Многослойные планарные оптические волноводные структуры с поглощающими средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На г.равах рукописи

ЖИТКОВ Петр Михайлович

УДК 621.315.5Э2;621.372.8291535.137

МНОГОСЛОЙНЫЕ ПЛАНАРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДНЫЕ СТРУКТУРЫ С ПОГЛОЩАЩИиИ СРЕДАМИ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фиэико-ыатематических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедр» радиофизики ордена Дружбы народов Российского университета дружбы народов

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук, доцент

В. И. Аникин кандидат физико-математических наук, доцент А. П. Горобец

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических не"к Е.и. Золотов кандидат физико-математических наук Д.Д. Грачев

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт "Дельта"

Защита диссертации состоится п\Ьп охск^ 1992 г. в " часов на заседании специализированного

совета К 053.22.01 в Российском университете дружбы народов по адресу: 117293, Москва, ул. Орджоникидзе, д.З, зал N 1.

' С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружб« народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6

Автореферат диссертации разослан г.

Ученый секретарь

специализированного совета

кандидат физико-математических наук

доцент Г. И. ЗАПАТОВАННЫЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

г .Актуальность темы диссертации. Многослойные планарные оптические волноводы являются основой для построения элементов и функциональных устройств интегральной оптики. В настоящее время одной из основных тенденций развития интегральной оптики является объединение на одной подложке интегрально-оптических и электронных элементов и устройств в единую функциональную схему. Задача сопряжения оптических и электронных элементов на одной подложке, представляющей собой, как правило, поглощающий свет монокристаллический полупроводник (СаАз, и т.п.), решается с помощью использования многослойных волноводных структур,, состоящих из четырех и более слоев. Основный требованием, предъявляемым к таким многослойным волноводам, является обеспечение как можно более низких оптических потерь на рабочих длинах волн, а также совместимость технологии их изготовления с технологическими методами формирования электронных элементов и схем.

Наряду с этим, многослойные волноводные системы с поглощающими слоями могут находить другие применения, в частности, использоваться в качестве планарн,тх поляризационных фильтров. При использовании таких поляризаторов в интегрально-оптических схемах обработки сигналов они могут обеспечивать развязку (разницу затуханий мод ортогональных поляризаций) 40-6С дБ.

Для решения указанных выше задач необходима разработка методов расчета характеристик многослойных волноводных структур с поглощением, отработка технологии их изготовления и создание методик измерения их параметров, поиск новых конструктивных решений отдельных функциональных элементов с цельп приближения их характеристик к оптимальным.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование некоторых типов многослой :ах пленарных оптических волноводных систем с поглоцаюздим слоями, отработка технологических процессов их изготовления, разработка экпериыенталь-ных методов определения параметров таких волноводных структур, пои ; материалов и оптимальных схемных решений с целью уменьшения потерь волноводных мод в структурах на поглощаю-

щих поддонках и увеличения развязки между модами ортогональных поляризаций.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие оригинальные результаты:

1. Дисперсионные уравнения многослойных пленарных волноводов, включающих изотропные или одноосные анизотропные диэлектрические, полупроводниковые или металлические, в том числе поглощающие, слои, представлены в виде рекуррентных соотношений, имеющих единый инвариантный вид независимо от профиля распределения показателей преломления по слоям волновода, что существенно упрощает расчет дисперсионных характеристик.

2. Показано, что в многослойных волноводах на полупроводниковых подложках волноводные йоды в определенных интервалах толщин слоев могут становиться вытек'гадами. Найдено условие, позволяющее определять границы этих интервалов.

3. Разработана технология изготовления четырехслойных пленочных оптических волноводов с малыми потерями на основе структуры Бь/БШт Впервые методом реактивного высокочастотного распыления получены пленарные волноводные структуры на кремниевых подложках, обладающие потерями менее 0,5 дБ/сн на длине волны Х0= 633 нм.

4. На основе волноводной системы АЗ/ЭК^/Т^Ос^/БК^ впервые экспериментально реализован пленарный интегрально-оптический поляризатор, пропускающий моду ТЕ0 с коэффициентом затухания 2 дВ/сы и поглощающий моду ТМ0 с коэффициентом затухания более 1900 дБ/см при Х0= 633 ни.

