4.6. Изготовление и исследование заглубленных и двухканальных интегрально-оптических волноводов

Существенный вклад в потери в волноводах вносит качество об­работки поверхности стеклянной подложки. Потери за счет поверхностного рассеяния могут быть довольно большими даже для относительно ровных поверхностей, особенно в случае мод более высокого порядка, так как распространяющиеся волны сильно взаимодействуют с поверхностью волновода. Поверх­ности подложек, в которых формируются волноводы, не обязательно должны быть ровными, т.е. не требуется особая тщательность в по­лучении абсолютной плоскостности. Важнее иметь поверхность, сво­бодную от таких дефектов, как царапины, ямки или вмятины.

Оптическая обработка стеклянных подложек включает в себя резку стеклянных заготовок с последующей их шлифовкой и полиров­кой. В результате резки и шлифовки стеклянных пластин крупнозер­нистым порошком в последней возникают микротрещины, проникающие в глубину на десятки и сотни микрометров. В процессе поли­ровки удается убрать с поверхности образца видимые царапины и трещины. Однако существует достаточно фактов, подтверждающих предположение о том, что верхние слои подложки плавятся в процес­се полирования, края трещин вытягиваются и размазываются, пока не сомкнутся, оставляя трещину непосредственно под поверхностью. Для большинства обычных применений в классической оптике этот способ полировки полностью приемлем, так как подповерхностные трещины не могут быть оптически обнаружены и поэтому полностью безвредны в таких случаях. Однако формирование волноводов в та­кой пластинке приводит к появлению потерь за счет рассеяния све­та на этих микротрещинах.

Одним из путей, позволяющих избавиться от микротрещин в сте­клянной подложке, является глубокая полировка ее поверхности. При этом полировка осуществляется самым мелким порошком на глубину 100–200 мкм. Естественно, что время подготовки подложек в этом случае значительно увеличивается.

Несмотря на это, избавиться от царапин на поверхности стекла довольно трудно. Вызвано это тем, что само по себе удаление материала при полировке происходит благодаря царапанию, т.е. дей­ствию мелкомолотого порошка, частицы которого отнюдь не бесконеч­но малы. Чтобы получить поверхность без царапин, нужно переходить к немеханическим способам полировки. В этом плане хорошие резуль­таты дает огневая полировка, вытягивание стекол в процессе варки или формирование стекла на поверхности расплавленного металла, хотя в последнем способе происходит диффузия металла (чаще всего олова) в поверхностный слой стекла, что, как правило, уже приво­дит к формированию планарного волноводного слоя.

Уменьшение потерь в волноводах, связанных с рассеянием све­та на царапинах, можно достичь путем ослабления взаимодействия оптической волны, распространяющейся в волноводе, с поверхностью подложки. Такой эффект достигается путем заглубления волновода в толщу стекла и отрыва его от поверхности.

Впервые заглубленные планарные волноводы были описаны в [35]. Авторы отмечают, что полученные ими диффузией таллия волноводы обладали очень низкими потерями ( 0,1 дБ/см). Заглубление волноводов осущест­влялось в расплаве KNO₃ и NaNO₃ под действием электрического по­ля.

При изготовлении заглубленных канальных волноводов наряду с уменьшением потерь, обусловленных поверхностным рассеянием, появ­ляется возможность получать осесимметричные волноводы (т.е. с кру­говой симметрией). Это позволяет добиться хорошего согласования волноводов с оптическими волокнами, имеющими сердцевину с круглой формой поперечного сечения. Как правило, заглубление волново­дов производится при помощи электростимулированной миграции ионов в натрийсиликатные стекла из расплава соли.

В работе [68] рассматриваются наиболее часто применяемые способы получения и заглубления канальных интегрально-оптических волноводов. При этом авторы уделяют внимание вопросам миграции ионов в стек­ле под действием внешнего электрического поля, а также изменению профиля распределения показателя преломления волноводов в зависи­мости от режимов диффузии.

На первом этапе канальный волновод, предназначенный для за­глубления, изготавливается либо при помощи электростимулированно­го ионного обмена из расплава соли, либо электростимулированной твердотельной диффузией высокопреломляющих ионов в стекло из ме­таллической пленки.

