Создание и исследование симметричных канальных волноводов в стеклах

Наряду с AgNO₃ при изготовлении волноводов ионным обменом широко применяется KNO₃. Волноводы, формируемые ионным обменом Na⁺ K⁺, не обладают коллоидной окраской и имеют очень малые потери (< 1 дБ/см). Однако изменение показателя преломления у таких волноводов n = 0,0080,01, что бывает не всегда достаточно при изготовлении волноводных структур с малыми радиусами закругления. Излучение, распространяющееся в таких волноводах, переизлучается в подложку, обусловливая тем самым большие оптические потери на поворотах и изгибах.

Волноводы с высоким значением n, свободные от коллоидной окраски, могут быть получены в процессе ионного обмена Tl⁺ Na⁺. Поскольку радиус иона Tl⁺ значительно больше замещаемого иона Na⁺, скорость диффузии его невысока. Время ионного обмена достигает нескольких часов при температуре 400510 С. Значения изменения показателя преломления сформированных волноводов достигают n = 0,10,15. Однако из-за высокой токсичности солей таллия формирование волноводов ионным обменом из расплава не получило широкого применения [14].

Применение Cs⁺ в качестве иона-диффузанта также позволяет получать волноводы с большим изменением показателя преломления (до 0,04). Поскольку подвижность Cs⁺ в стеклах низка, то получение волноводов большой толщины затруднено. Для цезиевых и таллиевых волноводов характерна форма профиля показателя преломления близкая к ступенчатой.

Поскольку спектральная характеристика оптического волновода во многом будет определяться спектральной характеристикой стекла, выбранного в качестве подложки, то формирование качественных волноводов с широким спектром пропускания лучше проводить на оптических бесцветных стеклах, отличающихся высокой прозрачностью, оптической однородностью, бессвильностью и радиационной стойкостью.

Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов ионным обменом и твердотельной диффузией в стеклянных подложках, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов в стеклянных подложках

Диффундирующий ион	Электронная поляризуемость, ?3	Ионный радиус, ?	Используемая соль	Рабочие температуры, °С	Изменение показателя преломления, n
Na+	0,41	0,98	NaNO3	307-380	-
Li+	0,03	0,68	LiNO3	264-600	0,01
Tl+	5,2	1,49	TlNO3	206-430	0,1
Cs+	3,34	1,65	CsNO3	414	0,03
Ag+	2,4	1,26	AgNO3	212-444	0,09
Rb+	1,98	1,49	RbNO3	310	0,015
K+	1,33	1,33	KNO3	334-400	0,009
Ag+	2,4	1,26	Серебряная пленка	-	0,001
Ag+	2,4	1,26	Серебряная пленка + эл. поле	-	0,025

3. Методы изготовления канальных волноводов в стеклах

3.1 Основные типы канальных интегрально-оптических волноводов

Канальные (полосковые или трехмерные) волноводы осуществляют ограничения области распространения света как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Высокая степень локализации полей направляемых мод в поперечном сечении позволяет уменьшить размер таких устройств, как полупроводниковые усилители, лазеры, модуляторы и переключатели сигналов. Использование канальных волноводов позволяет увеличить плотность каналов оптических межсоединений, цепей и, в конечном счете, сэкономить используемое пространство подложки, снизить расход потребляемой энергии активных элементов и увеличить к.п.д. микрооптических приборов и устройств.

Трехмерные канальные оптические волноводы в отличие от волноводов планарной геометрии существенно расширяют область применения в оптоэлектронике. Реализованы и исследованы базовые конструкции оптических волноводов, направленных ответвителей, модуляторов и переключателей перестраиваемых фильтров, волноводных арифметических и логических устройств, полосковых полупроводниковых лазеров со сложной геометрией резонатора и целый ряд других элементов и устройств, обеспечивающих качественно новые возможности при разработке и создании многофункциональных оптических интегральных схем [19].

