Изготовление и исследование элементов интегральной оптики для систем оптической связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

РЕФЕРАТ

Целью работы является изготовление одномодовых интегрально-оптических волноводов и волноводных структур, разработка экспериментальной установки, с целью её использования для измерения оптических характеристик, и соединения волоконных световодов и канальных волноводов.

В результате выполнения дипломной работы были изготовлены и исследованы одномодовые волноводные структуры в стекле, разработана и сконструирована рабочая установка для измерения характеристик и соединения волоконных световодов и интегрально-оптических волноводов.



ВВЕДЕНИЕ

Интегральная оптика - раздел современной оптики, изучающий процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкоплёночных диэлектрических волноводах, а также разработку принципов и методов создания на единой подложке (интеграция) оптических и оптоэлектронных волноводных устройств (лазеров, модуляторов, дефлекторов, переключателей и т.д.), и производства миниатюрных оптических систем. В настоящее интегрально-оптические устройства выпускается в промышленности

Круг задач, решаемых с помощью этой технологии, весьма широк:

интегрально-оптические устройства нашли широкое применение в волоконно-оптической связи. WDM-структуры позволяют эффективно мультиплексировать большое количество оптических каналов для их передачи по одному волокну и демультиплексировать для последующей обработки. Также WDM-структуры могут использоваться в качестве диспергирующего элемента в областях, не связанных с телекоммуникациями.

создание миниатюрных датчиков температуры, давления, вибрации, которые могут применяться в нефтегазовой, химической промышленности, для мониторинга различных объектов (производственных, инженерных сооружений, зданий).

Интегрально-оптические устройства обладают рядом преимуществ, что делает их особенно привлекательными:

взрывобезопасность - поскольку в этих устройствах используется лишь свет малой мощности, исключается возможность возникновения искры;

устойчивость к электромагнитным помехам;

миниатюрность и экономичность.

К сожалению, интегральная оптика пока не смогла сравняться в развитии с микроэлектроникой, интегрально-оптические схемы по сложности еще далеки от электронных интегральных схем. Однако устройства средней сложности могут оказаться вполне конкурентоспособными, например, для волоконно-оптических линий связи, где они будут обеспечивать работу передатчиков данных и приемников излучения, которые состоят из лазеров с распределенной обратной связью, оптических модуляторов, фотодиодов и оптических фильтров.

Интегральная оптика вполне может в будущем оттеснить микроэлектронику на задний план на мировом рынке, потому что уже сегодня сети связи (проводное телевидение, интернет, телефонная связь) базируются на компонентах интегральной оптики (AWG мультиплексорах, интегрально-оптических сплиттерах и модуляторах светового сигнала).

Целью работы является изготовление одномодовых интегрально-оптических волноводов и волноводных структур, разработка экспериментальной установки с целью её использования для соединения волоконных световодов и интегрально-оптических канальных волноводов и их исследования.



1. ОБЗОР ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ И СЕНСОРНЫХ УСТРОЙСТВ

Интегрально-оптические схемы находят большое применение в системах волоконно-оптической связи и микросенсорных устройствах.

Интегрально-оптические датчики химико-биологических величин и взаимодействий используют влияние измеряемой величины на затухающее поле направленной оптической волны, которое существует и вне сердцевины оптического волновода («хвост» моды). За счет изменения показателя преломления покровной с волноводом среды или очень тонкого слоя на его поверхности изменяют параметры распространяющейся волны. Показатель преломления раствора, как известно, зависит от концентрации его компонентов [1].

Рисунок 1- Схематический вид волноводного сенсора на основе интерферометра Маха-Цендера: (а) - вид сверху; (b) - вид в поперечном сечении; заштрихованная область соответствует нанесенному поверх схемы защитному слою; L - длина сенсорного окна для газа или раствора

Сенсоры на основе волноводного интерферометра Маха-Цендера имеют схему, показанную на рисунке 1. Все волноводы на рабочей длине волны должны быть одномодовые. Принцип работы интерферометра очень простой: монохроматическая световая волна, вводимая во входной канал, разделяется во входном симметричном Y-разветвителе на 2 волны и объединяется обратно в одну волну в выходном разветвителе. Моды волноводов обоих плеч интерферометра в точке их соединения в выходном ответвителе могут взаимодействовать конструктивно или деструктивно, и в общем случае, интерферировать с произвольной разностью фаз друг по отношению к другу. В одном из плеч интерферометра вводится сенсорное окно определенной длины “L”, и при распространении вдоль этого окна волноводная мода испытывает влияние покровной среды, в роли которой выступает анализируемый раствор или газ, на свои волновые характеристики. Сдвиг фаз между волнами зависит от величины этого воздействия, а именно - от изменения показателя преломления покровной среды, и за счет интерференции волн в выходном Y-разветвителе, этот сдвиг фаз приводит к изменению мощности световой волны на выходе интерферометра, что и регистрируется фотодетектором.

Волноводные оптические сенсоры имеют большие потенциальные преимущества по отношению к другим оптическим сенсорам, вследствие очень высокой чувствительности, компактности, многоканальному режиму работы и возможности массового производства.

В системах волоконно-оптической связи используются многоканальные интегрально-оптические разветвители. Вид Y-образного разветвителя 1*4 показан на рисунке 2. Разветвители применяются в пассивных оптических сетях (PON).

Рисунок 2 - Вид Y-разветвителя 1*4

Оптические PON разветвители, изображены на рисунке 3, предназначены для построения сетей FTTH, а также могут использоваться в системах передачи видеосигнала по оптике. Отличаются от сплавных разветвителей технологией изготовления - эти устройства изготавливаются по планарной технологии. Планарные разветвители дают более стабильные и точные характеристики на выходах, имеют известное затухание на порт, меньше подвержены механическим воздействиям.

Рисунок 3 - Внешний вид РОN сплиттеров

Сплиттеры производятся с требуемым числом ответвлений (от 1 х 2...64). Они используются в диапазоне длин волн 1260 -1650 нм и могут поставляться в оконцованном или неоконцованном вариантах. Оконцовываются любыми типами оптических разъемов, полировка UPC или APC. Длина входа и выходов сплиттера - по желанию заказчика. Изготавливаются в различных корпусных исполнениях. Характеристики сплиттера на примере 1х32 указаны в таблице 1.

