Межмодовая интерференция в некоторых типах оптических волноводных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ. Б.И.СТЕПАНОВА

На правах рукописи

ТОМОВ

АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ■

МЕШОДОВАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ В НЕКОТОРЫХ ТИПАХ . ОПТИЧЕСКИХ волноводах СТРУКТУР

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссэртеции на соискания учзнойЬ отепани кандидата физикочлатематичаских наук

МИНСК - 1993

Работа выполнена в Институте прикладной оптики Академии наук Беларуси

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор РВДЬКО В.П.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор КЛРЮШО Ф.В.

кандидат физико-математических наук, доцент КАЗАКОВ Н.П.

Ведущая организация:

Российский университет дружбы народов

Защита состоится

Ж /2-

1993 г. в

часов

на заседании специализированного совета К 006.01.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Институте физики им. Б.И. Степанова АН Беларуси ( 220602, г.Минск, ГСП, пр. Ф. Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики ЛНБ.

Автореферат разослан "_

„¿Г //

1993 Г

Учений секретарь специализированного совота кандидат физ.-мат.наук

КУНЦЕВИЧ Б.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность теш. Интерес к исследованию явления интерференции мод в интегрально-оптических устройствах обусловлен перспективностью их использования в' качестве различного рода датчиков, так как интерференционные метода контроля малых изменений различных величин являются наиболее чувствительными. С другой стороны, явление интерференции мод в интегрально-оптических устройствах может успешно использоваться для решения ряда задач, связанных с передачей и обработкой оптической информации.

В настоящее время явление интерференции мод достаточно подробно изучено только в пленарных поверхностных волноводах и начинает использоваться в устройствах модуляции, переключения, а также спектрального и амплитудного разделения оптических сигналов, реализованных на основе титандиффузных канальных волноводов в ииобате лития. Это связано, в первую очередь, со значительными успехами, достигнутыми исследователями в изучении процэсса диффузии титана и разработке надеиных методов расчета параметров этих волноводов. В то же время пассивные устройства, использующие интерференцию мод, наиболее выгодно создавать \ на основе волноводов в оптических стеклах, которые являются более дешевым материалом, обладающим высокой прочностью, прозрачностью и однородностью. Перспективным также является использование в этих устройствах заглубленных волноводов, которые по сравнению с поверхностными обладают Солее низкими потерями на распространение и лучше согласуются с оптическими волокне®. Однако недостаточное развитие надежных методов определения характеристик канальных, и заглубленных пленарных волноводов значительно затрудняет исследования интерференции мод в этих .волноводах и • реализацию ее практического применения. Мало исследована также зависимость параметров этих волноводов от условий их формирования, что не позволяет оценить возможности создания конкретных интерференционных интегрально-оптических устройств на их основе.

Цель настоящей работы; исследование явления интерференции мод в заглубленных пленарных и канальных ионообмыпшх

волноводах, определение связи между видом картины интерференции мод в волноводах и технологическими параметрами процесса их формирования, поиск путей расширения функциональных возможностей волноводов на основе использования явления интерференции мод.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач: решение проблемы визуализации картины интерференции мод в канальных волноводах, разработка новых и развитие известных методов и метода® определения профиля показателя преломления волноводов, изучение изменения параметров волно-дов в зависимости от условий их формирования.

Научная новизна результатов, полученных в соответствии с поставленной задачей заключается в следующем:

1. Предложен и реализован новый метод определения профиля показателя преломления многомодовых планарных волноводов, в том числе и заглубленных, основанный на определении координат нулевых значений поля высшей моды волновода.

2. Исследовано явление интерференции мод в планарных заглубленных волноводах, полученных в кварцевых стеклах облучением протонами с энергией Е0 = 6,7 МэВ, и определены условия возникновения эффективной фокусировки распространяющегося в них излучения ТЕ- и ТМ- поляризаций. С учетом анизотропии определены параметры етих волноводов в диапазоне доз существования.

3. Разработана численная модель распределения показателя преломления волноводов, сформированных в стекле К8 методом ионного обмена из расплава /¿¡Ю2~ НаНО^ малых концентраций, определены зависимости параметров модели от условий формирования волноводов.