Второй этап – заглубление полученных волноводов – проводится в расплаве соли NaNO₃ под действием внешнего электрического поля. Анодом и катодом при этом может быть металлическая пленка [68] или расплав NaNO₃ [69].

В работе [70] приводятся соотношения, позволяющие легко найти оптимальные параметры процесса создания заглубленных волно­водов с необходимым профилем распределения показателя преломления.

Канальные волноводы, предназначенные для заглубления, формировались при помощи электростимулированной миграции. Для этого стеклянная пластинка (стекло от фотопластин размером 35 х 35 х 1,25мм) покрывалось с обеих сторон при помощи термического вакуумного распыления слоем алюминия толщиной 1–1,5 мкм. На одной из сторон фотолитографией изготавливались отверстия, представляющие собой полосы шириной 10 и 40 мкм, сквозь которые осуществлялась миграция ионов Ag⁺ в стекло.

Слой алюминия, нанесенный на противоположную сторону, играл роль катода. Электростимулированная миграция осуществлялась в расплаве AgNO₃ + NaNO₃, взятых в молярном отношении 1:100 при температуре 310  2С и стимулирующем напряжении 25 В в течение 30 мин.

Таким образом в стекле были сформированы волноводы полукруг­лой с радиусом 30 мкм и полуовальной шириной 90 мкм и глубиной 30 мкм формы поперечного сечения. Эффективный показатель прелом­ления, измеренный призменным методом, достигал величины N_max = 1,5692, а вносимые потери составили 1,5  2 дБ/см.

Заглубление волноводов осуществлялось путем электростимулированной миграции ионов Na⁺ из расплава NaNO₃ через поверхность стеклянной пластинки без маскирующего слоя.

Процесс миграции происходил при температуре 350  2°C и приложенном внешнем напряжении 80 В в течение 30 мин.

Поскольку в заглубленных волноводах отсутствует связь с поверхностью, то измерение N_max призменным методом невозможно. Рас­пределение показателя преломления в поперечном сечении волновода осуществлялось интерференционным методом.

Интерференционный метод исследования пространственного рас­пределения показателя преломления является классическим. Этот ме­тод основан на измерении разности фаз интерферируемых между собой предметной волны и волны сравнения. В обычной интерферомет­рии предметная волна и волна сравнения проходят одновременно по разным ветвям интерферометра. Предметная волна при прохождении через толщу образца испы­тывает фазовый сдвиг, обусловленный временной задержкой, кото­рый приводит к смещению интерференционных полос.

Для исследования заглубленных волноводов применяются двухлучевые интерферометры с амплитудным делением Майкельсона или Маха-Цендера [71].

Если на пути предметной волны такого интерферометра помес­тить срез канального волновода толщиной d , то волна длиной  при прохождении вдоль оси волновода Z испытывает фазовый сдвиг

. (54)

Если разность фаз изменяется на 2m, то интерференционная ка­ртина смещается на m полос

. (55)

Отсюда можно получить распределение показателя преломления

. (56)

Таким образом, картина интерференции световых волн, одна из которых проходит вдоль оси канального волновода, в полной мере описывает профиль показателя преломления.

Интерферометрические измерения полученных образцов выполнялись с помощью двулучевого интерференционного микроскопа, кото­рый был собран на базе голографической установки УИГ–1М из стан­дартных зеркал, светоделителей и микрообъективов. В основу этой схемы легла схема интерферометра Маха–Цендера. Оптическая схема интерференционного микроскопа показана на рис. 32.