Таблица 1 - Оптические характеристики сплиттеров

OP	Оптические характеристики	Спецификация
OW	Диапазон	nm	1260~1650
IL	Вносимое затухание	max	dB	17,40
PDL	Поляризационно-зависимые потери	max	dB	0,30
UF	Неоднородность вносимых потерь	max	dB	1,70
RL	Возвратные потери	min	dB	50
DiR	Направленность	min	dB	55
OT	Температура эксплуатации		oC	-40~85
ST	Температура хранения		oC	-40~85

Все вышерассмотренные интегрально-оптические устройства могут быть реализованы в промышленности различными технологиями на различных материалах, но при создании узла включающего несколько элементов интегральной оптики, согласовании его с микросхемами, оптическим кабелем необходимо применять минимальное количество отличающихся по своим характеристикам материалов, а так же желательно выполнять все элементы схемы на одной подложке. Это объясняется сложностью пространственной стыковки подложек и учета расширения различных материалов при изменении температуры.

1.1 Технология изготовления элементов интегральной оптики методом ионного обмена в стеклянных подложках

Технология ионного обмена (IE) в стеклянных подложках используется для изготовления интегрально-оптических сплиттеров, применяемых в пассивных оптических сетях и системах связи со спектральным уплотнением каналов. Основной принцип процесса заключается в создании внутри стеклянной подложки волноводной схемы, пример на рисунке 4.

Рисунок 4 - Внешний вид волноводного интерферометра Маха-Цендера

В качестве ионов-диффузантов обычно используются ионы щелочных металлов: Li+, K+, Rb+, Cs+, а также другие одновалентные катионы: Ag+, Cu+, Tl+. Ионный обмен, как правило, проводится в стеклах. Однако волноводные структуры могут создаваться методом ионного обмена в кристаллах и диэлектрических монокристаллах со сложным химическим составом, например LiTaO3. Стеклянные подложки в технологии ионного обмена обрабатываются в расплавах нитратов или сульфатов металлов, которые должны быть введены в стекло. Нитраты имеют относительно низкие температуры плавления Тпл = 200…400ОС. Это позволяет производить ионный обмен в стеклах имеющих низкую температуру стеклования, например, в фосфатных стеклах. Сульфаты металлов имеют более высокие температуры плавления Тпл = 500…600 ОС. Это ограничивает номенклатуру стекол, в которых ионный обмен может быть произведен по сульфатной технологии [2].

В процессе ионного обмены одновалентные катионы стекла диффундируют из стекла в расплав, а одновалентные катионы расплава движутся в стекло. Главной движущей силой в этом случае является разность химических потенциалов. При обмене катионов в стекле происходит изменение показателя преломления стекла. На подложку стекла наносится металлическая пленка, в ней с помощью фотолитографии вытравливаются щели соответствующие рисунку волноводной схемы. Подложка опускается в расплав соли и в области щели в маске происходит внедрение ионов из расплава в при поверхностную область. Процесс ионного обмена показан на рисунках 5,6.

Рисунок 5 - Схема процессов литографии и травление

Рисунок 6 - Диффузия ионов и создание основного волновода

Ионный обмен может проводиться в большинстве разновидностей оксидных стекол. В таблице 2 приведены характеристики волноводных слоев, полученных в натриевосиликатных стеклах методом ионного обмена. Введено обозначение Дn - приращение показателя преломления сердцевины относительно оболочки.

Таблица 2 - Характеристики волноводных слоев, полученных методом ионного обмена

Ион	Дn	Толщина слоя, мкм	Оптические потери, дБ/см
Ag+	0.1	50	< 0.2
Tl+	0.1...0.2	12	< 0.1
Cs+	0.04	8	0.2
Rb+	0.015...0.02	15	0.1

В настоящее время разработаны новые типы стекол специально для технологии ионного обмена. Такие стекла могут иметь как силикатную, так и германатную, либо фосфатную основу. В таблице 3 перечислены некоторые типы коммерческих стекол, условия ионного обмена и приведены величины изменения показателя преломления в сформированных волноводных структурах.

Таблица 3 - Стекла для ионного обмена и технологические режимы его проведения

Марка стекла (сотав)	Расплав	Температура,ОС	Длительность, ч	Дn·104
K8	KNO3	350	6	56
	RbNO3	500	6	198
ВК7	KNO3	400	10	70
GNS(GeO2-Nb2O5-SiO2-Na2O)	KNO3	490	3	120
BGG35	AgNO3	360	1	1200
AGP(Al2O3-GeO2-P2O5-Na2O-Cs2O)	KNO3	450	12	160

Чтобы избежать больших потерь ионы серебра заглубляют в подложку. Для этой цели к стеклянной подложке, помещенной в расплав металлической соли NaNO3, прикладывается внешнее электрическое поле. Это заставляет ионы серебра погружаться в подложку, а в поверхностном слое будут ионы натрия.

С одной стороны, заглубление волновода (погружение волновода в стеклянную подложку) значительно снижает оптические потери света в волноводе, обусловленные шероховатостью поверхности, волновод не касается поверхности подложки, а, следовательно, небольшие царапины и дефекты подложки не приводят к рассеянию света.

С другой стороны, при заглублении волновод приобретает круглую форму поперечного сечения и становится симметричным, поскольку окружен со всех сторон стеклом, примерно как сердцевина оптического волокна оболочкой.

Кроме того, при заглублении волновода электростимулированной миграцией ионов уменьшается коллоидная окраска волноводов, изготовленных путем внедрения ионов серебра.

Таким образом, если подобрать технологические режимы изготовления и заглубления волноводов, то они могут быть состыкованы с оптическими волокнами практически без потерь [3].

1.2 Технология изготовления элементов интегральной оптики «оксид кремния на кремний» (“silica-on-silicon”)

«Оксид кремния на кремнии» - это современная перспективная технология построения интегральной оптики. Она преследует цель замены более ранних технологий производства. Это приводит к:

- удешевлению производственного процесса и возможность совместимости с микроэлектроникой основанной на кремнии;

- удешевлению соединения одномодового оптического волокна, уменьшения потерь в соединении;

- созданию множества различных пассивных интегрально-оптических компонентов на одной подложке;

- возможность создания низкоскоростных переключателей, основанных на термо-оптическом эффекте;

- гибридной интеграции с источниками оптического излучения;

- находится в стадии разработки возможность создания активных компонентов, таких как усилители.