Для всех типов волноводов оптическое излучение локализовано в области с показателем преломления n₁, большим по сравнению с показателями преломления подложки n₀ и прилегающих к волноводу сред n₂. Распределение показателя преломления по сечению трехмерного волновода может быть представлено в виде

n₁ ( x,y ) = n₀ + n f(x/d_x) g(y/d_y), (15)

где n = n₁n_о максимальное приращение показателя преломления волноводного слоя, причем n << n₀; f(х/d_х), g(у/d_у) функции профиля распределения показателя преломления оптического волновода по координатам Х и У соответственно; f(0) = 1, f() =0; g(0) 1, g( ) = 0; d_x и d_y параметры профиля показателя преломления оптического волновода вдоль координат Х и У соответственно, определяющие глубину h и ширину W градиентного трехмерного оптического волновода. Причем во всех случаях полагается, что n₀ n₂,.

Типовыми профилями распределения легирующей примеси в пространстве подложки являются следующие:

- гауссов f(u) = eхp(-u );

- дополнительная функция ошибок f(u) = erfc(u);

- параболический f(u) = 1 - u²;

- линейный f(u) = 1- u;

- ступенчатый f(u) = 1;

- экспоненциальный f(u) = eхp(-u),

где u = Х/D глубина волновода в нормированных единицах; Х глубина диффузии, D эффективная глубина диффузии.

В канальном волноводе гребенчатого типа (рисунок 14 а) из-за значительной разности показателя преломления n₁ и n₂ в поперечном направлении, как правило, реализуется многомодовый режим распространения оптического излучения. Поле волноводных мод локализовано главным образом в волноводном канале, имеющем в идеальном случае поперечное сечение правильной прямоугольной формы, и практически не проникает в среду с показателем преломления n2 (обычно это воздух). В реальном оптическом волноводе светопередающий канал может иметь более сложный профиль поперечного сечения.

Погруженные волноводы (рисунок 14 б), включая диффузионный канальный оптический волновод, по своим свойствам занимают промежуточное место между гребенчатыми и полосковыми волноводами.

Число распространяющихся мод в таких оптических волноводах зависит от поперечных размеров светового канала и разности показателей преломления материальных сред, образующих волновод.

а

б

Рисунок 14 - а - канальные волноводы гребенчатого типа, сформированные на подложке; б - погруженные и диффузионные канальные волноводы, сформированные в подложке

Типичным примером диффузионного канального оптического волновода является волновод, получаемый методом высокотемпературной диффузии титана в подложку ниобата лития (Ti : LiNbO3) [19].

Канальные волноводы гребенчатого типа обычно получают удалением ненужного материала соответствующего планарного оптического волновода с помощью химического, высокочастотного, ионно-лучевого или плазмохимического травления через защитную маску. При такой обработке рельеф поверхности защитной маски переносится на волноводный слой.

Наиболее контролируемыми способами удаления лишних участков планарного оптического волновода являются плазмохимическое, ионное травление и полировка (механическая микрообработка). Химическое травление является менее контролируемым процессом, чем ионно-плазменная обработка или высокочастотное травление, но оно позволяет получать различные мезаструктуры со строго определенными профилями каналов с помощью избирательного анизотропного травления целого ряда монокристаллических материалов, например арсенида галлия (GaAs) и кремния (Si).

Методы электронно-лучевой обработки обеспечивают изготовление волноводных структур с шероховатостью кромок менее 50 нм (практически недостижимой для обычной фотолитографии) и весьма перспективны с точки зрения достижения высокой технологичности процесса изготовления как отдельных элементов, так и оптических интегральных схем в целом.

Один из методов изготовления канальных волноводов в стеклянных подложках ионным обменом из расплава соли представлен в работе [20].

Типичная последовательность получения системы полос в маске на стеклянной подложке приведена на рисунке 15.

Стеклянная подложка, используемая для формирования канальных волноводов, тщательно обезжиривается путем протирки её поверхности ватным тампоном, смоченным в ацетоне марки «ОСЧ». Эта технологическая операция является необходимым условием для получения хорошей адгезии маскирующего слоя с рабочей поверхностью стеклянной пластинки. На очищенную поверхность подложки укладываются оптические волокна (без полимерного защитного слоя) заданного диаметра (рисунок 15, а) в количестве 34 шт. на расстоянии Н друг от друга.

Волокна рекомендуется располагать параллельно одному из ребер пластинки, что облегчит в дальнейшем возможность осуществления визуального контроля за распространением оптического излучения в канальных волноводах и исследования их параметров.

