1. Способы осуществления электростимулированной миграции ионов

Технология создания волноводов в интегральной оптике базируется на основных методах, применяемых при изготовлении электронных интегральных микросхем (различные способы напыления и осаждения тонких пленок, диффузия, эпитаксия, имплантация ионов и т.д.). Среди всех методов, используемых для создания волноводов и волноводных структур в стеклах, выделяется ионный обмен [10–15] – простой метод, не требующий дорогостоящего оборудования, позволяющий получать волноводы с рекордно низкими потерями (0,01 дБ/см). В качестве ионов, внедряемых в стекло, используются ионы щелочных металлов: Li⁺ [10, 16], K⁺ [17–22], Rb⁺ [23], Cs⁺ [24–27] или ионы Ag⁺ [15, 28–34] и Tl⁺ [35, 36].

Применение внешнего электрического поля, стимулирующего миграцию ионов в стекло, позволяет, с одной стороны, ускорить процесс внедрения ионов, увеличивающих показатель преломления стекла, а с другой – управлять формой поперечного сечения создаваемых волноводов. Кроме того, электростимулированная миграция ионов позволяет существенно расширить диапазон характеристик формируемых волноводов. Так, например, при помощи стимулирующего электрического поля можно получать волноводы с максимальным изменением показателя преломления для данного стекла, большой глубиной волноводного слоя и ступенчатым изменением показателя преломления.

Изготовление планарных оптических вол­новодов с повышенной толщиной путем приложения стимулирующего электрического поля в процессе миграции ионов из расплава соли в стекло представлено в работе [35] (рис. 1). В качестве подложки применялось оптически однородное боросиликатное стекло, содержащее окислы калия и натрия.

Рис. 1. Способ изготовления планарных волноводов

из расплава соли

На одной из сторон стеклянной пластинки (1) с углублением находился расплав соли NaNO₃ (2), позволявший осущест­влять надежный электрический контакт между платиновым катодом (3) и стеклом.

Стеклянная пластинка погружалась в расплав из смеси ни­тратов таллия и калия (4) при температуре 530°С. В этом же распла­ве находился платиновый анод (5). К аноду и катоду прикладывалось постоянное электрическое поле напряженностью Е 10 В/мм. В ре­зультате электростимулированной замены ионов Na⁺ и К⁺ в стекле ионами Tl⁺ из расплава солей получался слой с большим показате­лем преломления.

Применение электрического поля в процессе ионного обмена и использование различных диффузантов на различных стадиях диффузии позволило получить углубленный планарный волновод повышенной толщины. Однако изготовление специального углубления на стеклянной пластинке, в котором находится расплав NaNO₃, осуществляю­щий контакт стекла с платиновым катодом, значительно усложняет технологию получения волноводов. Такое углубление должно быть из­готовлено либо в процессе горячей штамповки стеклянных заготовок, либо химическим или механическим способом на готовой стеклянной пластинке.

Наиболее перспективным является использование элек­тро­стимули­рованной миграции ионов из расплава солей для получения канальных уг­лубленных волноводов [37–40].

В работе [38] описан способ изго­товления оптической интегральной схемы с применением электрического поля (рис. 2). На одну из сторон стеклянной пластинки (1) наносится слой (2), имеющий локальные изменения электропроводности. На по­верхности этого слоя располагается катод (3). В расплаве соли (4), содержащей ионы, способные увеличить пока­затель преломления стекла, находился анод (5).

Рис. 2. Способ изготовления оптической интегральной схемы

Подготовленная таким образом стеклян­ная пластинка приводится в прикосновение с расплавом, а к аноду и катоду прикладывается постоянное электрическое поле. Локальные изменения электропроводности катода вызывают в стекле различные по величине локальные ионные токи, соответствующие форме образу­емых участков, в результате чего происходит локальное замещение ионов в пластине ионами с большей электронной поляризуемостью из расплава и формирование областей с различными коэффициентами пре­ломления.

Недостатками данного способа получения полосковых вол­новодов являются образование планарного волновода на незащищенной поверхности стеклянной пластинки, находящейся в контакте с расп­лавом (особенно при длительных временах диффузии и высоких тем­пературах расплава), и определенные трудности в создании близко расположенных волноводов малых размеров ввиду суперпозиции эле­ктрических полей между катодом и расплавом.

