Пассивные интегрально-оптические устройства на основе моннообменных волноводов в стекле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Г1 и V/«

2 О СЕН

РОССИЙСКАЯ А К А Д В В Я Я! Й А ..гг, институт оздгя зжйш '

,аа правах; руишаса 'иве '¡X

Нурлитареев Дхамиль ХвЯдвронп ПАССИВНЫЕ ИНГЕГРАЛЬШ-ШГИЧВСКИЗ УСтфЩЖбшт,

иотюошшш: волноводов в стаяла,

(01.04.21 - лазерная :

АВТОРШРАТ дессортация на соисканнв ученой отеиэш кандидата физкко-катвматичэскиг авук •

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в Институте общей физики РАН Научша рукояодитали: доктор физико-математичэсхих наук

В.А.Сычугов кандидат физико-математических паук н.и.лшзлт

Офщя&яьша оппонента: доктор ^ико-цатвиатиявских наук

Е.М.Зодотов . ,

кандидат фгатсо-математшзских паук В.Л.Кашщрев

Ведущая организация: Российский Университет друяби народов

г.Уосква

Занята состоится " Ц " ОКТЯБРЯ 1932г. в 15 часов на заседании Сновдализпровшяого Совэта К (ЮЗ.49.02 Института общей физики Российской АН по адресу: 117942, г.Москва, ул.Вавилова, д.ЗЗ.

С диссертацией могло ознакомиться з библиотека ИОВ РАН. Автореферат разослан " I " сс/^ГЯр^Р) 1993г.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Данная работа посвящена исследованию золноводных характеристик маломодовых ионнообменшх волноводов в стекле, а также пассивных Интегрально-оптических устройств на их основе. Устройства, ооздеваеыш методом ионного обмена через металлическую маску в - виде протяженных изогнутых каналов, включающих ответвления, допускают стыковку с оптическим волокном и наиболее перспективны с точки зрения их использования в волоконно-оптических линиям связи. Изучение процесса формирования малоходовых ноннообменных волноводов в стекле, создание фотошаблонов и масок наиболее важных интегрально-оптических устройств, исследование оптических характеристик этих устройств р зависимости от геометрии рисунка используемой маски и от условий изготовления составляет основное содержание данной работы.

Актуальность теш обусловлена, с одной стороны, необходимостью развития элементной базы интегрально-оптических устройств и разработки методов определения рабочих параметров этих элементов и устройств, с другой стороны, важностью создания новых надежных способов изготовления традиционных элементов и устройств интегральной оптика, таких как дифракционный элемент ввода/вывода излучения из планерных волноводов, канальный волновод,, поляризатор,. ответвители различных типов, датчики физических величии и т.д. в связи о увеличением плотности

интегрально-оптических цепей необходимость оптимизации методов создания .каждого отдельного элемента также является актуальной.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и совершенствовании методов создания пассивных . интегрально-оптических устройств,, имеющих в своей основе маломодовые ионнообменнйе волноводы в стекле, в установлении корвдляционшх зависимостей, оптических характеристик этих устройств от геометрии используемой маски и параме*ров процесса их изготов-лвния.

Научная новизна и практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

- обнаружено, что процесс формирования маломодових Ав*-волноводов является двухстадийным, найдены условия создания одаЗмодовнх . к£\-жтоводов, обладающих малыми потерями и'слабочувствительных к вариациям условий их изготовления,

- предложив и реализована' методика поиска оптим&пышх условий изготовления поляризационного фильтра мод.на основе, заглубленного канального Ав-волиовода в стекле„

- впервые построены дисперсионные характеристики л показ :а повышенная тер&отвяшя устойчивость (по сравнению с вналогвчнымл А^*-волноводами) Ав* К*-волноводов в стекла,

- впервые реализована методика создавая дифракционных фазовых ;

решеток малого торпеда с использованием калиевой ионной маски. •

■

На основе этой решетки реализовано устройство ввода/вывода нзлу-; чения в шикарны® -волновод.