4. Обнаружен эффект фокусировки света в канальных волноводах с неэквидистантным спектром поперечных мод, получаемых в стекле из расплава А£Н03- На№3, и определены предельные значения технологических параметров,соответствующие этому эффекту. С помощью разработанной численной модели распределения показателя преломления установлено, что эффект фокусировки обусловлен интерференцией мод в этих волноводах. Показаны возможности использования интерференции мод в многомодовых канальных волноводах для решения задач оптического согласования и разделения каналов.'

5. Найдено аналитическое выражение зависимости периода фокусировки, возникающей в результате интерференции мод в много-модовых канальных волноводах, сформированных при помощи проводящей маски, от технологических параметров процесса изготовления.

6. Разработана методика оценки основных параметров планерных дифракционных решеток на основе ионообменных волноводов по картине интерференции света в области решетки.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования явления интерференции мод в пленарных заглубленных волноводах, сформированных в кварцевом стекле облучением протонами.

2. Меимодовая интерференция и зффект фокусировки в канальных ионообменных волноводах с неэквидистантным спектром мод, прогнозирование параметров волноводов при использовании мекмодовой интерференции для решения задач оптического согласования и разделения каналоз.

3. Метод определения профиля показателя преломления мво-гомодовых волноводов, в, том числе и заглубленных, по распределению поля одной из высших мод.

4. Численная модель профиля показателя преломления ионообменных волноводов и количественные зависимости параметров модели от условий их формирования.

Практическая ценность работы. Разработан и реализован метод реконструкции профиля показателя преломления волноводов по распределению поля мода на торце, позволяющий исследовать профили заглубленных волноводов. Предложены аналитическая модель распределения показателя преломления заглубленных пленарных волноводов, получаемых облучением высокоэнергетичными протонами в кварцевом стекле, и Численная модель профиля показателя преломления пленарных и канальных волноводов, получаемых ионным обменом из расплава А$Ю3-ХаН03, а также исследованы зависимости параметров этих моделей от технологических параметров процесса формирования волноводов, что позволяет получать волноводы с заданными свойствами. Эти результаты могут быть использованы не только в лабораторной практике, но и в условиях промышленного производства. Результаты исследования зависимости параметров картины интерфе-

ренции мод в волноводах от технологических параметров совместно с предлагаемым методом визуализации оптических полей могут использоваться для контроля параметров при массовом производстве интегрально-оптических устройств. Обнаруженные аффекты^фокусировки излучения, распространяющегося в пленарных заглубленных и ионообменных канальных волноводах, расширяют их функциональные возможности и могут служить основой для создания устройств интегральной оптики нового типа.

Публикации и апробация работа. Основные результаты диссертации отражены в а статьях и 2 авторских свидетельствах Материалы диссертации докладывались на Республиканском научно - практическом семинаре "Голография в промышленности и научных исследованиях"(Гродно,1986), на I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Ленинград,1988),на конференции "Радиационная физика твердого тела" (Минск,1989), на I Всесоюзной конференции по интегральной оптике (Ужгород,1991).

Личный вклад автора. Все основные исследования, результаты которых отражены в диссертационной работе, выполнены автором самостоятельно. Научный руководитель В.П. Редько осуществлял общее руководство при постановке задачи и обсуждении результатов. Остальные соавторы оказали помощь в проведении экспериментов и в анализе их результатов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

Во введении на основе краткого обзора литературы обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель роботы, изложена научная новизна полученных результатов, их практическая значимость, приведены защищаемые положения и раскрыта структура диссертации.

В первой главе изложены результаты исследорания параметров планерных заглубленных волноводов,полученных в плавленном кварце облучением протонами с энергией Е0 = 6,7 МэВ в широком диапазоне доз.

Описана методика определения профиля показателя преломления заглубленных волноводов методом голографической интерферометрии и предложен новый метод определения профиля показателя преломления многомодорых планарных волноводов, в том числе и заглубленных,по распределению поля высшей моды. Метод

основан на том, что в ВКБ-приближении фазовый интеграл в интервале между точками,соответствущими соседним нулевым значениям поля какой-либо моды, в точности равен %. В результате ступенчатой аппроксимации профиля тих) на данном интервале найдено выражение для величины соответствующего ему среднего значения показателя преломления волновода:

где гс*- эффективный показатель преломления моды с индексом т, К - длина волны в вакууме, Ах - длина интервала. Это значение практически точно соответствует реальному значению п в центре указанного интервала. Эффективность метода продемонстрирована на модельных и реальных волноводах с различным распределением профиля тих). Основным достоинством предложенного метода является возможность восстановления профиля показателя преломления заглубленных волноводов, у которых, можно возбудить хотя бы одну (как правило, высшую) моду.

