Планарные оптические трехслойные волноводные структуры с потерями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Савельев, Сергей Петрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Савельев Сергей Петрович
ПЛАНАРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ТРЕХСЛОЙНЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ СТРУКТУРЫ С ПОТЕРЯМИ
Специальность: 01.04.03 Радиофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва—2005
Работа выполнена на кафедре радиоприемных устройств Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»
Научные руководители: доктор технических наук, профессор Мировицкий Дмитрий Иванович
i 1
доктор технических наук, профессор Парамонов Алексей Анатольевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Засовин Эдуард Анатольевич; доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Ковтонюк Николай Филиппович.
Ведущая организация: Российский университет дружбы народов
Защита состоится 23 декабря 2005 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА) по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА. Автореферат разослан «_» ноября 2005 г.
Ученый секретарь диссертационного совета J> Куликов Г. В.
¿666 ¿66{<T
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Применение оптики в радиоэлектронике, а также дальнейшее развитие оптического приборостроения требуют микроминиатюризации и интеграции оптических элементов, устройств, схем. С развитием интегральной оптики, использующей двумерные световые пучки, распространяющиеся в виде поверхностных волн в волноводных системах, возникла новая оптическая схемотехника Оптические и опто-электронные устройства объединяются на общей подложке и изготавливаться одновременно в едином технологическом процессе из одинаковых или взаимно совместимых материалов. При этом исследования планарных оптических элементов и устройств выявили ряд специфических требований к материалам и технологии, которые в большинстве случаев намного выше аналогичных требований в микроэлектронике и оптике тонкопленочных покрытий. Интеграция электронных устройств обработки информации с волноводными структурами также выдвигает ряд требований к применяемым материалам и технологии, особенно к принципам построения и качеству изоляции между поглощающими и прозрачными слоями, а также к принципам сопряжения конечных (или промежуточных) оптических и приемных электронных структур. Одним из перспективных материалов, удовлетворяющих таким требованиям в качестве материала подложки, является кремний. Его использование позволит последовательно осуществить процесс микроминиатюризации и интеграции функциональных устройств обработки больших массивов информации в едином микрооптоэлектронном пространстве.
В обзоре [1] подробно рассмотрены вопросы применения и техно-лошческие пути синтеза с заданными свойствами пленок оксидов и их соединений на непоглощающих подложках и кремнии при реализации различных планарных оптических устройств. Наиболее полное теоретическое исследование распространения волн в открытых волноводах, имеющее непосредственное отношение к теме диссертации, было проведено В.В.Шевченко (ИРЭ РАН, г Москва) в работах 1969—2004 гг. Многослойные структуры на кремнии с металлическими слоями описаны у П.М.Житкова (1992 г.), Н. Ф. Ковтонюка (1987—2000 г.г.), Засо-вина Э. А. (1999—2001 г.г.). 4-слойная структура с излучением из вол-повода через буферный слой при малых значениях затухания волны вдоль направления распространения рассмотрена в работе Л. Н. Дерюгина, А. Н. Марчука, В. Е. Сотина (1970 г.) В. А. Клименко (1986 г.) описал структуру с поглощением в волноводном слое. Были изготовлены и опробованы структуры с сопряжением волновода с фотодиодом «в стык» (D. В. Ostrowsky. 1973 г) и с плавным скосом буферного слоя (J. Т. Boyd с сотр., 1977—1985 г.г.). В работе (J.T.Boyd, 1981 г.) продемонстрировано применение интегрально-оптических кремниевых фотодиодов для изме-
рения рассеяния волноводной волны в плоскости волновода. Проведено исследование спектрально-селективного интегрально-оптического фотоприемника на СаА1Ак (М. Б Иванов с сотр., 1980 г.)
Тем не менее, за пределами рассмотрения осталось описание распространения затухающих волн в 3-слойных планарных структурах с потерями в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя, а также применение таких структур в виде конкретных устройств в экспериментах по измерению спектральных характеристик волновод-ных слоев и поглощающих элементов интегрально-оптических (и-о) схем Отсутствовало также сравнительное физическое описание встроенных в и-о схемы фотоприемных элементов с резким и плавным переходами (скосами) буферного слоя к фоточувствительной площадке (ФЧП). Диссертация позволяет заполнить этот пробел. В ней представлены новые факты, поддающиеся экспериментальной проверке, обозначены пути применения полученных результатов в задачах, связанных с измерением и расчетом параметров и характеристик и-о элементов и схем. а также при построении различного рода устройств, работа которых может быть описана в рамках проведенного рассмотрения 3-слойных волноводных структур с потерями.
В представленной работе под потерями понимается убывание мощности (затухание) волноводной волны в пленке вдоль направления распространения В рассматриваемой структуре оно обязано поглощению волны в материале подложки и положительной разности между действительной частью показателя преломления подложки и пленки. При правильном выборе геометрических и онтико-физических параметров сред рассматриваемой структуры волна не теряется безвозвратно, а может быть использована для других целей (например, выводится из пленочного волновода, как это происходит при призменном выводе излучения, преобразуется в другие виды, как это происходит при генерации фототока в структурах с р — га-переходами). Неправильный выбор параметров 3-слойной структуры переводит такие потери в разряд безвозвратных (зазор между началом р — п-перехода и местом ввода излучения в 3-слойную структуру, полное внутреннее отражение от 3-слойной структуры и т.п.).
Целью диссертационной работы является выявление основных закономерных особенностей распространения волн в 3-слойных планарных структурах с потерями (поперечных резонансов) в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя и приложение полученных результатов к описанию свойств и измерению параметров и характеристик элементов и-о схем: планарного фотодиода и планарного волновода.
Основные задачи исследования: описание распространения во 1111
вдоль 3-слойной планарной структуры с потерями, изготовление и исследование 3-слойного планарного и-о элемента — пленарного фотодиода — и применение полученных результатов в эксперименте по измерению спектральных характеристик и параметров элементов и-о схемы.
Метод исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием математического аппарата теории распространения волн в планарных структурах (метод сшивания полей на плоских границах раздела сред). Условиями, в рамках которых получены результаты исследования, являются наличие 3-слойной планарной волноводной структуры с потерями, обусловленными тем, что материал подложки имеет действительную частью показателя преломления большую, чем действительная часть показателя преломления несущего слоя, а также наличием небольшой но сравнению с действительной мнимой части показателя преломления подложки (в данном случае —Si). Математические расчеты и построение графиков выполнены в среде Mathcad 2001i Professional. Структуры образцов исследовались с применением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и микрофотометрии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) для 3-слойной волноводной среды с потерями (щ < ппленкк < ^М^подложки), ^подложки — комплексный) существуют диапазоны различного поведения нормализованных постоянных распространения у бегущей с затуханием по пленочному волноводу волны в зависимости от знаг чения показателя преломления пленки;
2) границы этих диапазонов определяются показателями преломления окружающих пленку слоев;
3) возрастание или убывание полей мод в подложке характеризуется соотношением мнимых и действительных частей показателей преломления подложки и нормализованных постоянных распространения мод;
4) минимальная длина 3-слойной фотоприемной структуры в направлении распространения волны, в основе которой лежит 3-слойная среда с потерями, определяется мнимой частью нормализованной постоянной распространения моды;
5) объединение на единой подложке волноводной структуры и 3-слойной структуры с потерями в виде и-о фотодиода, в отличие от структур с призменным выводом излучения из волновода, позволяет проводить спектральные измерения параметров и характеристик этих структур в экспериментах со слабыми некогерентными источниками излучения сплошного спектра (лампами накаливания).
Достоверность результатов подтверждается непротиворечивостью выводов, полученных в результате исследований, а также согласованностью их с известными из научной литературы фактами Результаты
измерения спектральных характеристик и-о фотодетекторов в объемном варианте сравнивались с независимыми измерениями, проведенными в НПО «Геофизика» (г.Москва) и на заводе «Кварц» (г Черновцы). Измерения с некогерентным источником излучения дублировались измерениями на длине волны Не-№ лазера.
Научная новизна. Проведенные исследования дали следующие новые результаты:
1) Численное решение комплексного дисперсионного уравнения в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя, являющегося следствием решения электродинамической задачи на распространение световой волны в трехслойной структуре с потерями методом сшивания полей на плоских границах раздела сред, выявило наличие нескольких диапазонов различного поведения нормализованных постоянных распространения волн в зависимости от изменения показателя преломления несущего слоя.