Рис. 32. Оптическая схема интерференционного

микроскопа

В качестве источника излучения (1) использовался гелий-неоновый лазер ЛГ–79–2 ( = 0,63 мкм). Падающий световой пучок, пройдя через пространственный фильтр (2), включающий две линзы и диафрагму, делится полупрозрачным слоем зеркала (3) на два пучка: опорный и предметный. Оба пучка, пройдя разные плечи интерферометра и отразившись от зеркал (4) и (7), вновь соединяются на полупрозрачном слое зеркала (9). Исследуемый образец (5) размещается пе­ред микрообъективом (9^x/0,2) (8) на пути предметного пучка. Микрообъектив (9^x/0,2) (6) необходим для выравнивания волновых фронтов предметной и опорной волн. Для получения контрастной ин­терференционной картины предметный и опорный световые пучки, сводящиеся светоделителем, должны быть одинаковой интенсивности. Если результирующая разность хода равна нулю и оба интерферирую­щих луча совпадают, то на экране телевизионной установки МТУ–1, состоящей из телевизионной камеры ЛИ–И 73–1 (12) и телевизора "Электроника ВЛ–100" (11), наблюдается бесконечно широкая полоса. Для возникновения интерференционной картины в виде полос равной ширины необходимо создать некоторый угол между зеркалами в горизонтальной и вертикальной плоскости. Ширина интерференционных по­лос регулировалась с помощью поворота полупрозрачного зеркала (9). Наличие образца с исследуемыми заглубленными волноводами в пред­метном пучке приводит к образованию характерной интерференцион­ной картины, которая регистрировалась с помощью зеркальной фото­камеры (10).

Исследование изменения показателя преломления в поперечном сечении волновода требует специальной подготовки образца. Для этого из стеклянной пластинки, на которой сформирован волновод, получают срез толщиной около 1 мм и перпендикулярный исследуемо­му волноводу. Далее этот срез сошлифовывается до толщины  50 мкм и полируется с обеих сторон.

В процессе шлифовки и полировки очень важно выдержать одина­ковую толщину среза по всей его длине.

Распределение показателя преломления в торцах исследуемых волноводов хорошо иллюстрируется интерференционными картинами (рис. 33).

Отчетливо видны торцы заглубленных волноводов с неоднородным по глубине распределением показателя преломления, имеющим максимальное значение в глубине волновода.

Рис. 33. Интерференционные картины заглубленных канальных волноводов

Д ля сравнения на рис. 34 приведена интерференционная картина торца незаглуб­ленного волновода, имеющего однородное распределение показателя преломления.

Рис. 34. Интерференционная картина незаглубленного канального волновода

Интерференционные полосы заканчиваются на поверхности стекла, что говорит о связи волновода с поверхностью. Поскольку на заглубленные волноводы качество обработки по­верхности не оказывает влияния, то потери в таких волноводах, измеренные по методике, описанной выше, были менее 1 дБ/см на  = 0,63 мкм.

В работе [72] представлены попытки создания волокон­ных световодов с несколькими оптическими каналами. Для этого вместо одного оптически более плотного слоя, который является сердцевиной, методом химического осаждения из газовой фазы фор­мируют несколько чередующихся по плотности слоев волновода. Бо­лее плотные слои, разделенные оптически менее плотными слоями, служат направляющими каналами. Такая многоканальная структура одновременно имеет малые массу и поперечные размеры, что важно для ряда применений.

На рис. 35 приведено поперечное сечение многоканального световода и распределение показателя преломления по его радиусу. Каналы можно рассматривать как самостоятельные световоды.

Естественно, что вопросы распределения оптического излуче­ния из такого световода по нескольким каналам не могут быть ре­шены путем спекания нескольких волокон. Для решения этой задачи необходимо изготовить интегрально-оптический распределитель, ос­новным направляющим элементом которого должен быть многослойный интегрально-оптический волновод с таким же, как и у стыкуемого световода, распределением показателя преломления в торце.

Рис. 35. Поперечное сечение многоканального световода и распределение в нем показателя преломления

Создание такого интегрально-оптического волновода может быть осуществлено электростимулированной миграцией ионов из расплава солей. Как правило, этот процесс осуществляется в три и более эта­пов. Применение многоэтапной диффузии позволяет получать «вол­новод в волноводе», многослойные, многоканальные волноводы.

Двухканальные интегрально-оптические волноводы формировались в стекле от фотопластин трехэтапной электростимулированной миграцией из расплавов солей AgNO₃ и NaNO₃. Для этого на одной из сторон стеклянной подложки при помо­щи термического вакуумного напыления и фотолитографии формиро­вался алюминиевый маскирующий слой толщиной 1,5 мкм с отверсти­ями в виде линий шириной 15, 30, 50, 70, 100 мкм и длиной 30 мм. На противоположную поверхность стеклянной пластинки наносился слой алюминия толщиной 2 мкм, выполнявший роль катода в процессе электростимулированной диффузии.