.-создана лазерная литографическая установка с помощью которой изготовлены фотошаблоны и маска: несимметричного У-ответвителя, направленного отвотвитоля, интерферометра Маха-Цецдера, кольцевого интерферометра,

7 создан и исследован У-ответвотель на основа изогнутых- канальных К*-волноводов в стекло с коэффициентом деления сигнала в диапазоне от 0,8 до 50,

- создан и исследовал направленный ответвитель на основе изогнутых канальных К*-волноводов в стекле с эффективностью перекачки мощности оптического сигнала в диапазоне от 0,1 до 43%,

- показано, что направленный ответвитель на основе двухмодовых изогнутых канальных К+-волноводов в' стекле может работать в ка; частве селектора мод,

- показана перспективность использования одаомодовых пленарных К+-волноводов в стекле с ленгмвровской пленкой на поверхности для оптических датчиков физических величин.

Основные материалы, вклгкенше в диссертацию докладывались в обсуждались на семинарах в отделе колебаний ИОФРАН,

1. III Всесоюзной конференции "Проектирование радиоэлектронных ;устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" (Тбилиси, 1988"),

2. III Всесоюзной когфэренции "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС)" (Суздаль, 1989),

3. I Всесоюзной . конференции по интегральной оптика (Уигород, 1991), ......

4. Международной конференции по голографии, корзлляцгошой оптике и рагистрирувдим материалам, (Черновцы, Украина, 1993).

Публикации.

Основные полосе пня и результата диссертации опубликованы в 12 печатных работах перечисленных в конца реферата.

Структура к объем диссертации«

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 15Ястраницах, содержит 46рнсункоз и список литературы из 137 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель работы, ее научная новетна и практическая ценность, описана структура диссертации и кратко изложено ео содергаше*

В первой главе приведено подробное описание характеристик маломодовах Ав+-волнозодов, получаемых в стекле цатодом ионного обмена из 2% расплава А$ГО3 в КаШз. Прэдстазлапа получоикэ экспериментально дасперсионныэ характеристика, взоодьиа потеря я профзль показателя преломления волноводов прн различных временах изготовления. Для одаомодовых Аз*-вол2оводов обнаружены следувзне особенности: I. дисперсионные • характеристики имеет?

, - 7 -

:отчотдаво'■ рыраяяншй пологий участок, заключенный между точкам ' шрегиба :- (такая особенность характерна для дисперсионных ' характеристик составных двухслойных волноводов), 2. зависимость во личины -шосшла цотерь от вреиани изготовления ¿в -волноводов " "является нейоаотонной, для .нее характерно наличие двух 1 кзксявдшв и заключенного мэаду ваш участка низких потерь, щхфшь показателя предомланаА разбивается на участки о ' квадратичной и: линейной зависимостью показателя преломления от 'гдуОняы; волновода. Обнаружаннна особенности объясняются .; двухстаддйностью. процесса форгагрования малааодовых -. волаоЕодов в стекле.

, . / Дахэз в данной главе приводится описание построенной анали-■ дааокой 'кодэ'лн профиля показателя преломления заглубленного . планерного и канального волноводов, . для которых рассчитаны методом ефЕёктивнрго показателя преломления дисперсионные - характеристика н распределения полей мод при различных значениях структурных параметров аналитического модельного профиля. Показана щщвштсчъ данной модели для описания вкспершленталь-' но кьяучешш. вшкяшоотей от, времен отжига и заглубления в . расплаве КаН03 ■ величия эффективных показателей преломления мод ¿^-волноводов*. Для" .^-волноводов определены эффективные коаффициееты диффузии, характеризующие процессы формирования, отхЕта и заглубления волководного нро^шш. Показано, что вадачаны аффективных показателей преломления ТЕ и тм-мод одаомодрвого ааглубланцого -волновода определяются, главным

образом, величиной максимального приращения показателя преломления волноводного слоя, уменыпавдейся обратно пропорционально; времени заглубления, в случае пленарных волноводов и обратно, пропорционально квадрату времени заглубления, в случае канальных волноводов.

В конце главы приведены результаты измерений рабочих характеристик поляризационного фильтра мод на основе заглубленного канального Ац*-волновода с нанесенной на его поверхность металлической пленкой. Основной целью исследования являлось создание эффективной методики поиска оптимальных условий изготовления заглубленного канального -волновода для интегрально-оптического фильтра мод на его основе. Показано, что величина вносимых потерь для прбходящего ТЕ-поляризованного излучения в данном устройстве определяется временем . изготовления А£*-волновода (на стадии прямой диффузии), а величина коэффициента экстинкции - временем его заглубления в расплаве нитрата натрия.

