК-ПВД-7-01-287-2022, введённым в действие приказом №439/03 от 04.05.2022.