Основной материал для «silica-on-silicon» это диоксид кремния (SiO2) у которого показатель преломления 1,458 для света с длинной волны 0,633мкм. Показатель преломления изменяется для различных длин волн и регулируется контролируемым легированием примесями. Для увеличения преломления используют B2O3 и F, уменьшения Al2O3, As2O3, GeO2, N2, P2O5, TiO2, ZrO2. На рисунке 7 представлен график изменения преломления в зависимости от концентрации примеси.

Рисунок 7 - Зависимость показателя преломления SiO2 от примеси и процентного содержания

Параметры волновода созданного по технологии «оксид кремния на кремнии» зависят от показателя преломления сердцевины и оболочки, размеров сердцевины по которой происходит распространение света. Эта зависимость сведена в таблицу 4. Введено обозначение Дn - приращение показателя преломления сердцевины относительно оболочки [4].

Таблица 4 - Зависимость параметров волновода

Характеристики	Малое	Среднее	Высокое	Очень высокое Дn
Значение(%)	0,3	0,45	0,75	1,5-2
Размер сердцевины, мкм	8х8	7х7	6х6	4,5х4,5 -3,5
Потери, дБ/см	<0,01	0,02	0,04	0,07
Входные потери, дБ/точка	< 0,1	0,1	0,4	2,0
Радиус изгиба, мм	25	15	5	2

Устройства которые возможно реализовать с помощью технологии «silica-on-silicon»:

- сплиттеры Y типа;

- сплиттеры типов звезда;

- мультиплексор/демультиплексор на базе интерферометра Маха - Цендера;

- дифракционные решетки;

- мультиплексор/демультиплексор на массиве волноводов (AWG).

Есть возможность создания базового элемента фазовой модуляции и создания на его основе матриц модуляторов.

Для реализации технологии «оксид кремния на кремнии» используются технологии:

- термическое окисление и азотирование;

- напыление;

- химическое осаждение из газовой (паровой) фазы (CVD);

- плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD);

- пиролитическое осаждение (FHD);

- фотолитография;

- реактивное ионное травление (RIE).

Рассмотрим более подробно технологию «кремний на кремнии». Схема изготовления волноводов по технологии показана «кремний на кремнии» на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема изготовления интегрально-оптических схем по технологии «кремний на кремнии»

На подложку из кремния или диоксида кремния (наибольшее применение получил диоксид кремния) наносят слой диоксида кремния, который будет выполнять функцию нижнего закрывающего буферного слоя. Нанесения слоя выполняется с помощью: пиролитического осаждения (FHD); плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD); химического осаждение из газовой фазы (CVD).

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) это метод осаждения тонких пленок из нагретой газовой смеси. Первоначально она была разработана для микроэлектроники и только впоследствии применена для интегральной оптики [5].

В методе используются как горизонтальные так вертикальные потоки газа. Для примера, горизонтальный туб горячая стенка которого состоит из кварцевого туба с внешним нагревателем. Подложка расположенная на кварцевом держателе, помещается в туб полностью и закрывается. При этом процесс циркуляции газов оканчивается и начинается осаждение на помещенную в туб подложку. Газы ламинарно обтекают подложку и абсорбируются на поверхности, где переходят в тонкое покрытие, пленку. Побочный продукт реакции осаждения и не прореагировавший газ убираются по окончании процесса из тубы. На процесс осаждения сильно влияют оба показателя: температура и давление. Одним из главных положений CVD это термическое активирование окислений в водородосодержащих соединениях, таких как силан (SiH4), фосфин (PH3), арсин (AsH3). Для примера можно привести реакцию происходящую при атмосферном давлении и температуре 400 - 4500С меду силаном и окислителем формула 1.

SiH4 + O2 >SiO2 + 2H2, (1)

Присадочный слой кремния формируется также легко. Пример фосфорно-силикатная пленка (P2O5:SiO2) производится путем проведения двух реакций:

SiH4 + 2O2 >SiO2 + 2H2O

2PH3 + 4O2 >P2O5 + 3H2O, (2)

Использование плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD), дает возможность получение пленок при пониженной температуре 200 - 3000С. Эта технология более предпочтительна к применению в оптике. Отличие от CVD подложка помещается в нагретый держатель, а так же присутствуют один или два управляющих, фокусирующих электрода. Плазма под управлением электродов попадает в определенную область, что дает более четкие контуры нанесения и увеличивает энергию в данной области, что положительно сказывается на скорости нанесения [6].

После нанесения слоя диоксида кремния на подложку, если оно производилось по технологии пиролитического осаждения, необходимо производить нагрев подложки для удаления дефектов структуры нанесенной пленки и закрепления её на поверхности подложки. Такого недостатка лишены плазмохимическое осаждение из газовой фазы и химическое осаждение из газовой фазы. При этом две последних хорошо согласуются с другими технологиями, требующими высокую чистоту при их выполнении, применяемыми в электронике.

Следующим слоем, он обозначен синим цветом на рисунке 8, наносят пленку, которая станет сердцевиной будущего оптического устройства. Нанесение пленки происходит выше перечисленными тремя процессами. Изначально пленка является диоксидом кремния (в основном) или германия, который впоследствии модифицируется для изменения показателя преломления.

Затем наносят маску соответствующую химическому составу травления. Травление проводят по технологиям реактивного ионного травления (RIE) и его модификации реактивного ионного травления пучком (RIBE). Травление проходит с использованием хлор, фтор соединений плазмы, от её состава зависит слой маски. При составе плазмы C2F6 - C2H4 маску применяют из аморфного кремния, при CHF3 - Ar - O2 из хрома (Cr). Типичная скорость травления составляет 500 - 1500 A/мин. После реактивного ионного травления стенки световодной сердцевины имеют нормальную неравномерность.