Подготовленная таким образом стеклянная подложка помещается в вакуумную камеру установки «Альфа-Н1», где термическим напылением производится нанесение алюминиевого маскирующего слоя на поверхность с уложенными оптическими волокнами (рисунок 15, б). После напыления алюминиевой пленки толщиной 0,51 мкм оптические волокна удаляются с поверхности стеклянной подложки. В итоге стеклянная подложка оказывается покрытой алюминиевым маскирующим слоем со сформированными в нем полосами шириной W (рисунок 15, в).

Рисунок 15 - Последовательность получения системы полос в маске на стеклянной подложке: а топология укладки оптических волокон на поверхности стеклянной подложки; б металлизация рабочей поверхности подложки алюминием; в поперечное сечение маскирующего слоя на поверхности подложки

Поскольку большая часть рабочей поверхности стеклянной подложки оказывается маскированной алюминиевой пленкой, то процесс ионного обмена при заданной температуре будет осуществляться в незащищенных маской участках стеклянной поверхности. Таким образом, в стеклянной подложке будут сформированы каналы с повышенным показателем преломления, по которым может распространяться оптическое излучение.

Конечно, таким методом можно создавать только прямые канальные волноводы в стеклянных подложках. Получение более сложных волноводных структур, например разветвителей, возможно только при использовании литографических процессов.

3.2 Изготовление канальных волноводов в стекле от фотопластин

В качестве подложки при изготовлении интегрально-оптических канальных волноводов применялось стекло от фотопластин, оно представляет собой натриевосиликатное многокомпонентное стекло, в состав которого входит: 7273 % SiO2; 1,52 % Al2O3; 0,080,1 % Fe2O3; 79 % CaO; 34 % MgO; 0,51 % K2O и 1415 % Na2O.

Тщательная очистка (обезжиривание) подложки осуществлялась протиркой ватным тампоном, смоченным в ацетоне. Заключительная (финишная) очистка производилась тлеющим разрядом под колпаком вакуумной установки «АЛЬФА-Н1», непосредственно перед нанесением маскирующего покрытия.

Незначительные загрязнения поверхности подложки приводят к снижению качества напыляемого маскирующего слоя и ухудшению качества формируемых волноводов, поэтому к качеству очистки подложки предъявляются высокие требования.

Процесс изготовления интегрально-оптических канальных волноводов в стекле предусматривает проведение следующих технологических операций: нанесение металлического маскирующего слоя на поверхность стеклянной подложки, создание в нем с помощью фотолитографии каналов определенной ширины, проведение ионного обмена в расплаве соли и полировка торцов стеклянной подложки.

Маскирующее покрытие в виде тонкого слоя алюминия наносилось термическим вакуумным напылением на установке «АЛЬФА-Н1». Внешний вид подколпачного устройства вакуумной установки представлен на рис. 16.

Рисунок 16 - Внешний вид подколпачного устройства вакуумной установки «АЛЬФА-Н1»

Для нанесения маскирующего алюминиевого слоя стеклянная подложка 1 помещалась в вакуумную камеру 2 установки «АЛЬФА-Н1» напротив испарителя 3, представлявшего собой спираль из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм, на расстоянии 6 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. Толщина напыленного слоя алюминия была примерно 0,6-0,8 мкм. Высоковольтный электрод 4 необходим для получения тлеющего разряда в остаточном воздухе под колпаком вакуумной установки. В тлеющем разряде проводится финишная очистка подложки от таких загрязнений, как адсорбированные молекулы воздуха, влаги, ацетона и т. д.

Для создания каналов в маскирующем слое алюминия применялась фотолитография. Для этого на напыленный слой алюминия, методом центрифугирования, наносился слой позитивного фоторезиста ФП-383. Скорость вращения центрифуги составляла 4000 об/мин. Затем производилась сушка фоторезиста при температуре 90єС в течение 15 минут.

После просушивания фоторезист экспонировался ультрафиолетовым излучением с помощью ртутно-кварцевой лампы ДРШ-250 в течение 120 секунд через фотошаблон, представлявший собой стеклянную пластинку с нанесенным слоем хрома в котором созданы каналы шириной 2 мкм.