Вторая глава посвящена исследованию волноводных характеристик ионнообменных Ад*К+-волноводов в стекле, получаемых методом двухстаднйного двойного ионного обмена. Приводятся дисперсионные характеристики -волноводов, получаемых в обычном натриевом стекле и Ад*К*-волноводов, изготавливаемых в стекле, предварительно обработанном в расплаве КШ3. Показано, что такая обработка позволяет в значительной мере увеличивать время формирования маломодовых волноводов в стекле и улучаать

воспроизводимость получаемых результатов. Величины эффективных Показателей', .преломления направляемых мод при этом аналогичны величинам аффективных показателей преломления мод обычных ¿а*-волноводов.

; Влияние откига на бэлйчшш эффективных показателей преломления мод маломодовых (с числом мод не более трех) Ад*К+-волноводов приводится в . сравнении с обычными А&* -волноводами. При. этом, для оценки структурных параметров профиля сравниваемьх волноводов (величин максимального приращения показателя • нрелошюния п глубины волноводного профиля) используется- гаусоова модель профиля показателя преломления планерного волновода. Показало, что величина эффективного коэффициента диффузии, характеризунщвго отшг маломодовых Ав*К*~ волноводов, . может быть, ш крайнэй мере, на порядок меньше аффективного коэффициента диффузии отшга маломодовых А^4 -волноводов. : . '

' .. .В / конце главы приводится описание вкспериментов по Изготовлению канального волновода и дифракционной решетки в стекле методом диффузии через ионную маску.

' ".. В третьей главе приведено описание конструкции и режимов экспонирования лазерной литографической установки, созданной для ЕЗготавлэяия рисунков фотошаблонов в вадэ изогнутых полос, вклю-часщнх ответвления; Основное коструктквное отличие разработаной • установки,'от предлагавшихся, ранее вариантов заключается в управ-.'дяемом \раздэльном. .перемеЕ>9ЕШ1 фахусирувдего лазерный пучок

микрообъектива и экспонируемой фотопластшш. Вращение фэтоплао-тикч, установленной в. держателе, осуществляется посредством управляемого блоком автоматики реверсивного двигателя о редуктором. Плавное обратимое перемещение микрообъектива в плоскости перпендикулярной оптической оси луча Не-Сй Лазера осуществляется посредством эксцентрикового механизма, в соответствии о заданной программой записи рисунка фотошаблона. Для случая записи рзсуисз в . виде изогнутой полосы (канала) показано, ч^о карана'канала, протравливаемого при стандартном способе проявления в алоэ фоторезиста, задается режимом экспонирования, закпчаицемся в выборе мощности лазерного излучения, скорости вращения фотопластины, размера сфокусированного пятна в плоскости фоторезиста , порога чувствительности фоторезиста. В результате проведенных исследований! найдены рекимн экспонирования, обеспечиващца устойчивую запись рисунков с качеством, удовлатворяЕдаа требованиям интегральной оптики. В конце глава праводенц микро-фэтографга участков реализованных фотошаблонов..

3 четвертой главе рассматриваются рабочие характеристика изготовленных методом ионного оагвяа а стекло через дата тичэс--кую каску, нватаютрячного Т-отвзтвятоля п. направленного ответвнтеля, гаюгашх в своей основе заглублению йзотаутие, канальные К*-волноводы в стекле. Целью проводимого нсслэдовепзя являлось создание интегрально-оптических элзшнтои . со$юс№маз:' с одноглодоЕгк оптическим волокном и осуц£^галящ:1Х':,язраз21с:*зрноа'-деление оптического сигнала. Для вдспкштрзчного Т-отаекителя

измерены зависнмости доли мощности излучения в ответвляемо!.! несимметричном канале от среднего угла ветвления ответвителя и от времена. заглубления образца в расплаве нитрата натрия. Показано-, что зависимости величины коэффициента деления сигнала от среднего, угла ветвления и времени заглубления являются монотонно спадающими в случае Т-ответвителя с одномодовой секцией расширения и имеют вид кваышериодаческих осцилляций для Y-Фтветвителя о двушодовой секцией расширения. При изменении среднего угла ветвления и времени заглубления, соответственно, в пределах 1,1-1,5° и 5-12час получены коэффициенты деления сигнала в диапазоне от 0,8 до 60.