Следующей стадией является удаление маски / масок. Если защитной маской был хром, то его нанесение происходит на предварительно нанесенный слой молибдена. Снятие хрома проводится О2 плазмой, а молибдена жидким травлением (химически). Последний слой - это оконечный / верхний закрывающий буферный слой, который наносится аналогично второму слою и имеющий такой же состав. В результате при рассмотрении в разрезе получаем сердцевину по которой происходит распространение световой волны окруженную материалом, имеющим один показатель преломления, то есть получают волновод с симметричным профилем показателя преломления как у оптических волноводов [7].

1.3 Промышленные технологии стыковки волоконных световодов и интегрально-оптических волноводов

В качестве примера одной из промышленных автоматизированных систем стыковки рассмотрим программируемый логический контроллер для центровки/стыковки оптических волокон и волновода Moritex FZ-78, изображённый на рисунке 9.

Рисунок 9 - Программируемый логический контроллер для центровки/стыковки оптических волокон и волновода

Эта система сконструирована для того, чтобы совместить и соединить массив оптоволокна к планарному волноводному устройству, используя частную ультрафиолетовую установку отвердевания. Высокая разрешающая способность настройки с 6 осями перемещения с обеих сторон установки вместе с единственными активными алгоритмами настройки Моритекса позволяет достичь высший уровень точности центровки и соединения (рисунок 10, 11, 12).

Рисунок 10 - Конфигурация установки Moritex FZ-78

Рисунок 11 - Схема составных частей установки Moritex FZ-78

Рисунок 12 - Структурная схема управления системы

Особенности:

Система позволяет совместить волокно / массив волокон с волноводом, размер которого может достигать до 100 мм;

Возможность перемещения с учётом 7-ми степеней свободы (3 направления движения, 3 направления наклона и 1 направление вращения);

Использование специального держателя для массивов волокон и волноводов с учетом легкой и быстрой работы;

Использование "Макрокоманды" каждый раз в соответствии с используемым устройством (например волокном) и/или изменениями размера;

Автоматизированное достижение параллельности между массивом волокон и волноводом посредством анализа изображения, используя две ПЗС-фотокамеры;

Автоматизированное соединение интегрально-оптической схемы массива волокна и волновода, которое проводится так же как и измерение его расстояния, которое обеспечивается благодаря специальному сенсору, установленный на массиве волокна.

Эта система предназначена для того, чтобы совместить оптическую ось волокна со входом волновода, ввести излучение, и впоследствии вывести его на массив волокон, соединённый с выходом этого волновода, и затем зафиксировать все соединения при помощи отвердевающего под ультрафиолетовым воздействием оптического клея [8]. На рисунке 13 представлена схема стыковки оптических волокон с световодом.

Рисунок 13 - Схема стыковки оптических волокон с волноводом

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГЛУБЛЁННЫХ ОДНОМОДОВЫХ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ И ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР

Для создания интегрально-оптической волноводной схемы в стеклянной подложке необходимо локально увеличить ее показатель преломления. Области линейной формы с увеличенным показателем преломления будут являться оптическими волноводными каналами.

Показатель преломления стекла определяется его составом. Для создания оптического волновода необходимо локально изменить состав стекла, что может быть реализовано путем ионного обмена. Детальные исследования процесса ионного обмена показывают, что показатель преломления прямо пропорционален концентрации внедренных ионов за счет вклада различных физических причин. Оксидные стекла состоят преимущественно из одного типа оксидов (обычно это SiO2, GeO2, P2O5 и т.д.), которые и образуют стеклянную матрицу, а также из других типов оксидов, которые добавляются для модификации их физических и оптических свойств, в том числе оксиды натрия, калия, лития. После изготовления стекла соответствующие ионы Na+, Li+, K+ слабо связаны со стеклянной матрицей. С кислородом они образуют ионную связь. Поэтому эти моновалентные ионы могут при нагревании разрывать эти связи и замещаться другими ионами того же знака заряда, но с другим размером иона и иной поляризуемостью, что и используется в технологии ионного обмена. Стекло, содержащее ионы B+ помещается в нагретый до температуры до 350-400 градусов источник ионов внедряемых ионов - расплав соли (нитрата), содержащего ионы A+, и происходит процесс ионного обмена:

, (3)



В качестве источника внедряемых ионов A+ используют ионы серебра, калия и, реже, талия, рубидия и цезия. В некоторых случаях ионного обмена расплав уже изначально содержит ионы B+, что позволяет контролировать концентрация ионов внедряемого иона A+ на поверхности стекла. Процесс ионного обмена сильно зависит от состава стекла [9]. Существует несколько базовых технологических разновидностей ионного обмена. Наибольшее практическое значение для получения волноводных структур с оптимальными характеристиками для применения в телекоммуникационных системах, получила технология ионного обмена Ag+ Na+ в расплаве соли AgNO3, состоящая из последовательности этапов: ионного обмена в расплаве соли, простого или электростимулированного; электростимулированного заглубления волноводов.

В другом варианте данной технологии в стекло путем ионного обмена Ag+ Na+ в расплаве соли AgNO3, внедряются ионы серебра. Заглубление волновода не производится. Внедрение ионов происходит по причине термической диффузией. Для сохранения нейтральности ионы натрия движутся из стекла в расплав. В случае формирования оптических волноводов путем ионного обмена Ag + Na+ в расплаве AgNO3 следует увеличение показателя преломления за счет механического напряжения вызванного различием размеров ионов натрия и серебра. Это анизотропное механическое напряжение вызывает двулучепреломление и максимальное приращение показателя преломления для обеих поляризаций оценивается как:

(4)

Профиль показателя преломления канального калийного волновода достаточно хорошо описывается функцией (формула 5).



, (5)

где 2dx и dу - эффективные размеры волновода по горизонтальной и вертикальной осям. Параметр dу - это эффективная глубина диффузии, 2dx - ее эффективная ширина.

Рисунок 14 - (a) расчетное распределение концентрации серебра в при поверхностном слое стеклянной подложке, (b) распределение напряженности электрического поля моды Ag+-канального одномодового волновода, (c) распределение электрического поля в поперечном сечении одномодового волокна на длине волны 1,55 мкм

Характерные результаты теоретического моделирования процесса формирования одномодовых калийных волноводов показаны на рисунке 9.

На рисунке 14 (а) показано распределение концентрации ионов серебра в волноводе в результате ионного обмена в течении 1часа 45 минут. Данные получены путем решения уравнения диффузии при ширине щели в маске 2 мкм.