Проявление фоторезиста, а также травление алюминиевого слоя, проводилось в 0,3% растворе КОН. После этого образец промывался в дистиллированной воде для удаления остатков проявляющего раствора. Удаление остатков фоторезиста проводилось промывкой образца в ацетоне.

Применяемое в работе стекло от фотопластин содержит 14% окиси натрия, что предопределяет его широкое использование для создания волноводов и волноводных структур методом ионного обмена. Ионный обмен проводился в расплаве соли KNO₃. Для этого соль KNO₃ засыпалась в кварцевый стакан, который помещался в специальную печь, где проводилось ее нагревание до температуры 380 С. Для плавления KNO₃ и поддержания постоянной температуры во время всего процесса создания разветвителя использовалась печь с устройством терморегулирования, изготовленным на базе термоконтроллера (серии DT_x) и твердотельного реле (HD4044ZD3), рассчитанного на напряжение до 410 В и ток до 40 А.

Блок-схема печи представлена на рисунке 17.

Кварцевый стакан с солью KNO₃ помещается в цилиндрический нагреватель печи. Термоконтроллером устанавливается рабочая температура (380С). При температуре t_пл=334 С соль KNO₃ переходит в жидкое состояние. Температура разложения KNO₃ 400 С. В этот расплав и погружался образец с сформированным на нем маскирующим алюминиевым слоем.

Время ионного обмена составило 120 минут. При проведении ионного обмена ионы Na⁺ в стеклянной подложке замещаются ионами K⁺ из расплава соли KNO₃ в местах не защищенных маскирующим слоем. В результате ионного обмена Na⁺ - K⁺ происходит изменение химического состава стекла в областях не закрытых маскирующим слоем алюминия, приводящее к увеличению показателя преломления.

Рисунок 17 - Блок-схема печи для проведения ионного обмена: 1 стеклянная подложка; 2 расплав соли KNO₃; 3 кварцевый стакан; 4 цилиндрический нагреватель печи; 5 термоизоляционный слой; 6 хромель-алюмелевая термопара; 7 термоконтроллер с твердотельным реле

По окончании ионного обмена стеклянная подложка вынималась из расплава, охлаждалась и промывалась в проточной воде для удаления остатков соли KNO₃. Процесс изготовления интегрально-оптических канальных волноводов в стекле заканчивался удалением маскирующего алюминиевого слоя, которое осуществлялось травлением подложки в 30% растворе KOH.

На рисунке 18 представлена фотография внешнего вида печи для проведения ионного обмена.

Для измерения геометрических размеров полученных канальных волноводов необходимо ввести оптическое излучение в волновод и вывести свет из него. Наиболее эффективно можно ввести свет в канальный волновод, сфокусировав его на торце самого волновода. Обрезка торцов канальных волноводов проводилась при помощи алмазного стеклореза. При этом на противоположной стороне стеклянной подложки проводился надрез алмазным стеклорезом перпендикулярно к канальным волноводам, и осуществлялось скалывание.



Рисунок 18 - Фотография внешнего вида печи для проведения ионного обмена: 1 цилиндрический нагреватель печи; 2 термоконтроллер

После этого можно было наблюдать под микроскопом оптическое излучение, выходящее из торца канального волновода. На рисунке 19 показан внешний вид торца интегрально-оптического волновода, наблюдаемого под микроскопом.

Рисунок 19 - Внешний вид торца интегрально-оптического волновода, наблюдаемого под микроскопом

Измерение геометрических размеров изготовленных интегрально-оптических канальных волноводов проводилось с использованием микроскопа «ERGAWAL» и микрометра оптического винтового «МОВ1-15».

Как показали исследования, проведенные под микроскопом, ширина канала интегрально-оптического волновода составила 11 мкм, а глубина - 8 мкм.

волновод ионный диффузия стекло

4. Изготовление симметричных канальных волноводов в стеклах

Интегрально-оптические симметричные канальные волноводы изготавливались в подложках стекла К8 размером 50Ч50Ч2 мм.