5. Предложено, а такве теоретически и экспериментально показано, что на основе многослойного пленочного волновода на поглощающей полупроводниковой подложке с использованием искусственной отрицательной анизотропии слоистой среды можно создать эффективный интегрально-оптический поляризатор, пропускающий тио-волну и поглощающий ТЕ-волны. Впервые получена и экспериментально исследована тонкопленочная система «¿—31/13 периодов(Та205/3102)/А1203/воэдух, пропускающая ТЫ0-волну с коэффициентом затухания менее 3 дБ/см и поглощающая волны ТЕ поляризации с коэффициентом затухания более 300 дБ/см на длине волны 633 ни.

2

S. Предложен и экспериментально продемонстрирован эллип-сометрический метод определения коэффициентов затухания волно-водных мод в пленарных оптических волноводах с большими, порядка 1Q2 - Ю4 дБ/см, потерями. Получены простые расчетные формулы, связывающие коэффициенты затухания ыод с эллипсоыет-рическими параметрами.

Практическая ценность. Использование полученных в работе рекуррентных дисперсионных соотношений, затканных в единой инвариантном виде, в значительной степени упрощает процедуру численных расчетов дисперсионных характеристик различных многослойных систем.

Разработанная эллипсометрическая методика определения потерь волноводных мод с высоким коэффициентом затухания может быть использована для экспериментального определения поляризационных характеристик интегрально-оптических поляризаторов.

Разработанная в диссертационной работе волноводная методика определения оптических характеристик диэлектрических пленок на поглощающих свет полупроводниковых подложках позволяет с высокой точностью определять толщину и показатель преломления достаточно толстых (оптической толщиной несколько длин волн) пленок.

Предложенная в работе конструкция многослойного поляри-

оаЦЛишил L» ЦшлЫра па HUÍ лицаищсу; пилуириоидлилиоии иОДлитлс

с использованием искусственной отрицательной анизотропии многослойной слоистой среды позволяет создавать эффективные поляризационные фильтры, пропускающие моды TU поляризации и поглощающие ТЕ-волны.

..пробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 8, 9 и 10 конференциях молодых ученых Университета дружбы народов им. П.Луыумбн (Москва, 1985-198? гг.), на Всесоюзной школе-семинаре "Волоконная и интегральная оптика" (Киев, 19S8), межвузовской конференции "Вычислительная физика и математическое моделирование" (Волгоград, 1988), VIII региональной семинаре "Оптические и оптоэлектроннне методы и устройства обработки информации" (Краснодар, 1990), на I Всесоюзной конфе-

ренции по интегральной оптике (Ужгород,1991), на 2 Всесоюзной научно-технической конференции "Оптические сети связи"(Владимир, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержит /ОГ страниц машинописного текста, 7 таблиц, 36 рисунков. Список цитируемой литературы содержит наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность т^чы, сформулированы основные задачи, поставленные в работе, представлены основные результаты работы и приведены под. мения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена теоретическому исследованию многослойных пленарных оптических волноводов с поглощающими средами.

Рассмотрение начинается с анализа решения краевой электродинамической задачи для плоскослоистой одноосной анизотропной поглощающей среды. Получены точные дисперсионные уравнения, имеющие инвариантный вид и описывающие распространение поверхностных волноводных мод в многослойных планарных оптических волноводах, включающих анизотропные и поглощающие слои. Приведены рекуррентные соотношения, позволяющие определять распределение полей волноводных мод в поперечном сечении многослойного волновода, состоящего из одноосных анизотропных, в том числе и поглощающих, слоев, а также рассчитывать продольные и поперечные потоки мощности, переносимые модами вдоль слоев системы и в направлении, перпендикулярном границам слоев. Показано, что запись полученных уравнений и соотношений в виде рекуррентных формул, имеющих единый инвариантный вид, не зависящий от профиля распределения показателей преломления по слоям волновода и значений эффективного показателя преломления волноводных мод существенно упрощает процедуру численных расчетов дисперсионных характеристик многослойных волноводов. 4

Продемонстрирована возможность использования полученных инвариантных формул для расчета характеристик поверхностных волн, распространяющихся вдоль границы раздела двух сред, одна из которых является поглощающей, для расчета характеристик пла-нарных поляризационных фильтров на основе многослойных анизотропных волноводов на поглощающей подложке, а также для расчета дисперсионных характеристик многослойной системы связанных волноводов без потерь

В конце главы приводятся основные результаты исследований и выводы.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию интегрально-оптических поляризаторов на основе многослойных планарных оптических волноводов, включаыих металлические слои.