2) Сформулированы Сформулированы условия наличия или отсутствия отсечки для волн Н(ТЕ) и Е{ТМ)-типов, определяющие границы диапазонов изменения показателя преломления несущего слоя, в ко-юрых параметрические кривые зависимости решений дисперсионного уравнения 3-слойной среды с потерями от толщины пленки имеют различное поведение: описаны три диапазона и две пограничные точки для Н-воля и четыре диапазона и одна пограничная точка для Е-волн.
3) Впервые получены аналитические выражения для определения толщин и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и приведено их графическое представление.
4) Впервые показано, что в зависимости от значения толщины пленки поля составляющих Еу (Ну) в направлении поперечной координаты в подложке могут как убывать, так и возрастать. Это определяется соотношением мнимых частей нормализованной постоянной распространения и показателя преломления подложки.
5) Проведенный анализ трехслойной структуры с потерями был непосредственно применен к описанию распространения волны на фоточувствительной площадке и-о фотодетектора. Для этих целей были изготовлены образцы фотоприемных структур с резким и плавным переходами буферного слоя к ФЧП на подложках из кремния. Приведены результаты измерений оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с привлечением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и микрофотометрии с использованием полистиролового волновода Показано, что структура с плавным скосом буферного слоя к ФЧП по сравнению с резким работает более эффективно.
6) Предложены способы улучшения характеристик фотодиодных
структур, сопряженных с волноводом. Даны рекомендации по улучшению работы фотодиода с резким скосом буферного слоя, делающей ее сравнимой по эффективности с работой фотодиода с плавным скосом.
7) Создана и применена для исследовательских целей экспериментальная многофункциональная установка для определения основных параметров и характеристик планарных волноводных структур, сопряженных с фотодетекторами, при работе с когерентным и некогерентным источниками излучения (лазером и лампой накаливания) в широком спектральном диапазоне.
8) Предложена методика и с помощью и-о фотодетектора экспериментально измерена дисперсия 3-слойной волноводной структуры и материала несущего слоя в широком спектральном диапазоне с учетом спектральных свойств самого сопряженного с волноводом фотодетектора.
Практическая значимость работы.
По результатам исследований получено 6 авторских свидетельств.
1) Результаты проведенных исследований, а также полученные аналитические выражения и построенные на их основе графики, использованы в проектировании и-о узлов и схем для их оптимизации, выбора параметров 3-слойных структур с потерями, а также при обосновании и разработке требований к новым устройствам и технологическим процессам изготовления и контроля планарных элементов этих схем.
2) В ходе исследований были намечены пути реализации фотоприемных устройств с улучшенными характеристиками, а полученные сведения об отсечках мод могут быть применены по предложенным методикам для определения количества мод многомодовых планарных волноводных структур при фиксированной длине волны или в выбранном спектральном диапазоне.
3) Проведенный анализ трехслойной структуры с потерями был непосредственно применен к описанию распространения волн на фоточувствительной площадке интегрально-оптического фотодетектора С помощью изготовленных образцов фотоприемных структур с резким и плавным переходами буферного слоя к ФЧП на подложках из кремния определены основные методы измерения оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с полистироловым волноводом с привлечением электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и микрофотометрии.
4) Предложенные способы улучшения характеристик фотодиодных структур, сопряженных с волноводом, зафиксированы в 6 авторских свидетельствах на изобретения, а также даны рекомендации по улучшению работы фотодиода с резким скосом буферного слоя.
Внедрение результатов работы.
1) Положения, разработки и научно-технические рекомендации диссертации использованы в ФГУП «НПО «Оптика» при формировании требований к современным технологическим процессам изготовления планарных структур для целей интегральной оптики, при определении перспективных направлений разработки технологического и измерительного оборудования для интегрально-оптических систем и устройств, а также при разработке иланарного акусто-оптического модулятора и и-о дальномера (акт о внедрении).
2) Положения, разработки и научно-технические рекомендации диссертации использованы в ОАО «Альтаир» (акт о внедрении).
3) Материалы диссертации используются в учебном процессе по специальностям «Радиофизика и электроника», «Радиотехника» и «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», а также в дипломном проектировании (акт о внедрении).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в ряде научно-технических семинаров и конференций. Среди них:
— Конференция «Физика диэлектриков», Баку, декабрь 1982 г.
— Всесоюзная конференция «Волоконно-оптические системы для передачи информации и измерений», Севастополь, июль 1991 г.;
— ХЫП Научно-техническая конференция МИРЭА. Москва, май 1994 г
— XXXIX Всероссийская научно-техническая конференция по проблемам математики, информатики, физики, химии и методики преподавания естественно-научных дисциплин. РУДН, Москва, 21—22 апреля 2003 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, из которых 6 - авторские свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка литературы, включающего 99 наименований. Общий объем диссертации составляет 134 страницы машинописного текста, 39 рисунков, 3 таблицы
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуалыгость темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна, практическая значимость, определены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена теоретическому исследованию поведения распространяющихся волн в 3-слойных структурах с затуханием вы званном наличием сильной связи волноводной системы с внешней (рр-
дой в виде подложки с действительной частью показателя преломления большей, чем у волноводного слоя (рис. 1).
Между волноводом и подложкой слои отсутствуют. Для конкретизации результатов в качестве подложки был выбран кремний. Комплексное дисперсионное уравнение для 3-слойной системы воздух(пх)—пленка^)— подложка(п4), записывается в виде:
Ы ' Ы = агё(г24) + агё(г21)-211е(М/г + 2тл = 0, (1)
где: г,д имеют вид комплексных коэффициентов отражения волн от плоских границ раздела сред и зависят от поперечных составляющих волновых векторов кХ1 в этих средах, нижние индексы г,] = 1,2,4 обозначают номера сред, Н — толщина пленки, номер моды тп — О, 1, 2, ... Решения дисперсионного уравнения при заданных значениях п} и длины волны X представляют собой дискретный набор параметрических кривых ут(Н) = у(/г, т). Двигаясь по кривой решений ут(Л) при фиксированном тп в сторону уменьшения или увеличения параметра к, можно достичь такой точки, чх о бесконечно малое его приращение приводит к потере решения дисперсионного уравнения. Такие пограничные точки, не принадлежащие множеству решений, назовем точками отсечки.
Рис. 1. Планарная 3-слойная структура
'»отс Я =
(2т + 1) ■ к
7отс Н =
Пл - Пл— По
\
(щ-п1 )-(п1~п\) '
(2)
п1+п4
Тотс2В :
2 2 ' Щ + Пл
(3)
(2т + 1) • я 2к0\/щ-у11с3
X =
Уотс 3 Е
(4)
[п\ п\ - п\) х2 + [К + п1) "2 - 2 щ щ ] X + Щ щ (п\ щ — щ) — О
(5)
Численные расчеты показали, что отсечка мод наступает при действительных значениях уД(^), т. е при Ьп(ут(/г)) • Ко(ут(Д)) = 0 Другим результатом явилось слабое влияние на значения решений мнимой части показателя преломления кремния. Во многих случаях ей можно было пренебречь. Используя эти условия, были получены аналитические выражения для величин ут{Ь) в точках отсечки, представленные формулами (2) для Я-волн и (3)—(5) для Е-ъотг.
Эти же формулы определяют диапазоны наличия или отсутствия отсечки. Для .Е-волн существует два типа отсечек, обозначенные как
Рис. 3. Зависимости уотс (712) и Ьтс (пг) (первые 5 мод £7-волн, усл. 2Е)
2Е и ЗЕ, и связанные с различными условиями действительности величин гц, входящих в комплексное дисперсионное уравнение. Для отсечки типа ЗЕ, чтобы найти значения Уотс зе ■, необходимо решить уравнение 2-й степени для х (5) или 4-й для УотсЗЕ- Графики зависимостей hou (п2) и Yotc (п'г) приведены на рис. 2—4.
Исходя из полученных численных результатов, аналитически опре-де гяются границы диапазонов различного поведения нормализованных постоянных распространения мод, связанных с наличием точек отсечки. Формулируются условия наличия или отсутствия отсечки для волн различных поляризаций в зависимости от показателя преломления пленки в большом интервале его значений. Приводятся аналитические выражения для определения толщин и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и даются их графические представления.