Стекло К8 содержит 72% SiO₂, 8,15% В₂O₃, 10,45% К₂О, 7,2% Na₂О, 1,55% CaO, 0,4% MgO, 0,2% As₂O₃. Наличие в его составе 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 [18].

Изготавливаемые канальные волноводы должны удовлетворять следующим требованиям: иметь форму поперечного сечения близкую к круглой, иметь минимальные потери, обусловленные коллоидной окраской, иметь минимальные потери при стыковке с одномодовыми (на л=1,5 мкм) световодами.

Исходя из поставленных задач, была выбрана двухэтапная технология изготовления:

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

на втором этапе проводилось погружение полученных волноводов в стеклянную подложку с целью уменьшения коллоидной окраски и придания волноводам круглой формы поперечного сечения.

Стеклянные подложки подвергались двухступенчатой очистке. Вначале они протирались ватным тампоном, смоченным в ацетоне, а затем, очищались в тлеющем разряде под колпаком вакуумной установки «Альфа-Н1» непосредственно перед нанесением алюминиевого маскирующего покрытия.

По окончании очистки вакуум в камере увеличивался до 10-⁵-10-⁶ мм. рт. ст. и производилось термическое испарение алюминия.

Технология нанесения маскирующей пленки алюминия такая же, как и в предыдущем случае. Стеклянная подложка помещалась в вакуумную камеру установки «Альфа-Н1» напротив испарителя, представлявшего собой спираль из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм. Расстояние между испарителем и подложкой составляло 10 см. В вольфрамовую спираль помещался кусочек алюминия, а спираль нагревалась электрическим током до температуры испарения алюминия (900-1000 С). Алюминий испарялся и конденсировался в виде тонкой металлической пленки на поверхности стеклянной подложки.

Таким образом, на одну из сторон стеклянной пластинки наносилось маскирующее покрытие в виде тонкого слоя алюминия толщиной 0,6-1 мкм.

В маскирующем слое алюминия с помощью фотолитографии создавались полоски шириной 2 мкм и длиной 50 мм.

Процесс фотолитографии осуществлялся следующим образом. На напыленный слой алюминия методом центрифугирования наносился тонкий слой позитивного фоторезиста ФП-383. Внешний вид установки нанесения фоторезиста SPIN-1200T представлен на рисунке 20. Скорость вращения центрифуги установки нанесения фоторезиста SPIN-1200T составляла 3000 оборотов в минуту.

Рисунок 20 - Внешний вид установки нанесения фоторезиста SPIN-1200T

После нанесения фоторезист сушился в сушильном шкафу при температуре 90єС в течение 15 минут.

Экспонирование фоторезиста проводилось на установке совмещения и экспонирования в свете ртутно-кварцевой лампы ДРШ-250 в течение 3 мин.

Проявление фоторезиста и травление маскирующего алюминиевого слоя осуществлялось в 0,3 % растворе KOH.

После того как каналы в маскирующем слое протравливались насквозь, процесс травления прекращался, а стеклянная подложка промывалась от остатков раствора щелочи и сушилась при комнатной температуре. Остатки фоторезиста смывались с поверхности алюминиевой пленки ацетоном.

Подготовленная таким образом стеклянная подложка с маскирующим слоем помещалась в расплав солей AgNO₃ и NaNO₃, взятых в молярном соотношении 1: 200. При контакте стеклянной пластинки с расплавом солей происходил ионный обмен Na⁺-Ag⁺, при этом ионы натрия диффундировали из стекла в расплав, а на их место из расплава внедрялись ионы серебра, приводящие к увеличению показателя преломления в областях, не защищенных маскирующим слоем. Таким образом, в стеклянной подложке формировались интегрально-оптические канальные волноводы.

Ионный обмен проводился при температуре 380єС. Время ионного обмена составило - 60 минут.

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.

Известно, что волноводы, полученные в стеклах методом ионного обмена из расплавов солей, содержащих ионы Ag⁺, являются несимметричными и имеют коллоидную окраску. Причем, чем выше температура процесса, и больше его длительность, тем интенсивнее коллоидная окраска волновода и больше потери в таком волноводе.