На рисунке 14 (b) показано соответствующее распределение электрического поля фундаментальной моды в поперечном сечении одномодового волновода (l=1,55 мкм). Данные получены путем решения волнового уравнения с профилем показателя преломления, определенным по уравнению диффузии.

На рисунке 14 (c) показано распределение электрического поля моды HE11 промышленного одномодового волокна "Nufern 630-HP" с диаметром поля моды 4,3 мкм на той же длине волны.

Расчетная Эффективность связи при стыковке волновода с волокном составляет 76% (потери 1,2дБ)

Изготовление одномодовых канальных волноводов в стекле путем ионного обмена Ag + на Na+ происходит в три этапа: процессов напыления и фотолитографии, процесса ионного обмена и механической обработки торцов стекла для измерения его оптических характеристик.

Для изготовления волноводных схем был использован образец оптического стекла (К8) размером 50Ч50Ч2 мм, которое содержит 72% SiO2, 8,15% В2O3, 10,45% К2О, 7,2% Na2О, 1,55% CaO, 0,4% MgO, 0,2% As2O3. Наличие в составе стекла наиболее подвижных ионов Na+ и К+, позволяет использовать его в качестве подложки при получении волноводов и волноводных структур методом ионного обмена и электростимулированной миграции ионов [10].

Заглубленные канальные интегрально-оптические волноводы изготавливались в два этапа:

- на первом этапе необходимо было получить интегрально-оптические канальные волноводы в стеклянной подложке методом ионного обмена из расплава соли, содержащей ионы серебра;

- на втором этапе провести погружение полученных канальных волноводов в стеклянную подложку с целью уменьшения оптических потерь и придания волноводам круглой формы поперечного сечения.

Использовался хромированный фотошаблон, на котором находились следующее типы волноводных конфигураций, образующих щели в маске шириной 2 мкм: а - прямой канал, b - S-образный изгиб, c - Y разветвитель, d - интерферометр Маха-Цендера, e - направленный ответвитель. На рисунке 15 показаны схемы этих элементов.



Рисунок 15 - Типы волноводных конфигураций, использованных в фотошаблоне

Фотография участка фотошаблона показана на рисунке 16.

Рисунок 16 - Внешний вид части фотошаблона

2.1 Процесс напыления маскирующей пленки и фотолитографии

Этапы фотолитографии представлены на рисунке 17.



Рисунок 17 - Схема процесса фотолитографии

Процесс напыления и фотолитографии начинается с очистки образца. Очистка образца от грязи производилась вручную ацетоном и ватными тампонами. Условно этот процесс можно разделить на 3 стадии:

а) Черновая очистка - совершается круговыми движениями тампона, смоченного в ацетоне, удалялась с образца основная грязь.

б) Тщательная очистка - совершается вертикальными движениями, снимая оставшуюся грязь с образца, следует заметить, что если совершались движения сверху вниз, то обратные движения (снизу вверх) нет смысла совершать, так как грязь, которая собралась на тампон, опять окажется на образце.

в) Удаление оставшихся разводов, полос - производится так же вертикальными движениями, как и в стадии б, но избирательно, лишь на тех участках, где будет обнаружены разводы или полосы.

После каждого процесса тампон необходимо сменить. Все эти процессы проводятся с одной и с другой стороны образца. Следует отметить, что желательно руки также протереть ацетоном, дабы избежать попадания с них грязи на образец во время очистки.

После очищенный образец помещается в вакуумную установку. Термическое вакуумное напыление производилось в установке «АЛЬФА-Н1». На рисунке 18 представлена колпак вакуумной установки.

Рисунок 18 - Схема колпака

Для нанесения маскирующего алюминиевого слоя образец 1 помещался в вакуумную камеру 2 установки «АЛЬФА-Н1» напротив испарителя 3, представлявшего собой спираль из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм, на расстоянии 10 см. В вольфрамовую спираль помещался кусочек алюминия, а спираль нагревалась электрическим током до температуры испарения алюминия (900-1000С). При этом алюминий испарялся и конденсировался в виде тонкой металлической пленки на поверхности стеклянной подложки 1. Этот процесс можно разделить на несколько стадий:

а) испарение вещества;

б) распространение паров испаряемого вещества;

в) конденсация паров испаряемого вещества на подложке и образование пленочной структуры.

Так как образцы относительно больших размеров находятся в вакууме не параллельно испарителю, то для равномерного нанесения алюминиевой плёнки приходится дважды проделывать эту операцию, предварительно перевернув их вверх ногами, в результате этого получилась относительно равномерная алюминиевая плёнка на поверхности образца.

После вакуумного напыления производим процесс фотолитографии, которая проводится в несколько этапов:

Нанесение фоторезиста производилось методом центрифугирования, что обеспечивает равномерное покрытие фоторезистом всей поверхности образца. Предварительно перед центрифугированием фоторезист грубо наносился вручную с целью покрыть большую часть площади образца. При ручном нанесении фоторезиста образовывались пузырьки на поверхности образца, что крайне не желательно, так как в процессе центрифугирования из-за них фоторезист может неравномерно распределиться по всей поверхности образца. Что бы избежать этого пузырьки сгоняются в правый верхний угол образца пипеткой, которой наносился фоторезист, крайне аккуратно, дабы не поцарапать алюминиевую плёнку. После в процессе центрифугирования они под действием центробежной силы удалялись с образца. Помещая подложку в центре платформы центрифуги и прижимая её вакуумным присосом. При вращении платформы слой нанесенного на подложку фоторезиста равномерно распределяется по поверхности. В зависимости от вязкости фоторезиста и скорости вращения центрифуги (500-8000 об/мин) обычно за 20-30 секунд формируется слой фоторезиста толщиной 0,5-20 мкм. В нашем случае скорость вращения была 3000-3500 оборотов в минуту.

После процесса нанесения производилась сушка фоторезиста в сушильном шкафу при температуре 90єС в течении 15 минут.

Экспонирование, то есть воздействие на образец УФ-излучения через шаблон. Использовался рабочий шаблон (на котором волноводные структуры нанесены хромом),обладающий значительной отражательной способностью (50-60%), с образцом его совмещали вручную и освещали под уф лампой в течении 2 мин.

