Refractive Index and Concentration Profiles of Proton-Exchanged LiNbO3 Waveguides

Abstract

The extraordinary refractive index profile of proton-exchanged LiNbO3 waveguides as well as the proton and lithium distributions are investigated. The exchange is effected by pure benzoic acid and with lithium benzoate as an additive, on pure and magnesium doped LiNbO3 substrates. The refractive index profiles are reconstructed from measured effective indices by a very reliable improved inverse WKB procedure. Marked deviations from step-function-type profiles are found. The same holds for the lithium distribution which has been determined by SIMS. To check the reconstruction procedure, the waveguiding layer is gradually polished off, and the modes of the remaining guide are measured and fitted. Simultaneously, the infrared absorption by OH- stretching vibrations is recorded. Its cross section is determined to be (4 ± 2) × 10−19 cm2. The effect of adding lithium benzoate, of doping with magnesium as well as annealing, on the stability of the refractive index profile is discussed. Das außerordentliche Brechzahlprofil protononeusgetauschter LiNbO3-Wellenleiter sowie die Protonen- und Lithiumverteilung werden untersucht. Ausgetauscht wird mit Hilfe reiner und mit Lithiumbenzoat versetzter Benzoesäure, und zwar auf unbehandelten und mit Magnesium dotierten LiNbO3-Substraten. Die Brechzahlprofile werden aus gemessenen effektiven Brechzahlen mit einem sehr zuverlässigen inversen WKB-Verfahren rekonstruiert. Man findet deutliche Abweichungen von der Stufenform. Dasselbe gilt für die Lithiumverteilung, die mit SIMS bestimmt wurde. Um das Rekonstruktionsverfahren zu überprüfen, polieren wir die wellenleitende Schicht stufenweise ab, messen die effektiven Brechzahlen des restlichen Wellenleiters, passen diese an und zeichnen zugleich die Infrarotabsorption infolge von OH−-Streckschwingungen auf. Man erhält einen Wirkungsquerschnitt von (4 ± 2) × 10−19 cm2. Es wird diskutiert, wie der Zusatz von Lithiumbenzoat, die Dotierung mit Magnesium sowie thermisches Ausheilen die Stabilität der Brechzahlprofile beeinflußt.