Аля направленного ответвителя образованного одномодовыми и двухмодовЫми волноводами исог ковано распространение излучения в ответвителе при различных значениях расстояния мевду оптическими осями тувнельно связанных волноводов в зависимости от времени их заглубления. В случае ответвителя образованного одномодовыми волноводами при временах заглубления в диапазоне 4-14час и расстоянием- между каналами IQukm в области их туннельной связи получены аффбктивности перекачки мощности мевду каналами в диапазоне от нескольких процентов до 44Ж. В случае ответвителя, образованного двухмодовымп волноводами показана возможность селективное ререкачки мощности излучения между модами различных порядков.

В послодЕбм разделе данной главы представлены результаты исследований одаомодовых К+-волноводов с нанесенной на их

поверхность ленготровской пленкой., Для .получения' максимальной' чувствительности оптических характеристик ТВ. и ТМ-Мод вржювода; к параметрам наносши юоно- и муль^сдоев лешгссррвсгшх шшоя. опрйделена условия изготовления одаонодошх плаварнш: ,К*-еол-поводов в стекле/ при выполнении которых параметра волноводах ыод наиболее чувствительны к, состоянии • эго поверхности. Прямыми иэмеренияш величш эффективных показателей' прэлоьшшия а вносимых потерь ТЕ и ТЫ-мод показано, Что такие' волноводы чувствительны к изменениям параметров пашсшых'' ленгмвровских пленок и перспективна о точки зрения использования кх а качестве оптических датчиков физических величии» .

' В зстшяешти сформулированы основные результаты диссерта- . ционеой работы. ' ;

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ■ ,.

1. Обнаружена двухстадийность процесса Ag-Ш* йошого обмена в. стекле, приводящая к особенностям профит показателя преломления н дисперсионных характеристик малоыодовых Ag+-волноводов, характерных для двухслойных волноводов. Найдены условия изготовления одаомодовых Agf-волноводов, обестючив«гщиэ слабую завасшаость аффективного показателя преломления моды от глуониы волновод, ? -также малые вносимые потер. , ; •

2. Разработана методика поиска оптзмальпых условий изготовления . интегрально-оптического поляризационногофильтра мод на основе ," '

¡заглубленного канального А&*-волновода в стекла. Установлено,, что величина вносимых потерь определяется временем прямой диффу-; аян (на стодан изготовления Ав*-волновода), .а величина коэффици-' еета экстешэдк - врэшнеы заглубления. Разработанная методика • позволяет определять оптимальные условия изготовления интегрально-оптического поляризатора.

3. Реашзоаава дашология получения а£-К*-волноводов методом двойного катасго ойиэна в стекле, Впервые экспериментально полу-чош даспэреяюшщэ • характеристике шшпарных Д^К*-волноводов. Иоавояазано влияние отжвга на Баштану аффективного показателя

- проломлензя шлокодовнх А^К'-еогиоводов (с числом мод-нэ Солоэ трех). Показано, что маломодошэ Ан*К+ -волноводы, изготовленные методом Двойного .ионного абкека в стекле, обладают повышенной

.: термической устойчивостью (по срашеш® с аналогичны!.® А^ -•волайводаш).*

- 4. Изготовлэен дифракционные фазовые решетки в стекле методом ионного обдала с использованием калиевой ионной маски. Реализовано устройство ввода/вывода излучения в пленарный -волновод

' на основе этих рзшэток. Б. Создала лазерная литографическая установка для иитегрально-оптичооких щшокениа. Изготовлены фотошаблоны и маски одаомодо-шх штегралыш-оптичесжих устройств: восшиэтричного У-отватвл-теля, Направленного ответни?оля, интерферометра Уаха-Цзндера, кольцевого иггврферомотра.