Травление образца проводилось в 0,3% растворе щёлочи KOH при температуре 25°С. Необходимо убедится что весь фоторезист был стравлен и при этом не был стравлен слой алюминия. После образец необходимо промыть в дистиллированной воде, тем самым смыть оставшийся раствор КОН.

2.2 Изготовление оптических волноводных структур в стекле методом ионного обмена в расплаве соли AgNО3

Данный процесс также проходит в несколько этапов: подготовка печи, подготовка ионно-обменной среды, подготовка образца, помещения образца в ионно-обменную среду, изъятие образца из ионно-обменной среды.

1. Подготовка печь. Включить печь, задать рабочую температуру, прикрыть сверху вход в рабочую камеру специальным колпаком. Дождаться пока управляющая программа выведет печь на рабочий режим работы, это процесс занимает от 30 до 60 минут. На рисунке 19 и 20 представлена печь в которой будет проходить ионный обмен.

Рисунок 19 - Фотография печи

Рисунок 20 - Схематическое изображение печи с рабочим объемом в разрезе: 1 - рабочий объем, 2 - нагревательный элемент, 3 - кварцевая изоляционная труба, 4 - теплоизоляция (асбестовый наполнитель), 5 -корпус, 6 - силовой блок, 7 - изоляторы, 8 -блок управления, 9 - термопара.

2. Подготовка ионно-обменной среды. В чистый и сухой стакан из кварцевого стекла, где будет производится ионный обмен, отмерить необходимое количество химически чистых веществ AgNO3 и NaNO3, в молярном соотношении 1:200. Стакан со смесью подержать над рабочей камерой печи, таким образом, нагревая его, затем медленно и осторожно опустить в рабочий объем. Дождаться перехода соли в кварцевом стакане из состояния твердого кристаллического порошка в состояние расплава.

3. Подготовить образец. Тщательно и осторожно, чтобы не повредить маску, очистить поверхность образца от пыли и любых других загрязнений с помощью ватного тампона, смоченного в ацетоне. Высушить образец, просмотреть поверхность образца под микроскопом для исключения повреждений на поверхности маски.

4. Поместить образец в расплав на время 80-100 минут (время указано согласно представленным данным). Осторожно взявшись пинцетом заготовку, подержать ее над рабочим объемом камеры печи, чтобы нагреть. Медленно опустить в рабочий объем, маской к верху, не касаясь стенок стакана и расплава. Подержать в таком состоянии. Это необходимо, чтобы заготовка плавно нагрелась (1-2 минуты, сколько выдержит рука над расплавом), иначе резкий перепад температуры может спровоцировать разрушение стекла. Когда заготовка достаточно нагрелась от воздуха в рабочей камере печи, осторожно опустить ее в расплав лицом вверх. Если на поверхности заготовки появляются пузыри необходимо приподнимая поочередно края заготовки их убрать. Во время погружения в расплав пинцет может прилипнуть к заготовке - это обусловлено тем, что хороший теплоотвод металлического пинцета охладил расплав до температуры кристаллизации. В таком случае необходимо подождать и через некоторое время пинцет освободиться. Затем прикрыть рабочий объем камеры печи сверху специальным колпаком и выдержать заданное время. Схема ионного обмена показана на рисунке 21.

Рисунок 21 - Схема ионного обмена внутри печи

5. По истечении заданного времени, необходимо достать заготовку пинцетом, предварительно прогретым, из расплава и положить на лист асбеста. Печь выключить. Стакан достать и слить расплав в специально отведенную емкость, не дожидаясь его кристаллизации. Заготовку оставить до полного естественного остывания поверхности.

2.3 Заглубление канальных волноводов в подложку методом электростимулированной миграции ионов

После окончания ионного обмена алюминиевый маскирующий слой удалялся путем травления в 30% растворе щелочи (КОН). По окончании процесса травления стеклянная подложка промывалась в дистиллированной воде до полного удаления травящего раствора.

Заглубление волноводов проводилось при помощи электростимулированной миграции ионов Na+ в стеклянную подложку из расплава соли NaNO3. Для этого на сторону стеклянной подложки, свободную от волноводных структур, методом термического вакуумного напыления наносилась пленка алюминия толщиной 1 мкм, играющая роль тонкопленочного катода в процессе электростимулированной миграции ионов [11].

В процессе написания дипломной работы были рассмотрены два варианта установок для проведения электростимулированной миграции ионов: с горизонтальным и вертикальным расположением образца (рисунок 22, 23).

Рисунок 22 - Схематический чертёж установки с горизонтальным расположением подложки: 1 - печь; 2 - изолированные провода; 3 - нагреватель; 4 - термопара; 5 - термоконтроллер; 6 - штатив; 7 - столик; 8 - подложка с нанесённым на неё катодом; 9 - расплав соли; 10 - платиновый анод; 11 - ёмкость для расплава (алюминий); 12 - источник питания

Соль 9 засыпается в ёмкость для расплава 11. Печь 1 разогревается до необходимой температуры нагревателем 3, контроль за которым осуществляет термоконтроллер 5 по изолированным проводам 2, снимая показания температуры расплава с термопары 4. Образец 8 помещается на «лодочку» и прижимается фосфор-бронзовой пластиной, через которую подаётся напряжение с источника питания 12 на поверхность образца. Через платиновый анод 10 напряжение подаётся непосредственно в расплав. Лодочка крепится на штатив 6 строго параллельно плоскости расплава. Для точного подведения к соприкосновению поверхности расплава с нижней плоскостью образца используется столик 7, который поднимает печь, с находящейся в ней ёмкость с расплавом, до полного его соприкосновения с нижней плоскостью подложки.

Основным достоинством данной конструкции является простота сборки и извлечения готового образца из держателя, алюминиевая ёмкость для расплава не требует сливать его после завершения опыта, а извлечь после полного охлаждения.