Рис. 4. Зависимости уотг (пг) и /готс (пг) (первые 5 мод Е-волн, усл. ЗЕ)
Приводятся полученные аналитические выражения и результаты численного расчета в графическом виде (рис. 5), показывающие, что поле в подложке вдоль поперечной координаты в зависимости от соотношения мнимых частей нормализованной постоянной распространения и показателя преломления подложки может как убывать, так и возрастать. Это Рис. Б. Диапазоны возрастания и подтверждается видами полей мод убывания поля составляющей Еу в Еу (Щ) и Ну (Ео) для пг = 1,578 подложке для моды Н0 (щ = 1,578) и разных толщин пленки (рис. 6).
Результаты численного расчета комплексного дисперсионного уравнения приводятся в виде графиков зависимостей мнимой и действительной частей нормализованных постоянных распространения мод от толщины пленки практически во всех диапазонах изменения щ. Показывается, что волны при приближении к точкам отсечки могут либо вытягиваться в среду I с увеличением пробега вдоль направления распространения, либо колебаться между 1рани-цами сред (как это бывает при падении плоской волны перпендикуляр-
но 1раницс раздела сред) с увеличением затухания вдоль направления
Рис. 6. Вид поля составляющей Еу моды Я0 (п2 = 1,578) в зависимости от поперечной координаты х для толщин пленки: 0.162 мкм (в пике |1т(у)|) и 0,122 мкм (вблизи точки отсечки)
распространения, либо (в диапазонах отсутствия отсечки) волна имеет бесконечно большие значения действительной и мнимой частей нормализованных постоянных распространения мод при уменьшении толщины пленки, однако, в результате опережающего роста мнимой части, так же. как и в предыдущем случае, начинает колебаться между границами сред с бесконечно большим затуханием в направлении распространения что эквивалентно расплыванию пучка плоских волн, составляюще! о рассматриваемую волну, по всему пространству и прекращению ее распространения. При возбуждении волны из волноводной системы, коэффициент отражения от структуры с такой волной стремится к единице.
Даются рекомендации для определения количества мод в 3-слойной структуре при наличии отсечки для заданных толщины пленки, рабочей или граничной (в случае работы в широком спектральном диапазоне) длине волны и показателей преломления сред.
Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию и-о фотоприемных структур на кремниевых подложках.
В начале главы приводятся схемы построения фотодетекторов на разнообразных типах подложек и приводится их сравнение с ФД на кремнии. Даются сведения об основных параметрах фотоприемных структур и особенностях их использования в рамках конкретных реализаций. Обосновается выбор кремния в качестве подложки для экспериментов с фотоириемными структурами. Описываются особенности сопряжения волноводных участков с интегрированными в единую подложку фотодетекторами Приводятся сведения об особенностях изготовления и пара-
метрах буферных слоев SiCb
Рис 7. Структуры с резким и плавным переходом (скосом) буферного слоя к области фотодетектирования
Рис. 8. Экспериментальная многофункциональная установка для измерения ошико-физических параметров и характеристик планарных волио-иодных структур. I — блок выделения и формирования светового пучка; II — блок формирования и выделения пучка заданной поляризации; III — блок юстировки образца относительно входного пучка: IV — измерительный блок В состав блоков могут входить лазер ЛГ, яампа накаливания или спектральная лампа ЛН, конденсор К. монохроматор MX, микрообъектив, диафрагмы Д1, Д2, линзы Л1, Л2, ЛЗ, поляризаторы П1, П2, ПЗ, механический модулятор М, четвертьволновая пластинка для лазерного света, образец О, гониометр СГ с автоколлиматором АК и фотоприемное устройство ФПУ
В качестве объектов для исследования изготавливаются и описываются два типа фотоириемных структур: с резким и плавным скосами буферного слоя к ФЧП (рис 7) В структуре с резким скосом присутствует та кже скос по толщине волноводного слоя Приводятся результаты измерений оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных
структур с привлечением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и фотометрии с использованием полистиролового волновода. Приводятся электрические параметры фотодиодов.
Проведенный в первой главе анализ трехслойной структуры с потерями применяется к описанию распространения волн вдоль фоточувствительной площадки Обсуждается вопрос о потерях в той и друюй структурах с привлечением понятия длины пробега мод по ФЧП для 3-слойной и 4-слойной структур. Рассмотрено прохождение волны через переходный участок, приводятся расчетные кривые затухания волны по мощности Показано, что структура с плавным скосом буферного слоя к ФЧП по сравнению с резким работает более эффективно.
Предлагаются способы улучшения характеристик фотоприемных структур, сопряженных с волноводом. В частности, заполнение пространства над ФЧП слоем 8Юг (при наличии плавного скоса по толщине волновода перед ФЧП) делает работу образца с резким скосом сравнимой но эффективности с работой образца с плавным скосом буферного слоя.
Третья глава посвящена применению и-о фотодетекторов для Рис. 9. Экспериментальные кривые экспериментальною исследования зависимости у, п2, п3 для разных характеристик и параметров и-о мод от длины волны X в системе структур; в частности, для измере-слоев воздух (щ)- волновод (п2) - ния спектральных характеристик ЭЮг (пз) (щ < пз < Пг) волноводного слоя и спектральных
характеристик самого фотодетектора, работающего совместно с волноводом. Проведение сложного эксперимента по измерению спектральных характеристик планарных фотодиодов с резким и плавным скосом буферного слоя к ФЧП позволило, во-первых, более аргументированно утверждать, что плавный скос, как переходный участок, работает лучше резкого со скосом по толщине волновода, во-вторых, впервые продемонстрировать преимущества встроенных в и-о схему фотоприемпиков. связанные со значительным увеличением чувствительности всей схемы по сравнению со схемой, где приемники, расположенны за системой вывода (призмой или решеткой), для регистрации слабых потоков от некогерентных источников излучения (ламп накаливания). В-третьих, использовать результаты предыдущих глав для объяснения особенностей поведения
экспериментальных кривых, снятых для иланарных ФП, сопряженных с волноводом Для осуществления измерений создана экспериментальная многофункциональная установка (рис.8), позволяющая с достаточной для практики точностью измерять фотоэлектрические, оптико-физические, геометрические и другие параметры входящих в измеряемый образец или обрамляющих его элементов. В экспериментах с волновод-ными структурами вместо выводной призмы использовался и. о. фотоприемник. Монохроматор был синхронизирован по отсчетам длин волн с самопишущим потенциометром.
Экспериментально измерены зависимости нормализованных постоянных распространения и показателя преломления пленки от длины волны (рис.9). Описывается оригинальная методика измерения характеристик. Полученные результаты были применены в построении спектральных зависимостей мнимой и действительной частей нормализованных постоянных распространения и длин пробега волн по ФЧП от длины волны.
Экспериментально измерены спектральные характеристики самого фотодиода при совместной работе его с волноводом и при внешней засветке (так называемый «объемный» вариант). Результаты отображены в виде графиков (рис. 10). Графики демонстрируют также более эффек-
Рис. 10. Относительные спектральные характеристики образцов ФД1 с резким и ФД2 с плавным скосами буферного слоя к ФЧП. 1 ~So6", 2, 6, 9 —SH0: 3, 7, 10 — Seo', 4, 8 — SHi; 5 SE1. 2 5 — соответствуют толщине волновода h = 1045 нм для ФД1 и 790 нм для ФД 2 (о) 6 -8 — h = 800 нм (•), 9-10 - Л « 730 нм (д)
тивную работу фотодиода с плавным переходом буферного слоя к ФЧП Обсуждается возможность изменения спектральных характеристик системы волновод-фотоприемник путем смещения максимума отклика ФП в сторону меньших длин волн с уменьшением значений нормализованных постоянных распространения, например, с ростом номера моды, перехо-
s
ю
S
10
О!