Приводятся результаты численного расчета дисперсионных характеристик трехслойного диэлектрического волновода на металлической подломе. На примере анализа пленарной волновод-ной системы А1/ БЮ^/ воздух показано, что на основе трехслойного металлизированного волновода можно создать поляризационный фильтр, пропускающий моду ТЕ0 и поглощающий ТН-моды, обладающий развязкой, не превышающей 20 дБ/см при \0= 633 нм, что не всегда удсчлетворяет требованиям практики.

Для увеличения эффективности планарного поляризатора на основе трехслойного волновода между металлом и волноводным слоем обычно вводится диэлектрический буферный слой с низким показателем преломления. Повышение эффективности достигается за счет обеспечения связи между ?М-модой волновода и плазменной волной, распространяг ;ейся вдоль границы раздела металл/ буферный слой и обладающей большими потерями. В работе показано, что если для создания интегрально-оптического поляризатора использовать пленки с сильно различающимися показателями преломления, то при соответствугчем выборе' толщин волноводно-го и буферного слоев можно обеспечить развязку моды ТЕ0 и ТМ-мод, превышающую величину 103 дБ/см. Приводятся результаты численного анализа поляризационных характеристик четы-рехслойнс" волноводной системы АХ/БЮ^/Та^/ЗЬО^ при X = 633 нм и различных значениях толщин волноводаого (Та,,0^> и буферного (ЗЮ2) слоев. Из расчетов следует, что развязка,

обеспечиваемая интегрально-оптическим поляризатором на основе такой волноводной системы может достигать величины 1900 дБ/см.

Для экспериментального опоеделения поляризационных характеристик поляризационных фильтров на основе волноводов, включавших поглс-щаЮцие среды, в работе предложено использовать эллипсометрию. В данной главе описана эллипсометричес-кая методика определения коэффициентов затухания волноводных мод в планарннх оптических волноводах с большими, порядка 102 - 104 дБ/см, потерями. Получены простые расчетные формулы, связывающие коэффициенты затухания мод с эллипсометри-ческими параметрами. Показано, что при использовании данного метода не требуется никакой дополнительной информации об исследуемой волноводной системе (например, знания толщин и показателей преломления слоев и т.п.), что упрощает процедуру определения волноводных потерь.

Далее в главе приводятся результаты экспериментальных исследований, показывающих, что ла основе четырехслойного пленочного металлизированного волновода можно создать эс£фек~ тивный пленарный оптический поляризационный фильтр, пропускающий волну ТЕ-поляриэации и поглощающий ТМ-волны . На основе ролноводной системы А1/ЗЮ2/Та205/ЗЮ2 реализован интегрально-оптический поляризатор, пропускающий моду ТЕ0 с коэффициентом затухания 2 дБ/см и поглощающий моду ТМ„ с коэффициентом затухания более 1300 дБ/см при \0= 633 нм. Потери мод ТЫ-поляризации в данной системе определялись при использовании разработанной в работе эллипсоыетрической методики.

В конце главы приводятся основные результаты исследований и выводы.

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию многослойных планирных оптических волноводов на кремниевых подложках.

В результате электродинамического анализа показрчо, что в трехслойной волноводной системе Бь/Э^/воздух моды пленки в определенном интервале толщин слоя двуокиси кремния могут становиться вытекающими, то есть амплитуда таких волн при удалении от волноводной системы экспоненциально возрастает. Получен критерий существования вытекающих мод, который гласит, что мода является вытекающей, если ее затухание при про-6

хождении пути, равного длине световой волны в кремнии больше затухания этой волны на длине волны моды э волноводе. Указан способ приближенного определения границ интервалов толщин слоев, при которых моды становятся вытекающими.С помощью численных расчетов установлено, что вытекающие моды данного типа могут существовать в четырехслойных волноводных системах . Бь/ЭОС^/легированный ЗЮ2/ЗЮ2, 31/3102/Та205/воэдух.