В результате использования обоих методов определены параметры заглубленных пленарных волноводов в кварцевом стекле в интервале доз существования и показано, что профили пел, соответвукщие ТЕ- и ТМ- поляризациям распространяющегося в волноводах излучения, хороао аппроксимируются в интервале доз облучения Ю14- 2-Ю16 протонов/см2 моделью профиля Зпштейна с параметром а, равным приблизительно 10 мкм и 8 мкм, соответственно. Обсуждается механизм формирования волноводов и Елияние возникающих при этом внутренних напряжений на профиль показателя преломления. На основе экспериментальных данных определена величина коэффициента пропорциональности между максимальным изменением показателя преломления в области столкновений, обусловленного только радиационными дефектами, и дозой облучения, равная 245^36-10~г4 и определены оптимальные режимы отжига, приводящие к значительному уменьшению потерь без изменения остальных параметров волноводов.

Вторая глава посвящена исследованию интерференции мод в пленарных заглубленных волноводах. Приведены основные соотношения, позволяющие рассчитать постоянные распространения и

структуру полей мод волновода, профиль показателя преломления которого описывается моделью профиля Эпштейна. Рассмотрена задача возбуждения "в торец" направляемых мод такого волновода и приведена методика расчета картины их интерференции. На основании экспериментальных данных, полученных в первой главе, произведен расчет распределения интенсивности СЕета в поперечном сечении волноЕода по его длине и показано, что эффект фокусировки, экспериментально наблюдаемый в заглубленных волноводах, полученных в интервале доз облучения 5-Ю1Ь -2•101° см-2, обусловлен интерференцией двух низших четных мод волновода. Показано, что рассчитанный период картины интерференции хороко совпадает с экспериментально измеренным и изменяется в зависимости от дозы облучения в пределах 4000 -2200 мкм и 5800 - 2500 мкм для ТЕ- и ТМ- поляризаций,соответственно. Рассмотрена картина интерференции мод вблизи плоскости возбуждения волновода. Путем сравнения рассчитанного фазового фронта распространяющегося в волноводе излучения с результатами интерферометрпческих исследований доказано наличие в этой области излучателышх мод с амплитудой, сравнимой с амплитудой направляемых мод волновода. На основании полученных данных сделан выеод о том, что применяемый в интерферометрии градиентных сред критерий пренебрежения рефракцией может быть использован для оценки величины амплитуды излучателышх мод при разработке интегрально-оптических устройств.

В третьей главе представлены результаты исследования кинетики процесса ионного обмена из расплава А£Н03 - ШУ03 раз-дачных концентраций (0,3 - 2,5 мол%) в стекле К8. В начале главы обоснован выбор параметров процесса ионного обмена, а также марки оптического стокла, наиболее подходящего с точки зрения использования для изготовления элементов интегральной оптики. Проведен анализ зависимости коэффициента взаимодиффузии от относительной концентрации диффузанта в стекле при ионном обмене и показано, что в данном интервале концентраций расплава эта зависимость имеет вид:

В = й^ехрОШ),

где параметр к=1п(01пах/0о). Втах и П0- максимальный (при №=I)

и минимальный ( при И=0) коэффициенты диффузии, N - относительная концентрация диффузанта в стекле. Определена величина коэффициента диффузии Р0=1,П4 - 0,11 мкмгсек-1 и установлена зависимость параметра к от концентрации расплава с в указанном выше интервале: >

к « 2,92 + 0,30.С

На основе полученных данных предложена численная модель распределения показателя преломления в гтлгпаргшх ионообменных волноводах. Проведена оценка влияния изменения длительности процесса ионного обмена и перехода на /фугую длину волны на точность модели. Показана возможность применения предложенной «одели для прогнозирования параметров волноводов на при?,'ерах конкретных штгрально-отачвскпх устройств, в частности, оптических блоков аналого-цифрового преобразования для фотоэлектрических датчиков угла.

Четвертая глава посвящена исследованию интерференции мод з каналышх иснсосменшх волноводах и интегрально-оптических решетках на их основе.