Для получения интегрально-оптических волноводов с минимальными потерями и придания им симметричной формы было проведено их заглубление в стеклянную подложку. Заглубление волноводов проводилось при помощи электростимулированной миграции ионов Na⁺ в стеклянную подложку из расплава соли NaNO₃. Для этого на сторону стеклянной пластинки, свободную от канальных волноводов, методом термического напыления на вакуумной установке «Альфа-Н1» наносилась пленка алюминия толщиной 0,8 - 1 мкм, игравшая роль тонкопленочного катода в процессе электростимулированной миграции ионов. Для устранения возможности затекания расплава соли на катод, последний имел размеры меньше, чем стеклянная подложка и напылялся через маску.

Погружение интегрально-оптических волноводов с помощью электростимулированной миграции ионов осуществлялось на установке, принципиальная схема которой приведена на рисунке 21.

Рисунок 21 Принципиальная схема установки для проведения заглубления интегрально-оптических волноводов в стеклянную подложку

Муфельная печь состоит из двух независимых нагревателей, один из которых представляет собой вольфрамовую спираль, намотанную на кварцевую трубу 1, второй нагреватель 2 имеет плоскую поверхность и осуществляет подвод тепла снизу. Применение двух независимых нагревателей с предварительным подбором их параметров позволяет добиться максимальной стабильности и минимального градиента температуры в области диффузии. Поддержание температуры в заданных пределах достигается с помощью хромель-алюмелевой термопары 3, находящейся в непосредственной близости с расплавом, и терморегулирующего устройства 4. Терморегулирующее устройство выполнено на базе термоконтроллера (серии DT_x) и твердотельного реле (HD4044ZD3). Источником внешнего стимулирующего напряжения служит универсальный источник питания 5 (Б5-50). Контроль величины тока в процессе ЭСМИ осуществлялся миллиамперметром 12.

Устройство, осуществляющее подвод стимулирующего напряжения к образцу и его погружение в расплав, состоит из кварцевой воронки 6, через которую пропущен металлический стержень 7, играющий роль подводящего электрода (катода).

Перемещением подводящего электрода 7 вдоль оси воронки 6 образец приводится в соприкосновение с расплавом соли. Фиксация образца после соприкосновения его с расплавом и обеспечения надежного смачивания осуществляется зажимом 8. Анодом служит алюминиевая лодочка 9.

Рабочий образец 10 со сформированным маскирующим слоем и нанесенным на противоположную сторону тонкопленочным электродом зажимается между катодом и анодом с помощью пружин 11, соединенных с катодом через изоляторы 13 таким образом, что тонкопленочный электрод находится в непосредственном контакте с катодом, а маскирующий слой обращен к лодочке [20].

Внешний вид установки для заглубления интегрально-оптических волноводов в стеклянную подложку представлен на рисунке 22.



Рисунок 22 Внешний вид установки для заглубления интегрально-оптических волноводов в стеклянную подложку: 1 - терморегулирующее устройство, 2 - нагреватель печи, 3 - устройство погружения образца в расплав, 4 - универсальный источник питания (Б5-50), 5 - милиамперметр

Установка включает терморегулирующее устройство 1, изготовленное на базе термоконтроллера (серии DT_x) и твердотельного реле (HD4044ZD3), рассчитанного на напряжение до 410 В и ток до 40 А, нагреватель печи 2, устройство погружения образца в расплав 3, универсальный источник питания 4 (Б5-50) и миллиамперметр 5 необходимый для измерения электрического тока в процессе электростимулированной миграции ионов.

Стеклянная подложка погружалась в муфельную печь до тех пор, пока поверхность пластинки не смачивалась расплавом соли. Затем от источника питания (Б5-50) к расплаву и катоду прикладывалось постоянное электрическое стимулирующее напряжение 290 В. Температура расплава была 380°С, время протекания процесса 60 минут. Величина электрического тока составила 18 мА.

Под действием электрического тока ионы Ag⁺ мигрируют вглубь подложки, а на их место входят ионы Na⁺ из расплава соли NaNO₃, восстанавливая первоначальную структуру стекла. Таким образом, осуществлялось погружение интегрально-оптического разветвителя в стеклянную подложку.

После окончания процесса погружения интегрально-оптического разветвителя в стеклянную подложку, образец остывал, а тонкопленочный катод стравливался в 30% растворе щелочи.