Далее в главе приводился описание волноводной методики определения оптических характеристик диэлектрических пленок на поглоща:.щих свет полупроводниковых подложках, которая позволяет с высокой точностью определяло толщину и показатель • преломления достаточно толстых (оптической толщиной несколько длин волн) пленок. Проведена оценка точности определения толщины и показателя преломления пленок двуокиси кремния на кремнии в диапазоне толщин пленок 1-3 мкм. Приводятся результаты экспериментального определения толщины и показателя преломления пленки ЗЮ2 на кремниевоГ подложке при Х0 = 633 нм. Точность определения показателя преломления пленки термического окисла толщиной 2,57 мкм составила 5«Ю-4, а точность определения толщины пленки - 5 нм.

Для создания оптических волноводов с малыми потерями ца кремниевых подложках в работе предложено использовать волно-водные пленки из двуокиси кремния. Разработана технология изготовления четырехслойных пленочных оптических волноводов из двуокиси кремния на кремнии. Методом реактивного высокочастотного распыления получены пленарные волноводные структуры из Б102 на кремниевых подложках, обладающие потерями менее 0,5 дБ/си на длине волны \0 = 633 нм. В ходе исследований установлено, что величина показателя преломления, и скорость роста пленок двуокиси кремния зависят от величины проводимости подложки и от состава распылительной смеси. Полученные пленки обладали положительной оптической анизотропией и пониженным по сравнению с плавленым кварцем показателем преломления.

Далее в главе теоретически и экспериментально исследуется предложенная в работе оригинальная конструкция эффективного интегрально-оптического поляризатора, пропускающего ТИ0-волну и поглощающего ТЕ-волнн. В качестве такого поляризатора в работе предложено использовать многослойную тонкопленочную

систему, включающую волноводный слой из А^Од, поглощающую полупроводниковую подложку из аморфного кремния и многослойный буферный слой, состоящий из периодически чередующихся диэлектрических изотропных пленок Тао0^ и В10о с достаточно сильно различающимися показателями преломления и обладающий искусственной оптической анизотропией отрицательного одноосного кристалла. Получена и экспериментально исследована тонкопленочная система ¿-Б¡,/13 периодов (Та^О^/ЗЮ^/А^Од/воз-дух, пропускающая ТЫ0~волну с коэффициентом затухания менее 3 дБ/см и поглощающая волны ТЕ поляризации с коэффициентом затухания более 300 дБ/см.

В конце главы приводятся основные результаты исследований и выводы.

В заключении сформулированы основные реэульт'ты и выводы диссертационной работы:

1. Получены точные дисперсионные уравнения многослойных пленарных волноводов, включающих изотропные или одноосные анизотропные диэлектрические, полупроводниковые или металлические, в том числе поглощающие, слои. Показано, что запись уравнений в виде рекуррентных соотношений, имеющих единый инвариантный вид независимо от профиля распределения показателей преломления по слоям волновода, существенно упрощает расчет дисперсионных характеристик.

2. Экспериментально показано, что на основе четыре..слой-ных пленочных металлизированных волноводов можно создать эффективные пленарные оптические поляризационные фильтры, пропускающие волну ТЕ-поляризации. На основе планарной волновод-ной системы А^З^/^О^/ЭЮ^ реализован интегрально-оптический поляризатор, пропускающий моду ТЕ0 с коэффициентом затухания 2 дБ/см и эффективно поглощающий моду тио с коэффициентом затухания более 1900 дБ/см при Я0= 633 нм.

3. Для определения потерь в планарных оптических волноводах с высокими кс 4Фициентами затухания волноводных мод впервые предложено использовать эллипсометрические измерения. Теоретически и экспериментально показано, что с помощью эл-липсометра ЛЭФ-зи предложенный метод позволяет определять коащшценты ;..-тухания волноводных мод, ленащие в пределах Ш^-Ю4 дБ/см на длине волны \0 = 633 ны. Получены простые

О

расчетные формулы, связывающие коэффициенты затухания мод с эллипсометрическими параметрами. С помощью предложенного метода в работе проведено экспериментальное исследование интегрально-оптических поляризационных фильтров, созданных на основе многослойных .тонкопленочных планарных оптических волноводов, включающих металлические и полупроводниковые слои.