О
дом с Н- на ¿'-поляризацию, уменьшением толщины волновода, увеличением длины пробега волны по ФЧП с утолщением остаточного слоя БЮг на ней и т. д.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе'
1) В результате исследования численных решений дисперсионного уравнения для 3-слойной среды с плоскими границами при наличии потерь на поглощение и распространение в подложку из кремния в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя впервые получены аналитические выражения для определения границ диапазонов различного поведения комплексных нормализованных постоянных распространения волн в зависимости от толщины пленки Произведенные расчеты представлены в виде графиков, отображающих поведение у(1г) в разных диапазонах изменения показателя преломления несущего слоя Выявлены связанные с наличием отсечек три диапазона и две пограничные точки для Н-волн и четыре диапазона и одна пограничная точка для .Е-волн. Полученные сведения непосредственно применены для определения количества мод в волноводных многомодовых структурах по предложенным методикам и при выборе и оптимизации параметров волноводных и фотоприемных структур.
2) Впервые показано, что в зависимости от значения толщины пленки поля составляющих Еу (Ну) в направлении поперечной координаты в подложке могут как убывать, так и возрастать. Это определяется соотношением мнимых частей нормализованной постоянной распространения и показателя преломления подложки
3) В результате измерений оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с привлечением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и фотометрии с использованием полистиролового волновода, а также с помощью численных расчетов, проведен сравнительный анализ двух структур и-о фотодиодов. Показано, что структура с плавным скосом буферного слоя к ФЧП но сравнению с резким работает более эффективно. Проведенный анализ позволил предложить способы улучшения характеристик фотодиодных структур, сопряженных с волноводом. Результаты представлены в 6 авторских свидетельствах на изобретения
4) Создана экспериментальная многофункциональная установка для определения основных параметров и характеристик планарных волноводных структур, сопряженных с фотодиодами, позволяющая в широком спектральном диапазоне и с достаточной для практики точностью проводить эксперименты с такими интегрально-оптическими структурами.
5) Экспериментально продемонстрирована эффективная работа фо-
тодиода с некогерентннм источником излучения (лампой накаливания) в широком спектральном диапазоне
6) Предложена методика и с помощью и-о фотодстектора экспериментально измерена дисперсия 3-гттойной полноводной структуры и материала несущего слоя в широком спектральном диапазоне с учетом спектральных свойств самого сопряженного с волноводом фотодетектора.
Публикации автора по теме диссертации:
1) Анацкая Н И., Осадчев Л А., Савельев С. П., Сергеев А. Н , Шан-даров С М Пленки оксидов и их соединений в планарных оптических устройствах- Обзоры по электронной технике. Сер 6, Материалы, вып. 5(968). - М : ЦНИИ <?Электроника». 1983.- 52 с
2) Аникин В И., Грачев Д. Д., Савельев С. П. Исследование дисперсионных характеристик системы волновод планарный фотоприемник в широком спектральном диапазоне // Оптика и спектроскопия. - 1990. — Т. 69, вып. 1. - С. 206 -210.
3) Савельев С П., Грачев Д. Д. Многофункциональная установка для измерения оптико-физических параметров и характеристик планарных волноводных структур /' Измерительная техника. — 1991 — № 11.-С 33-34.
4) Савельев С П , Грачев Д Д Измерение спектральных характеристик волноводных кремниевых фотодетекторов в широком спектральном диапазоне / / Измерительная техника — 1991 - № 6 — С. 8- 9.
5) Грачев Д Д , Савельев С. П Исследование спектральных характеристик волноводных кремниевых фотодстекторов в широком спектральном диапазоне Оптика и спектроскопия. —1991 - Т 71, вып. 1.- С. 207-211.
6) Грачев Д. Д., Мировицкий Д. И . Савельев С. П Эксперименталь ные исследования оптического многомодового многоканального гибридного разветвителя—объединителя // Измерительная техника.-1991. №10. С. 31.
7) Савельев С. П Численное решение волнового уравнения для несобственных волн системы анизотропная пленка на поглощающей подложке // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот, 2002 -Т. 10, № 1(33). - С. 91 -102.
8) Савельев С П. Численное решение волнового уравнения для несобственных волн системы анизотропная пленка на поглощающей подложке в широком спектральном диапазоне // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот, 2002. Т. 10, X" 1(33). С. 103-108.
9) Савельев С. П. Исследование поведения численного решения дисперсионного уравнения для комплексных нормализованных постоянных распространения волн в трехслойных планарных структурах на кремниевой подложке // Вестник РУДН Сер. Физика, 2005 — № 13. С. 20-34.
10) А. с. 778525 СССР, МКИ3 С 01 Э 17/00. Приемо-передающее устройство лазерного локатора/ А. И. Гудзенко, Л. Н. Дерюгин, И. П. Литвинов, Л. А. Осадчев, С. П. Савельев, О. В. Сорокин, А. А. Тищенко, Л. С. Цеснек (СССР). 2763475/40-23; Заявлено 07.05.79.
11) А. с. 1123484 СССР, МКИ3 Н 01 Ь 31/14. Интегрально-оптический детектор/ В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, Л. А. Осадчев, С. М Шандаров, С. П. Савельев, М. Н. Фролова (СССР) — № 3534530/18-25; Заявлено 07.01.83.
12) А. с. 1155136 СССР, МКИ3 Н 01 Ь 33/00. Способ изготовления интегрально-оптических детекторов/ В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, Л. А. Осадчев, С П. Савельев, С. М. Шандаров, М. Н. Фролова (СССР). — № 3606094/24-25; Заявлено 16.06.83.
13) А. с. 1218866 СССР, МКИ3 II 01 I 33/10 . Способ изготовления интегрально-оптических детекторов/ В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, Л. А. Осадчев, С. П. Савельев, С. М. Шандаров, М. Н. Фролова (СССР).-№ 3693353; Заявлено 16.01.84.
14) А. с 1268029 СССР, МКИ3 Н 01 Ь 31/10 Интегрально-оптический детектор/ В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, Л А Осадчев, С. П. Савельев. М. А. Лапин, М. Н. Фролова (СССР) -№ 3783831, Заявлено 25.08.84.
15) А. с. 1259903 СССР, МКИ3 Н 01 Ь 31/14 . Интегрально-оптический детектор/ В. В Серебренников, А. Н. Сергеев, В. Г. Мирошни-ков, Л. А. Осадчев, С. П. Савельев, М А. Лапин, М. Н. Фролова (СССР). —№ 3867395; Заявлено 07.01.85.
Подписано в печать 10.11.2005г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,93. Усл.кр.-отт. 3,72. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. С 835
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» 119454 Москва, просп. Вернадского, 78.
1124 3 94
РНБ Русский фонд
2006-4 26615
Принятые условные обозначения и сокращения.
Введение.
Глава 1. Анализ трехслойного планарного оптического волновода в структурах с потерями.
1.1. Структура слоев и комплексное дисперсионное уравнение планарной трехслойной структуры на поглощающей подложке
1.2. Условия для определения границ диапазонов различного поведения комплексных нормализованных постоянных распространения, связанных с наличием точек отсечки.
1.3. Аналитические выражения для толщин пленки и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и их графическое представление.
1.4. Вид дисперсионных кривых для различных диапазонов изменения показателя преломления пленки.
1.5. Краткие выводы.
Глава 2. Интегрально-оптические фотоприемные структуры.
2.1. Принципы (схемы) построения фотодетекторов, сопряженных с планарным волноводом.
2.2. Фотодетекторы с резким и плавным переходами буферного слоя к области фотодетектирования на подложках из кремния. Оптико-физические параметры й характеристики образцов.
2.3. Улучшение характеристик системы волновод-фотодетектор на подложках из кремния.
2.4. Основные результаты главы 2.
Глава 3. Исследование интегрально-оптического фотодетектора на кремниевой подложке
3.1. Экспериментальная многофункциональная установка для измерения оптико-физических параметров и характеристик планарных волноводных структур.
3.2. Исследование спектральных свойств волновода с помощью встроенного в кремниевую подложку фотодетектора.
3.3. Исследование спектральных свойств сопряженного с волноводом фотодетектора.
3.4. Основные результаты главы 3.
Применение оптики в радиоэлектронике, а также дальнейшее развитие оптического приборостроения требуют микроминиатюризации и интеграции оптических элементов, устройств, схем. С развитием интегральной оптики, использующей двумерные световые пучки, распространяющиеся в виде поверхностных волн в волноводных системах, возникла новая оптическая схемотехника. Оптические и оптоэлектронные устройства объединяются на общей подложке и изготавливаются одновременно в едином технологическом процессе из одинаковых или взаимно совместимых материалов. При этом исследования планарных оптических элементов и устройств выявили ряд специфических требований к материалам и технологии, которые в большинстве случаев намного выше аналогичных требований в микроэлектронике и оптике тонкопленочных покрытий.