Для исследования изготовленных интегрально-оптических волноводов необходимо ввести в них оптическое излучение. Наиболее эффективно можно ввести свет в канальный волновод, сфокусировав его на торце волновода. Для этого торцы волноводов должны быть полированными без скосов и сколов. Полировка торцов волноводов проводилась с использованием специального приспособления, позволявшего добиться высокой степени перпендикулярности торцов к плоскости волноводов. После того, как образец был зажат в этом устройстве, он сначала шлифовался, а затем полировался на станке с использованием специальных шлифовальных и полировальных порошков.

Внешний вид торца канального интегрально-оптического заглубленного волновода представлен на рисунке 23.

Из рисунка 23 видно, что торец полученного волновода имеет фактически круглую форму поперечного сечения, кроме того сам волновод оторван от поверхности стекла. Волновод практически не имеет коллоидной окраски, свет, выходящий из его торца, имеет белый цвет, что говорит о том, что в волноводе без особых потерь распространяется весь спектр оптического излучения. Поскольку волновод не имеет потерь, связанных с коллоидной окраской и рассеянием света на поверхности стеклянной подложки, можно предположить, что потери излучения в таком волноводе могут составлять доли дБ на см.



Рисунок 23 - Внешний вид торца канального интегрально-оптического заглубленного волновода

Геометрические размеры выходных торцов интегрально-оптических волноводов измерялись при помощи микроскопа «ERGAWAL» и микрометра оптического винтового «МОВ1-15» и составили 11Ч13 мкм. Глубина погружения волноводов составила 2-3 мкм.

Симметричность полученного волновода определялась двумя способами: по форме выходного излучения из торца канального волновода и путем сканирования распределения интенсивности излучения на торце волновода с использованием программы SPIP.

На рисунке 24 представлены формы выходного излучения из торца канального волновода, наблюдаемые на разном расстоянии от торца.

Как видно из рисунка 24 формы выходного излучения из торца канального волновода близки к круглым, что подтверждает симметричную форму изготовленного канального волновода.

На рисунке 25 представлен увеличенный внешний вид торца полученного канального волновода и распределение интенсивности излучения на торце волновода с использованием программы SPIP.



Рисунок 24 - Формы выходного излучения из торца канального волновода, наблюдаемые на разном расстоянии от торца.

Рисунок 25 - Увеличенный внешний вид торца полученного канального волновода - (а) и распределение интенсивности излучения на торце волновода с использованием программы SPIP - (б).

Из рисунка 25б видно, что распределение интенсивности излучения на торце волновода имеет симметричную форму.

Числовая апертура интегрально-оптического канального волновода измерялась следующим образом. Оптическое излучение от осветителя микроскопа фокусировалось на входном торце интегрально-оптического канального волновода. Выходной торец волновода располагался в фокальной плоскости объектива микроскопа таким образом, чтобы можно было наблюдать в окуляре резкое изображение торца канала волновода. Затем тубус микроскопа поднимался вверх на h=100 мкм, и проводилось измерение полученного светящегося пятна. Отношение радиуса r светящегося пятна к величине перемещения h тубуса микроскопа является тангенсом угла б (рисунок 26).

Рисунок 26 - Определение угла б для вычисления числовой апертуры волновода разветвителя

Из рисунка 26 следует, что

.

Проведенные измерения показали, что числовая апертура полученных канальных волноводов составляет NA=0,1.

Заключение

На основании выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1 Используя двухэтапную технологию, были изготовлены симметричные канальные интегрально-оптические волноводы в стекле К8. На первом этапе методом ионного обмена из расплава соли, содержащей ионы серебра, в стеклянной подложке получались интегрально-оптические волноводы; на втором этапе проводилось заглубление полученных волноводов в стеклянную подложку с целью уменьшения коллоидной окраски и придания волноводам круглой формы поперечного сечения.

2 Полученные симметричные канальные волноводы имели ширину 11 мкм и глубину - 13 мкм. Числовая апертура полученных канальных волноводов составляла NA=0,1.