Рисунок 23 - Схематический чертёж установки с вертикальным расположением образца

оптика волоконный световод фотолитография

Подложка зажимается между двумя частями ёмкости для расплава; в свою очередь между подложкой и частями емкости помещаются тефлоновые прокладки, которые химически устойчивы и являются диэлектриками. Вся эта конструкция зажимается между двумя стальными пластинами, которые стягиваются крепёжными винтами. Следующим шагом, этот держатель помещается в печь, свободное пространство которой заполняется песком для плавного изменения температуры. В ёмкость из нержавеющей стали помещается соль. При заданной температуре она переходит в расплав, после чего прикладывается заданное напряжение. Части электрически изолированы друг от друга, а средой разделяющей расплав выступает подложка, в которой впоследствии и происходит заглубления волноводных сред.

Явным недостатком данной конструкции является сложность её изготовления, извлечения готового изделия из держателя. В конструкции используется тефлон, выделяющий при температуре 400°С ядовитый газ фтор.

Для проведения заглубления волноводов было принято решение использовать классический вариант установки с горизонтальным расположением образца рисунок 24.

Рисунок 24 - Принципиальная схема лабораторной установки для заглубления волноводов с помощью электростимулированной миграции ионов: 1 - муфельная печь; 2 - силовой блок; 3 - “лодочка” с зажатой в ней подложкой; 4 - кварцевый стакан с расплавом; 5 - блок управления; 6 - штатив с возможность перемещения по вертикали; 7 - источник питания; 8 - анод; 9 - катод

Электростимулированная миграция ионов Na+ в стеклянную подложку проводилась при температуре 380°С в течение 60 мин. Величина стимулирующего напряжения составляла 290 В, при этом протекал электрический ток 15 мА. Под действием электрического поля ионы Ag+ мигрируют вглубь подложки, а на их место входят ионы Na+ из расплава соли NaNO3, восстанавливая первоначальную структуру стекла рисунок 25 [12].

Рисунок 25 - Схема заглубления волноводов

После окончания процесса заглубления волноводных структур в стеклянную подложку, образец остывал, а тонкопленочный катод стравливался в 30% растворе щелочи KOH.

2.4 Процесс механической обработки стеклянной пластины с волноводными структурами

Процесс механической обработки начинается с ручной обрезки лишних (1-2мм от края маски), частей стеклянной пластины с волноводами. Данная процедура проводиться на миллиметровой бумаге, чтобы скол был более ровным, что приведет процесс шлифовки и полировки к меньшим затратам времени. Ручную обрезку лишних частей стеклянной пластины необходимо проводить со стороны пластины, на которой нет волноводов.

Следующими этапом механической обработки являются процессы шлифовка и полировка торцов заготовки. Рассмотрим этапы шлифовки и полировки.

На первом этапе осуществляется закрепление заготовки в держателе.

Сначала на ручной держатель крепим ленивцы (стеклянные пластины для защиты заготовки). Для этого на металлический держатель наносим специальную полировальную смолу на поверхность держателя в месте крепления ленивца. Чтобы закрепить ленивца необходимо выполнить следующие действия:

1) Установить подложку на нагревательный элемент (электрическую печь), установить температуру печи равной 150-250 °C, подождать пока держатель не нагреется до установленной температуры. Готовность держателя к нанесению смолы можно проверить, проведя кусочком смолы по его поверхности. Если смола плавится, оставляя на металле след, то требуемая температура достигнута.

2) Равномерно нанести смолу на поверхность держателя.

3) Взять пинцетом ленивца и разместить ее на слое полировальной смолы. Затем легкими круговыми движениями, слегка нажимая на поверхность подложки перемещайте ее по слою смолы, до тех пор, пока смола равномерно распределится под поверхностью подложки. Таким же образом ленивец склеивается с заготовкой (волноводными структурами к ленивцу), это необходимо для предотвращения округления выхода и входа волновода. Необходимо учитывать что заготовка и ленивец должны склеиться смолой тонким слоем.

4) Для охлаждения переместить разогретый держатель с закрепленными на нем ленивцами с помощью плоскогубцев или другого приспособления на термостойкую металлическую или керамическую поверхность, расположенную вдали от легковоспламеняющихся материалов. Подождите, пока держатель охладится до комнатной температуры. Заготовку с ленивцем также остудить. На рисунке 26 представлен внешний вид готовой конструкции.

Рисунок 26 - Внешний вид держателя с закрепленной заготовкой

Вторым этапом проводится шлифовка поверхности торца заготовки.

Перед полировкой необходимо выполнить шлифовку поверхности торца. Для этого используются следующие шлифующие порошки. В таблице 5 приведены названия по ГОСТ некоторых порошков и соответствующие им средние размеры зерен.

Таблица 5 - Обозначение абразивов по ГОСТ

Средний размер зерен, мм	Обозначение по ГОСТ
0,04	М40
0,028	М28
0,005	М5

Шлифовка выполняется последовательно несколькими порошками, начиная с порошков имеющих более крупное зерно. До шлифовки образец имеет большие сколы (рисунок 27).



Рисунок 27 - Фотография торцов до обработки

В качестве шлифующей поверхности, удерживающей порошок, может применяться стекло (например, оконное) или гладкая металлическая поверхность. Для выполнения шлифовки торца заготовки необходимо произвести следующие действия:

1) Насыпать шлифующий порошок М40 на поверхность стекла и разбавить его небольшим количеством воды, перемешать до получения однородной массы.

2) Установить держатель с закрепленной в нем склейки ленивца и заготовки на слой разбавленного водой порошка. Круговыми движениями, слегка прижимая, перемещайте держатель по поверхности стекла со шлифующим порошком. Периодически поворачивайте держатель вокруг своей оси, чтобы избежать «заваливания» торцов. Периодически визуально и под микроскопом проверяйте качество шлифовки подложки.

Подложка будет готова к переходу на другой порошок тогда, когда ее поверхность будет иметь равномерную окраску и на границе склейки не будут видны крупные сколы, как на рисунке 28.



Рисунок 28 - Фотография торцов для перехода с абразива М40 на М28

Далее необходимо последовательно повторить операции 1) и 2) для порошков М28 и М5, контролем перехода с М28 на М5 будет отсутствие сколов сравнимых с шершавостью поверхности торца (рисунок 29), а для перехода с М5 на процесс полировки будет полное отсутствие сколов на торце (рисунок 30). После шлифовки более мелкими порошками поверхность подложки будет становиться более прозрачной. Шлифовка проводится, пока не будут удалены все раковины и сколы на поверхности торца стеклянной пластины с волноводами.