Актуальность работы
Интеграция электронных устройств обработки информации с вол-новодными структурами также выдвигает ряд требований к применяемым материалам и технологии, особенно к принципам построения и качеству изоляции между поглощающими и прозрачными слоями, а также к принципам сопряжения конечных (или промежуточных) оптических и приемных электронных структур. Одним из перспективных материалов, удовлетворяющих таким требованиям в качестве материала подложки, является кремний. Его использование позволит последовательно осуществить процесс микроминиатюризации и интеграции функциональных устройств обработки больших. массивов информации в едином микро-оптоэлектронном пространстве.
Материалы диэлектрических слоев планарной оптики, где сосредоточены оптические пучки и все оптические устройства, должны обладать хорошей прозрачностью (коэффициент поглощения должен быть не более 10"3 см-1), иметь большой диапазон изменения показателя преломления 1,45—2,5, оптическую прозрачность в широком диапазоне спектра 0,35—6,0 мкм, однородную структуру, механическую прочность и стойкость к внешним химическим и радиационным воздействиям. Наиболее полно этому удовлетворяют пленки оксидов и их соединений элементов II-V групп периодической таблицы. В обзоре [1] подробно рассмотрены вопросы применения и технологические пути синтеза с заданными свойствами пленок оксидов и их соединений на непоглощающих подложках и кремнии при реализации различных планарных оптических устройств. Особенности технологии волноводных слоистых систем на основе стеклообразных материалов демонстрирует обзорная статья [2].
Наиболее полное теоретическое исследование распространения волн в открытых волноводах (в том числе и с потерями), имеющее непосредственное отношение к теме диссертации, содержится в работах В. В. Шевченко [4-8], которые оказали большую помощь в интерпретации полученных новых результатов.
Другие исследователи и научные группы также проявляли большой интерес к и-о структурам и элементам с потерями. Описаны многослойные структуры на кремнии, в частности и при наличии металлических слоев, в работах [17], [13,14], [15]. В работе [10] рассмотрена 4-слойная структура с излучением из волновода через буферный слой; приведен пример расчета комплексных нормализованных постоянных распространения при малых значениях затухания волны вдоль направления распространения. В работе [9] рассмотрена структура с поглощением в вол-новодном слое. Эксперименты с 3-слойными структурами с потерями на кремниевых подложках (в основном для целей создания эффективных фотоприемных структур) проводились и за рубежом. В частности, были изготовлены и опробованы структуры с сопряжением с волновода с фотодиодом «в стык» [47] и с плавным скосом буферного слоя к ФЧП [48-51,53] на предмет возможности их использования в оптоэлек-тронной аппаратуре и измерения физических параметров волноведущих структур. В работе [52] продемонстрировано применение кремниевых фотоприемников для измерения рассеяния волноводной волны в плоскости волновода. Были предприняты попытки создания и исследования спектрально-селективного и-о фотоприемника на GaAlAs [40].
Тем не менее, за пределами рассмотрения осталось описание распространения затухающих волн в 3-слойных планарных структурах с потерями в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя, а также применение таких структур в виде конкретных устройств в экспериментах по измерению спектральных характеристик волновод-ных слоев и поглощающих элементов интегрально-оптических (и-о) схем. Отсутствовало также сравнительное физическое описание встроенных в и-о схемы фотоприемных элементов с резким и плавным переходами (скосами) буферного слоя к фоточувствительной площадке (ФЧП). Диссертация позволяет заполнить этот пробел. В ней представлены новые факты, поддающиеся экспериментальной проверке, обозначены пути применения полученных результатов в задачах, связанных с измерением и расчетом параметров и характеристик и-о элементов и схем, а также при построении различного рода устройств, работа которых может быть описана в рамках проведенного рассмотрения 3-слойных волноводных структур с потерями.
В представленной работе, под потерями понимается убывание мощности (затухание) волноводной волны в пленке вдоль направления распространения. В рассматриваемой структуре оно обязано поглощению волны в материале подложки и положительной разности между действительной частью показателя преломления подложки и пленки. При правильном выборе геометрических и оптико-физических параметров сред рассматриваемой структуры волна не теряется безвозвратно, а может быть использована для других целей (например, выводится из пленочного волновода, как это происходит при призменном выводе излучения, преобразуется в другие виды, как это происходит при генерации фототока в структурах с р — n-переходами). Неправильный выбор параметров -3-слойной структуры переводит такие потери в разряд безвозвратных (зазор между началом р — n-перехода и местом ввода излучения в 3-слойную структуру, полное внутреннее отражение от 3-слойной структуры и т. п.).
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является выявление основных закономерных особенностей распространения волн в 3-слойных планарных структурах с потерями (поперечных резонансов) в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя и приложение полученных результатов к описанию свойств и измерению параметров и характеристик элементов и-о схем: планарного фотодиода и планарного волновода.
Основные задачи исследования
Описание распространения волн вдоль 3-слойной планарной структуры с потерями, изготовление и исследование 3-слойного планарного и-о элемента — планарного фотодиода —и применение полученных результатов в эксперименте по измерению спектральных характеристик и параметров элементов и-о схемы.
Метод исследования
Теоретические исследования выполнены с использованием математического аппарата теории распространения волн в планарных структурах (метод сшивания полей на плоских границах раздела сред). Условиями, в рамках которых получены результаты исследования, являются: наличие 3-слойной планарной волноводной структуры с потерями, обусловленными тем, что материал подложки имеет действительную частью показателя преломления большую, чем действительная часть показателя преломления несущего слоя, а также наличием небольшой по сравнению с действительной мнимой части показателя преломления подложки (в данном случае —Si). Математические расчеты и построение графиков выполнены в среде Mathcad 2001i Professional. Структуры образцов исследовались с применением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и микрофотометрии.
Основные положения, выносимые на защиту
1) для 3-слойной волноводной среды с потерями (щ < ппленки < Ке(^подложки), ^подложки — комплексный) существуют диапазоны различного поведения нормализованных постоянных распространения у бегущей с затуханием по пленочному волноводу волны в зависимости от значения показателя преломления пленки;
2) границы этих диапазонов определяются показателями преломления окружающих пленку слоев;
3) возрастание или убывание полей мод в подложке характеризуется соотношением мнимых и действительных частей показателей преломления подложки и нормализованных постоянных распространения мод;
4) минимальная длина 3-слойной фотоприемной структуры в направлении распространения волны, в основе которой лежит 3-слойная среда с потерями, определяется мнимой частью нормализованной постоянной распространения моды;
5) объединение на единой подложке волноводной структуры и 3-слойной структуры с потерями в виде и-о фотодиода, в отличие от структур с призменным выводом излучения из волновода, позволяет проводить спектральные измерения параметров и характеристик этих структур в экспериментах со слабыми некогерентными источниками излучения сплошного спектра (лампами накаливания).
Достоверность результатов
Достоверность результатов подтверждается непротиворечивостью выводов, полученных в результате исследований, а также согласованностью их с известными из научной литературы фактами. Результаты измерения спектральных характеристик и-о фотодетекторов в объемном варианте сравнивались с независимыми измерениями, проведенными в НПО «Геофизика» (г.Москва) и на заводе «Кварц» (г.Черновцы). Измерения с некогерентным источником излучения дублировались измерениями на длине волны He-Ne лазера.
Научная новизна
Проведенные исследования дали следующие новые результаты:
1) Численное решение комплексного дисперсионного уравнения в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя, являющегося следствием решения электродинамической задачи на распространение световой волны в трехслойной структуре с потерями методом сшивания полей на плоских границах раздела сред, выявило наличие нескольких диапазонов различного поведения нормализованных постоянных распространения волн в зависимости от изменения показателя преломления несущего слоя.
2) Сформулированы условия наличия или отсутствия отсечки для волн Н(ТЕ) и Е(ТМ)-тшов, определяющие границы диапазонов изменения показателя преломления несущего слоя, в которых параметрические кривые зависимости решений дисперсионного уравнения 3-слойной среды с потерями от толщины пленки имеют различное поведение: описаны три диапазона и две пограничные точки для Я-волн и четыре диапазона и одна пограничная точка для Е'-волн.