3 Методом ионного обмена из расплава соли KNO₃ в стеклянной подложке от фотопластин изготовлены канальные волноводы с шириной канала 11 мкм и глубиной - 8 мкм.

4 В зависимости от типа волновода и области его применения при их изготовлении используют различные методы: катодное, реактивное и высокочастотное распыление, эпитаксия, ионный обмен и твердотельная диффузия.

5 Реактивное распыление применяют для нанесения пленок химических соединений (оксидов, нитридов). Требуемое химическое соединение получают, подбирая материал распыляемой мишени и рабочий газ.

6 Эпитаксиальные методы позволяют получать монокристаллические пленки полупроводников, используемых в интегральной оптике при изготовлении источников излучения и приемников излучения. Скорости роста пленок могут достигать 5мкм/мин.

Список использованных источников

1 Векшин М.М. Изготовление и исследование одномодовых волноводных структур в стекле на длине волны 1,55 мкм / М.М. Векшин, В.А. Никитин, Н.А. Яковенко // III всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. - М.: НИЯУ МИФИ, - 2014. - С. 77, 78.

2 Введение в интегральную оптику / Под ред. М. Барноски. - М.: Мир, 1977. - 367с.

3 Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира. - М.: Мир, 1978. - 344с.

4 Унгер Х.- Г. Планарные и волоконные оптические волноводы / Х.- Г. Унгер - М.: Мир, 1980. - 656с.

5 Хансперджер Р. Интегральная оптика, теория и технология / Р. Хансперджер. М.: Мир, 1985. - 379с.

6 Сидоров А.И. Никоноров Н.В. Материалы и технологии интегральной оптики: Учебное пособие / А.И. Сидоров, Н.В Никоноров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. - 107 с.

7 Козырь И.Я. Общая технология / И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов, Ю.С. Чернозубов. - М.: Высшая школа, 1989. - 316 с.

8 Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для вузов / В.Н. Черняев. - М.: Радио и связь, 1987. - 346 с.

9 Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - М.: Высш. шк. 2006. - 799 с.

10 Коваленко А.А. Основы микроэлектроники. Учебное пособие / А.А. Коваленко, М.Д. Петропавловский. - М.: Академия, 2006. - 239 с.

11 Влияние потенциала смещения на оптические свойства пленок Nb₂O₅ поллученных методом магнетронного распыления / О.Д. Вольпян, Ю.А. Обод, П.П. Яковлев, Б.Б. Мешков // Оптич. журн. - 2000. - Т67, - № 10. - С. 40-42.

12 Мешков Б.Б. Получение пленок Al₂O₃ для оптических целей метом магнетроного распыления на переменном токе / Б.Б. Мешков, П.П. Яковлев // Оптич. журн. - 2000. - Т67, - № 9. - С. 69-72.

13 Получение оптических пленок TiO₂ методом реактивного магнетронного распыления на переменном токе / О.Д. Вольпян, Ю.А. Обод, П.П. Яковлев, Б.Б. Мешков // Оптич. журн. - 2001. - Т68, - № 7. - С. 36-39.

14 Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. Киев : Аверс, - 2008. - 244 с.

15 Смирнов В.И. Физико-химические основы технологии электронных средств. Учебное пособие. Ульяновск. - 2005. - 112 с.

16 Сущенцов Н.И. Основы технологии микроэлектроники. Лабораторный практикум. Йошкар-Ола. - 2005. - 89 с.

17 Панфилов Ю.В. Нанесение тонких пленок в вакууме / Ю.В. Панфилов // Технологии в электронной промышленности. - 2007. - №3. - С. 76-80.

18 Никитин В.А. Электростимулированная миграция ионов в интегральной оптике / В.А. Никитин, Н.А. Яковенко. - Краснодар: Изд-во КубГУ, - 2013. - 245 с.

19 Семенов А.С. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / А.С. Семенов, В.Л. Смирнов, А.В. Шмалько. - М.: Радио и связь, - 1990. - 163 c.

20 Никитин В. А. Физические технологии интегральной оптики: [Лабораторный практикум] /В.А. Никитин, А.С. Левченко, Н.А. Яковенко. - Краснодар: Изд-во КубГУ, 2013. - 102 с.

Размещено на Allbest.ru