6. На основе изогнутых канальных К*-волноводов е стекле созданы

несимметричный Y-отвэтвитель с коэффициентом деления тгспсога оптического сигнала в диапазона от 0,8 до 50 п вгазравлоЕкнй/ов-вэтвитель о эффективностью шреначкп шцяоста кззгду квнаиш -н диапазоне от 0,1% до 44%. / '

7„ ИЭучен процесс распространения света в напревлашсм. ответви- ? тела 8 образованном двухмодовкми изогнутыми кацальшаи К*-вояго-вэдами. Показана вэзмокность использования данного устройства в качестве селектора мод.

8. Определена условия изготовления одаомодових пяакерннх К*-волноводов в стекле, при выполнении которых пяроыэтры волговодеой-тда наиболее чувствительны к лангшзровской пяешсв, покрнвагщзй волновод. Показана перспективность использования тглста волшво- > дов для оптических датчиков физических вэлпчйи.

Осеоеекэ результата диссертации опублшкоааш в сяэдутва .; работах:

I. ЛВДеш И.й.» НУрлигараов Д.Х. „ Оиугов ВЛ.0 Чщвш>\:

A.B.» Ис&яэйовэяш одаошдоЕИ аознообкеши Ад'-гетаоведаз а . стекле, Квантовая алвктрояЕка, 1992, т.19, ¡3.4,. Oo3S5-3S?

2о Локтев С.И., Лшдан H.H.о НурязгЁрэзв Д.Х.» Сэтугоз-

B.А.» Тещонко A.B.,.Заглубленные канальные татовода в фяяир^х -ТЕ-мод а=0е8&да|), ЖГФ, 1992, т.62, в.12, C.I5S-I58.

3. НурлЕгареэз Д.Х., Сычугов В.А., Создание волноводах, дифракционных (разовых решеток а стеш® иетодом даффуаш aoTSiyo маску, Краткие сообщения по физике,, 1992, в.12, с.43-45.Vi

4. Лындан Н.М., Нурлигареев Д„Х., Сычугов В.А. t Малоходовые

«оннообменные волновода в стекав, Щ»приит ЮЗ® РАН, 1993, НИ, его.

Б. Иванов C.B., Хитш H.H., Нуруигареев Д.1., Методика ивготовления полосковых световодов с от ид потерями, труда Воео. научн.-техн. коиф. "Проектирование радшжюктроншх уст-potcTB на дамектрических воаюводвх ж резонаторах*, 25-27 окт. 1988,ТбШИСН, 0.366.

6. Ив. job C.B./ Нурлигвреев Д.I., Черта В.В., Технология Внтегрально-оптиЧаского датчика показателя преломления, труда III Воео. кои®. "Математичь jcoe моделяроваяе « САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегрельаих схемах (0И0)", 3-7 , <шр. 1989, Суздаль, с. 178.

Y 7. Лмндин Н.М., Нурлигараев Д.Х., Тщэнко A.B., Исследование каоомодоннх ноннообменных -водаоводов" в стекле, труда I Всес.конф. со интегральной оптике, 15-19охтЛ991, Ужгород, 'с.34.

8. Лындин H.U. о Нурлнгарвев Д.Х., Сычугов В.А., насшмет-ричпий Y-отввтвнтель на- основе изогнутых канальных К*-волноводов В стекле. Квантовая электроника^, I99Q, т.20, в.1. c,?i¿75.

9. Беловолова Л.Б.-, НурляГарэев д.х.0 Савранский В.В., ■ Сычугов В.А., Дубровский Т.Е., Лентировские пленки на плаяарных

оптачвсвдх волноводах. Поверхность, 1993,

- 10. Алдан H.U.p Нурлигареев Д.I., Сычугов В.А., Лазерная литографическая установка для нрецизновиого изготовления фотошаблонов и масок интегрально-оптических устройств. Оптический цгрвал^ I99G, N1, с.48-51.

11. Лывдин'Н.М., Бурлигареев Д.Х.-, Сычугов В.А.„ Направлен- . ныв ответвитель на основе изогнутых канальных К4-волноводов в стекле, Препринт ИОФ РАН, 1993, N24, 17с.

12. Нурлигареев Д.Х., Сычугов В.А., Создание дифракционных решеток в стекле методом диффузии через ионную маску, материалы Международной конф.- по голографии, корэлляциоиной оптике и рагй-

' ■ г.

стрирукщим материалам, 10-14 мая 1993, Черновцы, Украина.