3) Впервые получены аналитические выражения для определения толщин и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и приведено их графическое представление.
4) Впервые показано, что в зависимости от значения толщины пленки поля составляющих Еу {Ну) в направлении поперечной координаты в подложке могут как убывать, так и возрастать. Это определяется соотношением мнимых частей нормализованной постоянной распространения и показателя преломления подложки.
5) Проведенный анализ трехслойной структуры с потерями был непосредственно применен к описанию распространения волны на фоточувствительной площадке и-о фотодетектора. Для этих целей были изготовлены образцы фотоприемных структур с резким и плавным переходами буферного слоя к ФЧП на подложках из кремния. Приведены результаты измерений оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с привлечением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профило-метрии и микрофотометрии с использованием полистиролового волновода. Показано, что структура с плавным скосом буферного слоя к ФЧП по сравнению с резким работает более эффективно.
6) Предложены способы улучшения характеристик фотодиодных структур, сопряженных с волноводом. Даны рекомендации по улучшению работы фотодиода с резким скосом буферного слоя, делающей ее сравнимой по эффективности с работой фотодиода с плавным скосом.
7) Создана и применена для исследовательских целей экспериментальная многофункциональная установка для определения основных параметров и характеристик планарных волноводных структур, сопряженных с фотодетекторами, при работе с когерентным и слабыми1 некогерентным источниками излучения (лазером и лампой накаливания) в широком спектральном диапазоне.
8) Предложена методика и с помощью и-о фотодетектора экспериментально измерена дисперсия 3-слойной волноводной структуры и материала несущего слоя в широком спектральном диапазоне с учетом спектральных свойств самого сопряженного с волноводом фотодетектора.
Практическая значимость работы
1) Результаты проведенных исследований, а также полученные аналитические выражения и построенные на их основе графики, использо
1Разложепие падающего на входной элемент и-о схемы излучения от некогерентного источника— лампы накаливания — в спектр по длинам волн с помощью монохроматора и дальнейший вывод излучения из волновода с использованием призменного или решеточного элементов связи к внешнему по отношению к и-о структуре фотоприемнику обычно приводят к тому, что уровень сигнала на выходе находится ниже порога чувствительности схемы ваны в проектировании и-о узлов и схем для их оптимизации, выбора параметров 3-слойных структур с потерями, а также при обосновании и разработке требований к новым устройствам и технологическим процессам изготовления и контроля планарных элементов этих схем.
2) В ходе исследований были намечены пути реализации фотоприемных устройств с улучшенными характеристиками, а полученные сведения об отсечках мод могут быть применены по предложенным методикам для определения количества мод многомодовых планарных волноводных структур при фиксированной длине волны или в выбранном спектральном диапазоне.
3) Проведенный анализ трехслойной структуры с потерями был непосредственно применен к описанию распространения волн на фо-точувствительпой площадке интегрально-оптического фотодетектора. С помощью изготовленных образцов фотоприемных структур с резким и плавным переходами буферного слоя к ФЧП на подложках из кремния определены основные методы измерения оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с полистироловым волноводом с привлечением электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и микрофотометрии.
4) Предложенные способы улучшения характеристик фотодиодных структур, сопряженных с волноводом, зафиксированы в б авторских свидетельствах на изобретения, а также даны рекомендации по улучшению работы фотодиода с резким скосом буферного слоя (меза-структуры фотодиода: таблица 2.1, и. 96, с. 51).
По результатам исследований получено б авторских свидетельств на изобретения.
Виедрение результатов работы
1) Положения, разработки и научно-технические рекомендации диссертации использованы в ФГУП «НПО «Оптика» при формировании требований к современным технологическим процессам изготовления план арных структур для целей интегральной оптики, при определении перспективных направлений разработки технологического и измерительного оборудования для интегрально-оптических систем и устройств, а также при разработке планарного акусто-оптического модулятора и и-о дальномера (акт о внедрении).
2) Положения, разработки и научно-технические рекомендации диссертации использованы в ОАО «Альтаир» (акт о внедрении).
3) Материалы диссертации используются в учебном процессе по специальностям «Радиофизика и электроника», «Радиотехника» и «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», а также в дипломном проектировании (акт о внедрении).
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались в ряде научно-технических семинаров и конференций. Среди них:
Конференция «Физика диэлектриков», Баку, декабрь 1982 г.
Всесоюзная конференция «Волоконно-оптические системы для передачи информации и измерений», Севастополь, июль 1991 г.;
XLIII Научно-техническая конференция МИРЭА. Москва, май 1994 г.
XXXIX Всероссийская научно-техническая конференция по проблемам математики, информатики, физики, химии и методики преподавания естественно-научных дисциплин. РУДН, Москва, 21—22 апреля 2003 г.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка использованной литературы.
Основные выводы но результатам, полученным в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:
1) В результате исследования численных решений дисперсионного уравнения для 3-слойной среды с плоскими границами при наличии потерь на поглощение и распространение в подложку из кремния в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя впервые получены аналитические выражения для определения границ диапазонов различного поведения комплексных нормализованных постоянных распространения волн в зависимости от толщины пленки. Произведенные расчеты представлены в виде графиков, отображающих поведение y(h) в разных диапазонах изменения показателя преломления несущего слоя. Выявлены связанные с наличием отсечек три диапазона и две пограничные точки для Я-волн и четыре диапазона и одна пограничная точка для 1?-волн. Полученные сведения непосредственно применены для определения количества мод в волноводных многомодовых структурах по предложенным методикам и при выборе и оптимизации параметров волноводных и фотоприемных структур.
2) Впервые показано, что в зависимости от значения толщины пленки поля составляющих Еу (Ну) в направлении поперечной координаты в подложке могут как убывать, так и возрастать. Это определяется соотношением мнимых частей нормализованной постоянной распространения и показателя преломления подложки.
3) В результате измерений оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с привлечением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профиломет-рии и фотометрии с использованием полистиролового волновода, а также с помощью численных расчетов, проведен сравнительный анализ двух структур и-о фотодиодов. Показано, что структура с плавным скосом буферного слоя к ФЧП по сравнению с резким работает более эффективно. Проведенный анализ позволил предложить способы улучшения характеристик фотодиодных структур, сопряженных с волноводом. Результаты представлены в б авторских свидетельствах на изобретения.
4) Создана экспериментальная многофункциональная установка для определения основных параметров и характеристик планарных вол-новодных структур, сопряженных с фотодиодами, позволяющая в широком спектральном диапазоне и с достаточной для практики точностью проводить эксперименты с такими интегрально-оптическими структурами.
5) Экспериментально продемонстрирована эффективная работа интегрально-оптического фотодиода с некогерентным источником излучения (лампой накаливания) в широком спектральном диапазоне (см. с. 12).
6) Предложена методика и с помощью и-о фотодетектора экспериментально измерена дисперсия 3-слойной волноводной структуры и материала несущего слоя в широком спектральном диапазоне с учетом спектральных свойств самого сопряженного с волноводом фотодетектора.
Заключение
В диссертационной работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование 3-слойных планарных волноводных оптических структур с потерями.
1. Анацкая Н. И., Осадчев J1. А., Савельев С. П., Сергеев А. Н., Шанда-ров С. М. Пленки оксидов и их соединений в планарных оптических устройствах: Обзоры по электронной технике. Сер. 6, Материалы, вып. 5(968). —М.: ЦНИИ «Электроника», 1983. —52 с.
2. Петровский Г. Т., Агафонова К. А. Волновые структуры на основе стеклообразных материалов для задач интегральной оптики // Физика и химия стекла. —1980. — Т. 6, № 1. — С. 3—20.
3. Дмитрук Н. JL, Литовченко В. Г., Стрижевский В. Л. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках.— К.: Наукова думка, 1989.-376 с.
4. Шевченко В. В. Вырождение и квазивырождение спектра и преобразование волн в диэлектрических волноводах и световодах // Радиотехника и электроника. — 2000. — Т. 45, № 10. —С. 1157—1167.
5. Шевченко В. В. Наглядная классификация волн, направляемых регулярными открытыми волноводами // Радиотехника и электроника.-1969.-Т. 14, № 10.-С. 1768-1772.