Описана технология формирования канальных волноводов методом ионного обмена через маску двух типов: проводящую и диэлектрическую. Обоснована необходимость применения диэлектрической маски и описана методика ее иаготовлешя. На основе результатов третьей главы предложена численная модель двумерного распределения показателя преломления каналышх волноводов в случае использования диэлектрической маски и рассмотрены особенности изменения этого распределения при изменении ширины апертуры маскл и длительности ионного обмена. Описан метод расчета волноводных параметров канальных ионообменных волноводов, основанный на методике оптимального разделения переменных, и приведены результаты расчета полей мод канального волновода. Обсуждается проблема визуализации картины интерференции в каналышх волноводах с малыми поперечными размерами и описан метод ее решения для случая волноводов, содержащих сереоро. Теоретически и экспериментально проанализирована картина распространения СЕета в рассматриваемых каналышх волноводах и показано, что ее характер

определяет интерференция нескольких низших четных мод. Проанализированы возможности использования явления интерференции мод, наблюдаемого в многомодовых ионообменных волноводах с неэквидистантным спектром мод, для реализации кнтегрально-оп-тических устройств, обеспечивающих оптическое согласование и амплитудное разделение оптических сигналов. Исследована зависимость параметров картины интерференции направляемых мод в канальных волноводах, сформированных при помощи проводящей маски, от параметров технологического процесса. • Приведено соотношение в виде регрессионного полинома второй степени, связывающее период интерференционной картины с шириной апертуры маски, концентрацией расплава и длительностью процесса ионного обмена. На основе модельных представлений дано объяснение хода этой зависимости. В заключение исследована картина интерференции в штрихах планарной дифракционной решетки, на основании чего проведена оценка вида ее функции пропускания и определены основные параметры в режиме дифракции Брегга.

В заключении сформулированы основные'результаты работы:

1. Проведены детальные исследования анизотропного профиля показателя преломления заглубленных пленарных волноводов, полученных в кварцевых стеклах высокоэнергетичными протонами ( Е0= 6,7 МэВ). Показано, что профили показателя- преломления этих волноводов хорошо описываются моделью профиля Эпштейна и определены параметры модели для двух возможных поляризаций распространяющегося в волноводах излучения. Установлено, что первоначально изотропный профиль показателя преломления пг(х), соответствующий распределению радиационных дефектов в стекле, искажается возникающими в процессе формирования волновода напряжениями и экспериментально определена величина коэффициента пропорциональности между приращением Дпг и дозой облучения.

2. Предложен новый метод реконструкции профиля показателя . преломления многомодовых пленарных волноводов, основанный на определении положения нулевых значений в распределении поля Еысшей моды волновода. Показана возможность его применения к частично заглубленным волноводам.

3. Проведены исследования поперечного распределения

интенсивности света в заглубленных планарных волноводах, полученных в кварцевом стекле облучением протонами. Показано, что .в волноводах, сформированных в интервале доз облучения 5'101Ьсм_г^ О ^ 2-1016см_г, происходит периодическая фокусировка распространяющегося в них излучения ТЕ- и ТМ-поляриза-ций, обусловленная интерференцией двух низших четных мод волновода, и установлена зависимость мезду периодом интерференционной картины Т и дозой облучения.

4. Установлен вид зависимости коэффициента диффузии от концентрации ионов серебра в стекле К8 при ионном обмене из расплава А$Ю3~ ИаЧ03 малых концентраций (0,3-2,5 мол.я). Предложена численная модель профиля показателя преломления ионообменных волноводов,определены ее параметры в зависимости от концентрации используемого расплава. Показано, что предложенная численная модель позволяет прогнозировать волноводные параметры с точностью не хуже 1% от величины максимального приращения показателя преломления - для основных мод и 4% -для всех остальных, при изменении параметров процесса формирования волноводов в широком диапазоне значений.

5. Установлено, что в многомодовых канальных вoлнoвoдaXJ полученных из расплава Ае1Ю3- ЯсШ03 в стекле К8, происходит квазипериодическая фокусировка распространяющегося излучения, обусловленная интерференцией нескольких низших поперечных мод волновода. Показано, что параметры картины интерференции для волноводов, полученных с применением диэлектрической маски, могут быть определены при помоад предложенной численной модели профиля показателя преломления. Определен верхний предел величины апертуры маски < * 25мкм), при которой интерференция мод 1гриводит к фокусировке света в волноводе. . Показаны возможности применения интерференции мод в многомодовых ионооб-обменных канальных волноводах с неэквидистантным спектром мод для решения задач оптического согласования волноводов и амплитудного разделения оптических сигналов.