4. Разработана волноводная методика определния оптических характеристик диэлектр: ческих пленок на поглощающих свет [юлупроводниковых подложках, которая позволяет с высокой точностью оьррчелять толщину и показатель преломления достаточно толстых (оптической толщиной несколько длин золк) пленом Триводятся результата экспериментального определения толщины -

λ"^/> »* Л Ч тТТ ГГ ГТПЛ 1ГЛ»| ПЛГТТГ ГГ ПЧЛИ Г/ГГ О; О ТГ^ ^ГЧ» I ТТТ» О ПЛ ТГ 1ТЛ»»"Л

нилаосислл 1филигал^ппл илслпи иЬ^ ла прстпнсоии

три Х0=633 нм. Точность определения показателя преломлен: ч тленки термического окисла толщиной 2,57 мкм составила 5'Ю-4, а точность определения толщины пленки - 5 нм.

5. Разработана технология изготовления четырехслойных меночнкл оптических волноводов с малыми потерями на основе структуры 31/3102. Впервые методом реактивгого высокочастотного распыления получены планарные волноводные структуры

кремниевых подложках, обладающие потерями менее 0,5 дБ/си 1а длине волны \0 = 633 нм. В ходе исследований устанс--1ено, что величина показателя преломления и скорость роста пенок двуокиси кремния зависят от величины проводимости под-южки и от состава распылительной снеси. Полученные пленки >бладали положительной оптической анизотропией и пониженным го сравнению с плавленым кварцем показателем преломления.

6. Теоретически и экспериментально показано, что на ос-юве многослойного пленочього волновода на поглощающей полу-[роводниковой подложке можно создать эффективный интегрально-щтический поляризатор, пропускающий ТМ0~волну и поглощаящий "Е-волны. В качестве такого поляризатора в работе предложено юпользовать многослойную систему, включающую волноводный :лой из А1203, подложу из аморфного кремния и многослойный • буферный слой, состоящий из периодически чередующихся изотопных пленок Та£05 и ЗЦ^ с достаточно сильно различающимися показателями преломления и обладающий искусственной опти-еской анизотропией отрицательного одноосного кристалла. По-

лучена и экспериментально исследована тонкопленочная система <¿-51/ 13 периодов (Ta205/Si02) /А1203/воздух, пропускающая ТМ0-волну с коэффициентом затухания менее 3 дБ/см и поглощающая волны ТЕ поляризации с коэффициентом затухания более 300 дБ/см.

Основные результаты диссертации содержатся в следующих работах:

1. Житков n.M. Метод расчета дисперсионных харакчзристик многослойных оптических волноводов// Материалы 8 конф. мол.ученых Ун-та дружбы народов: мат., фиэ., химия. Москва, 19-23 февраля 1985 г.-М.,1985.-4.3.-С.33-37.-Деп. в ВИНИТИ 29.05.85, N 3715-85ДЕП.

2. Житков П.М. Направляющие свойства диэлектрической п енки на поглощающей полупроводниковой подложке

// Материалы 8 конф. мол.ученых Ун-та дружбы народов: мат., фиэ.', химия. Москьа, 19-23 февраля 1905 г.-М., 1985.-413.-С.38-44.-Деп. в ВИНИТИ 29.05.85, N 3715-85ДЕП.

3. Житков П.М. Исследование дисперсионных характеристик многослойных металлодиэлектрических волноводов// Материалы 9 консЬ.мол.ученых Ун-та дружбы народов, 15-19 апреля 1986 г. М.,1986.-4.3.-С.32-37.-Деп. в ВИНИТИ

27.08.86, Н 6S50-B86.

4. Житков П.К. Определение оптических характеристик диэлектрических пленок на поглощающих подложках// Материалы Ю конф.мол.ученых Ун-та дружбы народов, 13-19 апреля 1987 Г.-М.,1987.-4.3.-С.32-99.-Деп. В ВИНИТИ

29.12.87, N 9153 В-Э7.

5. Житков n.M., Смаль A.C. Исследование волноводов с поглощающими слоями методом эллипсометрии//Материалы 10 конф. мол.ученых Ун-та дружбы народов, 13-19 апреля 1987 г.-

М.,1987.-4.1.-С.136-202.-Деп. В ВИНИТИ 29.12.87, N 9151 В-87.

6. Аникин В.И., Житков П.М. Метод расчета многослойных вол-новодных структур с поглощающими средами// Тезисы докладов меяшуз .юкой конференции "Вычислительная физика и математическое моделирование" 12-18 сентября 1988 г.-Волго-