6. Шевченко В. В. О поведении волновых чисел волн диэлектрических волноводов за критическим значением (среды с потерями) // Изв. вузов. Радиофизика.-1972.-Т. XV, № 2.-С. 257-265.
7. Шевченко В. В. Возбуждение волноводов при наличии присоединенных волн // Радиотехника и электроника. —1986.— Т. XXXI, вып. 3. С. 456-465.
8. Шевченко В. В. Плавные переходы в открытых волноводах. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1969.— 192 с.
9. Клименко В. А. Поверхностные и вытекающие волны плоского диэлектрического волновода с потерями // Радиотехника и электроника. -1986. Т. XXXI, вып. 3. - С. 448-455.
10. Дерюгин Л. Н., Марчук А. Н., Сотин В. Е. Излучение с плоского диэлектрического волновода // Изв. вузов. Радиоэл-ка. —1970. — Т. XIII, № 3. — С. 309-316.
11. Комоцкий В. А. Плоский оптический волновод: Учебно-методическое пособие.-М.: Из-во РУДН, 2001.-38 с.
12. Мировицкий Д. И., Будагян И. Ф., Дубровин В. Ф. Микроволновод-ная оптика и голография. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1983. — 320 с.
13. Думаревский Ю. Д., Ковтонюк Н. Ф., Савин А. И. Преобразование изображений в структурах полупроводник — диэлектрик. — М.: Наука, 1987.-176 с.
14. Борошнев А. В., Ковтонюк Н. Ф. Пространственно-временные модуляторы света на основе структур металл — диэлектрик — полупроводник — жидкий кристалл •// Прикладная физика.— 2000. № 6. С. 5-10.
15. Засовин Э. А. Разработка интегрально-оптических и волоконно-оптических схем // Радиотехника. —1999. № 3. С. 22—25.
16. Содха М. С., Гхатак А. К. Неоднородные оптические волноводы/Пер. с англ.; Под ред. В. А. Киселева. — М.: Связь, 1980. —216 с.
17. Житков П. М. Многослойные планарные оптические волноводные структуры с поглощающими средами: дис. . канд. физ.-мат. наук: 01.04.03.-М., 1992.-154 с.
18. Гроднев И. И. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для вузов.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1990.— 224 с.
19. Виноградова М. В., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн: Учеб. пособие. —2-е изд., перераб. и доп. —М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.-432 с.
20. Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики: Учеб. пособие. — 5-е изд., перераб. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976.— 664 с.
21. Савельев С. П. Численное решение волнового уравнения для несобственных волн системы анизотропная пленка на поглощающей подложке // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот, 2002.-Т. 10, № 1(33).-С. 91-102.
22. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992.— 664 с.
23. Калитеевский Н. И. Волновая оптика. — М.: Высшая школа, 1978.— 383 с.
24. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1973. —720 с.
25. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. / Под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Виле и М. Уайта; Пер. с англ.; Под ред. Р. А. Суриса. М.: Мир, 1979. - 576 с.
26. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. / Под ред. М. Абрамовица, И. Сти-ган; Пер. с англ.; Под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Карамзиной.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979.— 832 с.
27. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов: Пер. с англ.— М.: Радио и связь, 1987.— 656 с.
28. Гармайр Э., Хаммер Дж., Когельник Г., Тамир Т., Цернике Ф. Интегральная оптика. /Под ред. Т. Тамира; Пер. с англ.; Под ред. Т. А. Шмаонова. М.: Мир, 1978. — 344 с.
29. Быковский Ю. А., Кульчин Ю. Н., Розовский М. А. Исследование потерь световой мощности в тонкопленочном волноводе на подложке из кремния // Изв. вузов. Радиофизика. —1980. — Т. XXIII, № 1.— С. 52-55.
30. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. Пер. с англ. — М.: Мир, 1985.-384 с.
31. Ranganath Т. R., Wang S. Light detection in dielectric waveguides by a photodiode trough evanescent field // Appl. Phys. Lett. —1977. — V. 31, N 12.-P. 803-806.
32. Golgberg L., Reedy R., Lee S. H. Silicon photodiode for optical channel waveguides // Appl. Phys. Lett.-1980.-V. 37, N 2.-P. 185-197.
33. Cali C., Daneu V., Riva-Sanseverino S. Thin film detector for integrated optical systems // Proc. of the Top. Meet, on Integr. and Guided Wave Optics, Opt. Soc. of Amer., S. L. C., Utah. —Sept.—Oct., 1978.— P. MC3-1—MC3-5.
34. Борсак Дж. M. Фотодетекторы для акустооптических систем обработки сигналов // ТИИЭР. -1981. Т. 69, № 1. - С. 117-137.
35. Sun М. J., Chang W. S. С., Wolfe С. М. Frequency demultiplexing in GaAs EAP waveguide detectors // Appl. Optics —1978. — V. 17, N 22. — P. 3533-3534.
36. Sun M. J., Nichols К. H., Chang W. S. C., Gregory R. O., Rosenbaum F. J., Wolfe С. M. Gallium arsenide electroabsorption avalanche photodiode waveguide detectors // Appl. Optics —1978.— V. 17, N 10.-P. 1568-1578.
37. Караванский В. А., Морозов В. H., Плавич JI. Ф., Попов Ю. М., Смирнов В. JI. Интегрально-оптический фотоприемник на внешнем фотоэффекте через барьер Шоттки // Квантовая электроника. — 1983.-Т. 10, № 2.-С. 449-452.
38. Иванов М. Б., Мизеров М. Н., Портной Е. JL, Пронина Н. В. Волноводный спектрально-селективный фотоприемник // Письма в ЖТФ.- 1980.-Т. 6, вып. 20.-С. 1234-1239.
39. Stillman G. E., Wolfe С. M., Melngaileis I. Monolithic integrated In^Gai-xAs Schottky barrier waveguide photodetector // Appl. Phys. Lett. -1974. -V. 25, N 1. -P. 36.
40. Петров Г. В. Диоды с барьером Шоттки // Зарубежная радиоэлектроника. 1977. - № 4. - С. 77-112.
41. Amann М. С. Analysis of a pin photodiode with integrated waveguide // Electron. Lett.-1987.-V. 23, N 17.-P. 895-897.
42. Hamdi H., Valette S. ZnTe extrinsic photodetector for visible integrated optics // J. Appl. Phys.-1980.-V. 51, N 9.-P. 4739-4741.
43. Андриеш A. M., Быковский Ю. А., Смирнов В. JI., Черний М. Р., Шмалько А. В. Фотоприемные элементы и дифракционные решетки рельефного типа в тонких пленках AS2S3 для интегральной оптики // Квантовая электроника. 1978.-Т. 5, № 5.-С. 1090-1094.
44. Ostrowsky D. В., Poirier R., Reiber L. М., Deverdun С. Integrated optical photodetector. // Appl. Phys. Lett.-1973.-V. 22, N 9.-P. 463-464.
45. Boyd J. Т., Chuang С. M., Chen C. L. Fabrication of optical waveguide taper couplers utilizing Si02 // Appl. Opt. —1979. — V. 18, N 4.— P. 506-509.
46. Boyd J. Т., Chen C. L. Integrated optical silicon photodiode array // Appl. Opt.-1976.-V. 15, N 6.-P. 1389-1393.
47. Boyd J. Т., Chen С. L. An integrated optical waveguide and charge-coupled device image array // Quantum. Electr. —1977. — V. QE-13, N4.-P. 282-286.
48. Boyd J. T. Integrated optoelectronic silicon devices for optical signal processing and communications // Optical Engineering—1979.— V. 18, N 14.-P. 14-19.
49. Hopkins F. K., Jackson H. E., Boyd J. T. Inplane scattering measurements in a planar optical waveguide by an integrated technique // Appl. Opt.-1981.- V. 20, N 16.-P. 2761-2767.
50. Boyd J. Т., Wu R. W., Zelmon D. E., Naumann A., Timlin H. A., Jackson H. E. Guided-wave optical structures utilising silicon // Optical Engineering-1985.-V. 24, N 2.-P. 230-234.
51. A. c. 778525 СССР, МКИ3 G 01 S 17/00. Приемо-передающее устройство лазерного локатора/ А. И. Гудзенко, JI. Н. Дерюгин, И. П. Литвинов, Л. А. Осадчев, С. П. Савельев, О. В. Сорокин, А. А. Тищенко, Л. С. Цеснек (СССР).-№ 2763475/40-23; Заявлено 07.05.79.