Рисунок 29 - Фотография торцов для перехода с абразива М28 на М5



Рисунок 30 - Фотография торцов для перехода с абразива М5 на процесс полировки

Третий этап - финальная полировка поверхности торца.

Полировка образцов может производиться в ручном и автоматическом режиме. Полировка производится на специальном станке “Buehler Alpha Beta Vector” (рисунок 31).

Рисунок 31 - Внешний вид специализированного станка “Buehler Alpha Beta Vector”

Полировка бывает ручная, полуавтоматическая и автоматическая. Для ручной полировки используют тот же принцип что и для шлифовки, только используется порошок для полировки (оксид кремния).

Для автоматической полировке необходимо выполнить следующие действия:

1) Включить станок, выключить головку станка. Включаем воду, и подаем её на полировальный круг. Смочив таким образом полировальный круг, наносим на него полировочный порошок и распределяем по всей поверхности при включении станка на минимальных оборотах. Выключить станок.

2) Закрепить в держатель для автоматизированной полировки заготовку. Установить держатели с образцом и закрепить в головке станка. Включить головку станка, включить станок. Каждые 15 минут необходимо сравнивать образец с эталоном.

После полировки на поверхности склейки не должно быть черных точек, раковин и торец должен быть прозрачен. При получении нужного результата полировка заканчивается. Внешний вид готового торца подложки на рисунке 32.

Рисунок 32 - Внешний вид торца подложки после процесса полировки

После полировки образец необходимо расклеить. Смолу смыть ацетоном по технике очистки стекла описанной в главе 2.1.



3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗГОТОВЛЕННЫХ ВОЛНОВОДОВ

Предварительно под микроскопом были исследованы модовые пятна волноводов приведенных на рисунке 33. Размеры модового пятна равны 8*5 мкм.

Рисунок 33 - Вид модовых пятнен волноводов под микроскопом

Более точные исследования характеристик волноводов проводились на специальном стенде для исследования элементов интегральной оптики с торцевым вводом/выводаом волноводных мод канального волновода.

Схема основана на так называемом поперечном элементе связи, при котором световой пучок энергии лазера прямо фокусируется на специально подготовленное поперечное сечение волновода с помощью собирающей линзы. Передача энергии лазерного пучка достигается за счет сопряжения полей пучка и волноводной моды. Эффективность сопряжения может быть рассчитана из интеграла перекрытия полей падающего пучка и моды. На практике этот метод достаточно эффективен по причине хорошего согласования гауссова профиля лазерного пучка и формы фундаментальных мод интегрально-оптических волноводов. В работе использовался также и другой вариант схемы торцевого возбуждения, при котором излучение вводится оптический волновод с помощью оптического волокна.

Схема и внешний вид представлены на рисунках 34 и 35. Она состоит из источников излучения (лазеров), блока формирования оптического излучения с заданными параметрами, исследуемой интегрально-оптическую схему, оптических приемников регистрации сигналов. В качестве излучения использовались полупроводниковые лазеры Фабри-Перо фирмы “Thorlabs», типа S1FC635 и S1FC850, с волоконным FC/PC выходом и регулируемой выходной мощностью. Один лазер имеет рабочую длину волны 635 нм и мощность 2,5 мВт. В качестве другого лазера использовался полупроводниковый лазер Фабри-Перо производства НПО «Полюс» типа ПОМ-14, имеющий длину волны 1,55 мкм и мощностью 1,5 мВт, с волоконным FC/PC выходом.

Рисунок 34 - Блок-схема экспериментальной установки для контроля основных параметров и характеристик интегрально-оптических элементов методом торцевого возбуждения волноводных мод: 1 - полупроводниковый лазер с волоконным FC/PC выходом, длина волны 0,63мкм; 2 - полупроводниковый лазер с волоконным FC/PC выходом, длина волны 1,55 мкм; 3 - волоконный оптический MEMS переключатель; 4 - коллиматор; 5 - светоделительная пластина; 6 - экран; 7 - поляризатор; 8 - короткофокусный объектив х20; 9 - стеклянная подложка с исследуемыми волноводами, закрепленная на столике 10 с возможностью микроперемещения в пространстве; 11 - короткофокусный объектив х20 или х40; 12 - поляризатор; 13 - диафрагма; 14 - видеокамера; 15 - фотоприемный блок; 16 - персональный компьютер с платой видеозахвата

Рисунок 35 - Внешний вид измерительной установки для исследования элементов интегральной оптики

Излучение от лазеров 1 или 2 последовательно проходит:

Оптический волоконный MEMS-переключатель 3; назначение переключателя - подача на вход волновода излучения от каждого из лазеров отдельно. Помимо исследования характеристик волноводов на различных длинах волн, переключение входов от разных источников излучения решает важный практический вопрос ввода излучения в волновод в ИК-диапазоне. Это наиболее просто осуществить, визуально возбудив моду волновода в видимой области, на длине волны 0,63 мкм, а затем переключить входную оптическую схему на источник излучения с длиной волны 1,55 мкм. Излучение уже оказывается введенным в канал, и остается дополнительно подстроить схему по максимуму интенсивности возбуждаемого поля моды. Использовался оптический переключатель фирмы Judiphase типа «SN12+107DUNC” коллиматор 4;

светоделительную пластину 5; назначение - отображения отраженного от торца волновода излучения на экран 6 для визуализации юстировочного процесса эффективного возбуждения волноводной моды за счет оптимального согласования апертур;

поляризатор 7; назначение поляризатора - выделение линейно-поляризованного излучения с произвольным направлением

20-кратный объектив микроскопа 8; назначение - фокусировка коллимированного лазерного излучения на передний торец подложки с волноводами;

исследуемую волноводную структуру 9, закрепленную на столике 10, снабженного специальной прецизионной механической системой микроперемещения во всех трех взаимно перпендикулярных направлениях; пространства, имеющей ручное управление; назначение данного трехкоординатного микропозиционера - юстировочные манипуляции ввода излучения в канальный волновод за счет точного совмещения оси волновода с осью лазерного пучка (в поперечных направлениях) и оптимального согласования апертур (в продольном направлении). Использовался микропозиционер типа MBT616 фирмы Thorlabs;