На первом этапе в стекле в течение трех минут формировался волновод из расплава AgNO₃ при температуре 265  2°С и стимули­рующем напряжении 50 В. При этом электрический ток достигал ве­личины 3,5 мА.

На втором этапе осуществлялось заглубление волновода путем внедрения ионов Na⁺ из расплава NaNO₃.

По окончании первого этапа образец остывал и промывался в воде для удаления остатков расплава AgNO₃. Далее он погружал­ся в чистый расплав NaNO₃. Заглубление волновода осуществлялось в течение 10 мин. при температуре 300  2°C и стимулирующем напряжении 50 В. В этом случае электрический ток был несколько выше (6–6,5 мА), что можно объяснить увеличением подвижности ионов вследствие повышения температуры расплава.

На третьем этапе осуществлялось формирование второго волноводного канала электростимулированной миграцией ионов Ag⁺ из расплава AgNO_3. Температура процесса – 300  2°С; время – 5 мин.; стимулирующее напряжение 50 В; величина элект­рического тока 4–4,5 мА. После охлаждения и промывки образца от остатков нитрата серебра производилось удаление маскирующего слоя, торцы волновода обрезались и полировались.

Внешний вид торцов двухканальных интегрально-оптических волноводов представлен на рис. 36. Как видно из фотографий, в зависимости от используемой в работе ширины отверстия в маске, можно получать волноводы с различной формой поперечного сечения в обоих ка­налах, от полукруглой при ширине отверстия в маске 15 мкм, до гантелевидной, при ширине отверстия в маске 100 мкм.

а

б

в

Рис. 36. Внешний вид торцов двухканальных интегрально- оптических волноводов, полученных электростимулированной миграцией ионов при ширине полоски в маскирующем слое:

а –15 мкм, б – 50 мкм, в – 100 мкм

Наличие темного слоя между каналами (сердцевиной и оболоч­кой) свидетельствует о существовании разделительного слоя между каналами

Распределение показателя преломления в поперечном сечении полученных волноводов осуществлялось по описанной ранее методике с использованием двухплечевого микроинтерферометра. На рис. 37 представлены интерференционные картины торцов полученных волно­водов.

а

б

в

Рис. 37. Интерференционные картины торцов двухканальных интегрально-оптических волноводов, полученных электростимулированной миграцией ионов при ширине полоски в маскирующем слое:

а –15 мкм, б – 50 мкм, в – 100 мкм

Из полученных фотографий видно, что максимальное изменение показателя преломления у внешнего волновода наблюдается на его внешней границе (резкий изгиб интерференционных полос). Показа­тель преломления внешнего волновода монотонно уменьшается в нап­равлении от внешней границы к внутреннему волноводу. Распределе­ние показателя преломления во внутреннем волноводе близко к ступенчатому.

Поскольку изготовленные волноводы имели связь с поверхностью подложки, то призменным методом удалось измерить максимальный эффективный показатель преломления N_max как внутреннего, так и внешнего волновода.

Эффективный показатель преломления внутреннего волновода, полученного миграцией через отверстие в маске шириной 15 мкм, имел значение N_внутр = 1,6157. Эффективный показатель преломления внешнего волновода, полученного диффузией через отверстие в маске шириной 15 мкм, имел значение N_внешн = 1,5254. Для волноводов, полученных миграцией через отверстие в маске шириной 100 мкм, эффективные показатели преломления были равны: N_внутр = 1,6148 и N_внешн =1,5275.

Внешние волноводы имели слабую коллоидную окраску и потери в них составили 1–2 дБ/см на  = 0,63 мкм. Коллоидная окраска внутренних волноводов была более насыщенной, и потери в них со­ставили 4–5 дБ/см.

Подбором режимов миграции и концентрации диффузанта в расп­лаве можно управлять формой поперечного сечения создаваемых вол­новодов, их оптическими параметрами и величиной оптической связи волноводов.