52. А. с. 1123484 СССР, МКИ3 Н 01 L 31/14. Интегрально-оптический детектор/ В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, Л. А. Осадчев, С. М. Шандаров, С. П. Савельев, М. Н. Фролова (СССР).— № 3534530/18-25; Заявлено 07.01.83.
53. А. с. 1155136 СССР, МКИ3 Н 01 L 33/00. Способ изготовления интегрально-оптических детекторов/ В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, Л. А. Осадчев, С. П. Савельев, С. М. Шандаров, М. Н. Фролова (СССР).-№ 3606094/24-25; Заявлено 16.06.83.
54. А. с. 1218866 СССР, МКИ3 Н 01 L 33/10. Способ изготовления интегрально-оптических детекторов/ В. В. Серебренников, А: Н. Сергеев,
55. JI. А. Осадчев, С. П. Савельев, С. М. Шандаров, М. Н. Фролова (СССР). —№ 3693353; Заявлено 16.01.84.
56. А. с. 1268029 СССР, МКИ3 Н 01 L 31/10. Интегрально-оптический детектор/ В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, Л. А. Осадчев, С. П. Савельев, М. А. Лапин, М. Н. Фролова (СССР). —№ 3783831; Заявлено 25.08.84.
57. А. с. 1259903 СССР, МКИ3 Н 01 L 31/14. Интегрально-оптический детектор/В. В. Серебренников, А. Н. Сергеев, В. Г. Мирошников, Л. А. Осадчев, С. П. Савельев, М. А. Лапин, М. И. Фролова (СССР).-№ 3867395; Заявлено 07.01.85.
58. Муранова Г. А., Терпугов В. С. Исследование механизма потерь в тонкопленочных волноводах // Изв. АН СССР. Серия физическая, 1981.-Т. 45, № 2.-С. 392-395.
59. Dutta S., Jackson Н. Е., Boyd J. Т. Extremely low-loss glass thin film optical waveguides utilising surface coating and laser annealing // J. Appl. Phys. —1981. —V. 52, N 6.-P. 3873-3875.
60. Литовченко В. Г., Марченко Р. Н., Романова Г. Ф. Применение метода вторичной ионной эмиссии для анализа систем Si—Si02 // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. — Киев: Наукова думка, 1972.-С. 20-28.
61. Johannessen J. S., Spicer W. E., Strausser Y. E. An Auger analysis of the SiO-Si interface // Appl. Phys. -1976. -V. 47, N 7. P. 3028-3037.
62. О процессах упорядочения в пленках Si02- / Асонов Б. М., Даниле-вич В. С., Замонский В. Д. и др. // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы, 1978. Т. 9, № 2. - С. 183-185.
63. Jizuka Т., Sugana Т. Calculations of energy levels of oxygen and silicon vacancies at the Si—SiCb interface // Jap. J. Appl. Phys. —1973. — V. 12, N1.-P. 73-79.
64. Пресс Ф. П. Фотолитографические методы в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. — М.: Сов. радио, 1978.-96 с.
65. Пирс К., Адаме А., Кац J1. и др. Технология СБИС: В 2-х кн. /Под ред. С.Зи; Пер. с англ.; Под. ред. Ю. Д. Чистякова. — М.: Мир, 1986.1. Кн. 1.-404 с.1. Кн. 2.-453 с.
66. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. Пер. с англ. — 2-е перераб. и доп. изд. — М.: Мир, 1984.1. Кн. 1.-456 с.1. Кн. 2.-456 с.
67. Аксененко М. Д., Бараночников М. JL, Смолин О. В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. — М.: Энер'гоатомиздат, 1984.— 208 с.
68. Практикум по химии и технологии полупроводников: Учеб. пособие для студентов вузов / Анохин В. 3., Гончаров Е. Г., Кострюкова Е. П., Пшестанчик В. Р., Маршакова Т. А.; Под ред. Я. А. Угая — М.: Высш. школа, 1978. —191 с.
69. Золотов Е. М., Плехатый В. М., Прохоров А. М. Излучение из сужающегося края оптического волновода // Квантовая электроника. — 1976.-Т. 3, № 7.-С. 1478-1482.
70. Каценеленбаум Б. 3. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. — М.: Из-во АН СССР, 1961. —216 с.
71. Маркузе Д. Оптические волноводы. /Пер. с англ.; Под ред. В. В. Шевченко.-М.: Мир, 1974.-576 с.
72. Клер Ж.-Ж. Введение в интегральную оптику. /Пер. с англ.; Под ред. В. К. Соколова. — М.: Сов. радио, 1980.— 104 с.
73. Унгер Г. Г. Оптическая связь. /Пер. с нем.; Под ред. Н. А. Семенова. — М.: Связь, 1979. — 264 с.
74. Золотарев В. М., Морозов В. Н., Смирнова Е. В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник — JL: Химия, 1984.-216 с.
75. Гавриленко В. И., Грехов А. М., Корбутяк Д. В., Литовченко В. Г. Оптические свойства полупроводников. Справочник — К.: Наукова думка, 1987.-608 с.
76. Введение в интегральную оптику. /Под ред. М. Барноски; Пер. с англ.; Под ред. Т. А. Шмаонова. — М.: Мир, 1977, —368 с.
77. Савельев С. П., Грачев Д. Д. Многофункциональная установка для измерения оптико-физических параметров и характеристик планар-ных волноводных структур // Измерительная техника. — 1991.— № 11.-С. 33-34.
78. Аникин В. И., Грачев Д. Д., Савельев С. П. Исследование дисперсионных характеристик системы волновод планарный фотоприемник в широком спектральном диапазоне // Оптика и спектроскопия. — 1990.-Т. 69, вып. 1.-С. 206-210.
79. Грачев Д. Д., Савельев С. П. Исследование спектральных характеристик волноводных кремниевых фотодетекторов в широком спектральном диапазоне // Оптика и спектроскопия.— 1991. —Т. 71, вып. 1.-С. 207-211.
80. Савельев С. П., Грачев Д. Д. Измерение спектральных характеристик волноводных кремниевых фотодетекторов в широком спектральном диапазоне // Измерительная техника.— 1991. —№ 6. — С. 8-9.
81. Грачев Д. Д., Мировицкий Д. И., Савельев С. П. Экспериментальные исследования оптического многомодового многоканального гибридного разветвителя—объединителя // Измерительная техника. — 1991. —№ 10.-С. 31.
82. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.— 248 с.
83. Midwinter J. Е. // IEEE J. Quant. Electron, 1971.-V. QE-7, N 7.-P. 339-344.
84. Половинкин A. H. Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук: 01.04.03. — М., 1981.
85. Wong Y. Н. е. а. // Appl. Phys. Lett, 1980.-V. 37, N 3.
86. Малых Н. В. // ЖТФ, 1983.-Т. 53, № 4.-С. 750-752.
87. Котюк А. Ф. и др. Введение в технику измерений оптико-физических параметров световодных систем./ Под ред. А. Ф. Котюка. — М.: Радио и связь, 1987. — 224 с.
88. Адаме М. Введение в теорию оптических волноводов. — М.: Мир,1984.-512 с.
89. Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976. — 392 с.
90. Mitchell L. // IEEE J. Quant. Electron.-1977.-V. QE-13, N 4-P. 173-176.
91. Possner T. e. a. // Experiment. Techn. der Physik, 1985. — B. 33, N 3. — S. 241-250.
92. Midwinter J. E. // IEEE J. Quant. Electron. -1971.-V. QE-7, N7-P. 345-350.
93. Дианов E. M., Кузнецов A. A. // Квант, электроника. —1983. — Т. 10, № 2. — С. 245—264.
94. Аникин В. И., Горобец А. П., Овчаренко О. И., Осовицкий А. Н. // Изв. АН СССР. Физика. —1982.-Т. 46, № 10.-С. 2035-2040.
95. Аникин В. И. Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук: 01.04.03. — М., 1972.
96. Аникин В. И., Летов Д. А. // Оптика и спектроскопия. —1978.— Т. 44, вып. 1.-С. 184-188.
97. Летов Д. А. Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук: 01.04.03. — М., 1983.