Несколько отличный и свободный от перечисленных недостат­ков способ формирования канальных волноводов на стеклянных под­ложках описан в работах [39, 40]. Углубленные оптические волново­ды изготавливались посредством электростимулированной миграции ионов в расплавах AgNO₃ и NaNO₃ и имели двумерные распределе­ния показателя преломления.

Пластины из обычного боросиликатного стекла (1) (рис.3) покрывались с одной стороны тонким слоем зо­лота (2) (толщиной примерно 0,1 мкм), а с другой – пленкой ти­тана (3) (толщиной примерно 0,3 мкм).

Рис. 3. Способ изготовления канальных волноводов

Золотая пленка служила катодом. В слое титана методом фотолитографии вытравливались соответствую­щие окна. Данный слой использовался в качестве барьера в процессе миграции и препятствовал образованию планарного волновода на поверхности пластины, находящейся в соприкосновении с расплавом (4). Анод (5) в это время находился в расплаве. Применение ма­скирующего слоя непосредственно на поверхности стекла, находящейся в со­прикосновении с расплавом, исключает возможность формирования пла­нарного волновода.

Однако изготовление маски­рующего слоя из титана создает трудности в процессе удаления ти­тановой маски после окончательного формирования волновода. Дело в том, что пленка титана, находясь в контакте с расплавом AgNO₃ и NaNO₃, подвергается электрохимическому оксидированию. Это приво­дит к созданию на поверхности титана химически стойкой пленки ок­сида титана, что усложняет процесс удаления маски по оконча­нии процесса формирования волновода. Использование алюминия при изготовлении маскирующего слоя позволяет освободиться от упомяну­того недостатка.

В работах [41, 42] маскирующим слоем являлся тонкий слой алю­миния, в котором методом фотолитографии изготавливались окна раз­личной ширины. В качестве расплава использовался нитрат серебра и нитрат натрия. Принципиальная схема эксперимента аналогична предыдущей. В результате были получены волноводы, форма попереч­ного сечения которых определялась первоначальной шириной окон в маске, величиной приложенного стимулирующего напряжения и временем процесса миграции. При этом тонкая пленка алюминия надежно маскировала поверхность стекла от нежелательного проникновения ионов серебра из расплава соли и без особого труда удалялась после окончания процесса миграции.

В работе [43] описан способ формирования канальных волново­дов в стеклах при помощи миграции ионов K⁺ из расплава KNO₃ под действием внешнего электрического стимулирующего поля. При этом в качестве маскирующего слоя автор использовал алюминиевую плен­ку толщиной 300 нм. Диффузия ионов K⁺ осуществлялась при темпе­ратуре 370°С. В результате были получены волноводы с

n = 0,01.

Попытка совмещения нескольких волноводных структур на одной подложке в процессе изготовления методом электростимулированной миграции ионов с целью увеличения производительности и получения высокой повторяемости результатов предпринята в работе [44]. На первом этапе изготавливался сосуд с плоскими стенками из определенного сорта стекла (например, известково-натриевого или пирекс). Стенки сосуда полировались, и на них с помощью фотоли­тографии формировался маскирующий алюминиевый слой с заданной конфигурацией.

Вторым этапом была электростимулированная миграция ионов, кото­рая проводилась по следующей схеме (рис. 4).

Рис. 4. Способ одновременного изготовления серии

волноводных структур

Изготовленный стеклянный сосуд (1) с платиновым катодом (2), погруженным в расплав соли NaNO₃ (3), помещался в расплав солей AgNO₃ и NaNO₃ (4) с платиновым анодом (5). Для создания канальных волноводных структур на плоских стенках стеклянного сосуда (1) были изготовлены маскирующие слои (6).

Электростимулированная миграция ионов проводилась при температуре 260–370°С в течение от нескольких минут до одного часа. Затем стеклянный сосуд с уда­ленным из него расплавом извлекался из печи, медленно остывал до комнатной температуры и разрезался на отдельные пластины со сформированными волноводами.