6. Установлена зависимость периода фокусировки, возникающей в результате интерференции мод в канальных ионообменных волноводах, сформированных при помощи проводящей маски, от концентрации расплава С, длительности ионного обмена я и ширины апертуры маски й. Сделан вывод о том,* что основным

технологическим параметром, определяющим величину периода межмодовой интерференции, является ширина апертуры маски.

7. Рассмотрена интерференция света в штрихах пленарной дифракционной решетки на основе ионообменных волноеодов. Установлено, что картина интерференции в штрихах решетки носит более упорядоченный характер, а ее период приблизительно в 1,5 раза меньше, чем соответствующий период в одиночном канальном волноводе, сформированном в аналогичных условиях. Определен вид функции пропускания планарной дифракционной решетки и проведена оценка основных ее параметров в режиме дифракции Брегга.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Редько В.П., Томов A.B., Штейнгарт Л.М., Куканков Г.П., Малько А.И. Экспериментальные исследования профиля показателя преломления пленарных заглубленных волноводов, полученных облучением протонами // ЖГФ.-1987.- Т.57.Ш. -0.1658-1661.

2. Борисов В.И., Куканков Г.П., Токов A.B. Определенно профиля показателя преломления многомодовых пленарных оптических волноводов по распределению интенсивности ПОЛЯ МОДЫ//ЖТФ.-1988.-Т. 58, .йй.-С .1182-1185.

3. Войтенко И.Г., Редько В.П., Томов A.B. Фокусировка света в полосковых волноводах //Письма в ЖТФ.-1Э88.-Т.14,.'И2.-0.1057-1060.

4. Войтенко И.Г., Томов A.B. Интегрально-оптические дифракционные структуры для систем обработки оптических сигналов // Оптические вычислители / Ф1И им.Иоффе, Л.-1989. -C.I09-II4.

б. Редько В.П., Томов A.B., Штейнгарт Л.М., Куканков Г.П. Малько А.И. Заглубленные планарные волновода в кварцевом стекле, сформированные облучением протонами//ЖТФ.-1991.-T.6I.Ä4.-C.87-93. 6. Томов A.B. Параметры ионообменных пленарных оптических волноводов в стекле К8 //Письма в ЖТФ.-1991.-ТЛ7, JH4.-С.60-62.

7. Voitenko I.G., Red'ко V.P..Sotskaya L.I.,Tomov A.V. Mode interference pattern in ion-exchanged channel waveguides

• //Guided Wave Optics.SPIE Vol.1932.-1993.-P.2-13.

8. Tomov A.V.,Shteyngart L.M.,Red*ko V.P.,Malko A.I. Planar waveguides fabricated by proton irradiation in quartz sllica//Guided Wave Optics.SPIE Vol.1932.-1993.-P.52-65.

9. Фотоэлектрический цифровой преобразователь угла падения излучения: А.С.Л1575751 СССР, МКИ4 G 02 Р 7/00 / Войтенко И.Г., Редько В.П., Сивуха В.И., Томов A.B. (СССР).

- 3 с.:ил.

10. Фотоэлектрический цифровой ' преобразователь углового перемещения в фазоимпульсный код: A.C.ÄI6884Q9 СССР.Ш14 Н 03 М 1/22,1/24 /Войтенко М.Г..Редько В.П..Сивуха В.И.. Томов A.B. (СССР).- Зс.:ил.

11. Редько В.П., Томов A.B., Штейнгарт Л.М., Куканков Г.П., Экспериментальное исследование распределения показателя преломления заглубленных планарных волноводах слоев методом голографической микроинтерферометрии // Тез. докл. Республ. научно-практ. семинара,- Гродно,1986.-С.20-21.

12. Войтенко И.Г., Томов A.B. Интегрально-оптические дифракционные структуры для систем обработки оптических сигналов// Тез.докл. I Всесоюз.конф. по оптич.обр.информации,

- Ленинград,I988.- С.97.

13. Томов A.B., Штейнгарт Л.М. Интерференция мод в пленарных заглубленных волноводах //Тез.докл. I Всесоюз. конф. по интегральной оптике,- Ужгород,I99I.-C.I7.