Изготовленные таким образом волно­воды имели затухание 2 дБ/см на длине волны 0,63 мкм. Такой способ формирования волноводных структур отличается рядом преи­муществ в сравнении с описанными ранее:

1. Заполнение внутренней части стеклянного сосуда расплавом соли, например NaNO₃, позволяет получить надежный контакт между катодом и стеклянными поверхностями, подвергаемыми электростимулированной миграции ионов.

2. Использование стеклянного сосуда устраняет возможность короткого замыкания между анодом и катодом и позволяет отказаться от различного рода устройств, осуществляющих ориентировку поверхности стеклянной пластинки относитель­но поверхности рабочего расплава.

3. Большая рабочая поверхность, равная площади четырех сто­рон стеклянного сосуда, позволяет одновременно изготавли­вать большое число волноводных структур, что увеличивает производительность и создает возможность получения совер­шенно одинаковых волноводов.

Наряду с перечисленными преимуществами описанный способ получения волноводов имеет существенные недостатки:

1. Изготовление специального стеклянного сосуда подразуме­вает работы с жидким расплавленным стеклом, что требует наличия соответствующего оборудования и значительно усложняет весь технологический процесс.

2. Полировка рабочих поверхностей, процесс фотолитографии и затем резка стеклянного сосуда на отдельные части бо­лее трудоемки, чем при работах с плоскими стеклянными пластинами.

Применение электрического поля в процессе формирования вол­новодов позволяет в данном случае не только ускорить процесс миграции ионов серебра в стекло, но и управлять формой поперечного сечения волновода путем варьирования напряженности электрического поля, времени диффузии и ширины окна в маске. С помощью электростимулированной миграции ионов без особых трудностей удается по­лучить волноводы с низкими потерями путем погружения волновода вглубь стеклянной подложки.

Образец с изготовленным волноводом приводится в соприкосновение с расплавом NaNO₃ и к нему при­кладывается электрическое поле, в результате чего ионы Na⁺ про­никают в подложку, а ионы Ag⁺ мигрируют еще глубже. При этом во­лновод отрывается от поверхности. Изготовленные таким образом волноводы имели затухание порядка долей децибел на сантиметр [35, 39, 40].

Применение внешнего электрического поля в процессе диффузии ионов из металлической пленки в стекло увеличивает растворимость металла в стекле и по­зволяет получить как волноводы малых размеров с единственно воз­можной модой колебаний, так и более толстые волноводы, в которых могут иметь место колебания различных типов.

Для получения волноводов методом электростимулированной тве­рдотельной диффузии на одну из сторон пластинки из натриевосиликатного стекла (1) (рис. 5) вакуумным распылением наносится тонкий слой серебра (2) (толщиной 100–200 нм), который затем покры­вается металлическим электродом (3).

На противоположную сторону наносится такой же электрод (4). В процессе диффузии к этим элек­тродам прикладывается стимулирующее электрическое поле таким об­разом, что электрод, покрывающий слой серебра, является анодом, а противоположный электрод – катодом.

Рис. 5. Способ изготовления планарных волноводов электростимулированной твердотельной диффузией

Было обнаружено, что при температурах, несколько превышаю­щих температуру разложения окиси серебра (300°С), приложение вне­шнего электрического поля в процессе диффузии приводит к значи­тельному увеличению показателя преломления на поверхности стекла.

В работе [45] приводятся результаты исследований волноводов, изготовленных диффузией серебра в натриевосиликатное стекло под действием электрического поля напряженностью 50 В/мм. Полученные волноводы имели затухание 1–3 дБ/см при n = 0,02.

Получение оптических волноводов из оксидированных серебряных пленок с приме­нением стимулирующего электрического поля напряженностью до 100 В/мм описано в работе [46].

Электродиффузия проводилась по описанной схеме на воздухе при температуре 300–350°С в тече­ние от нескольких минут до одного часа. При этом одномодовые волноводы получались при времени диффузии, равном 5 мин., стимули­рующем электрическом поле напряженностью 50 В/мм. Максимальное из­менение показателя преломления у многомодовых волноводов достига­ло n = 0,025. В процессе изготовления многомодовых волноводов с максимальным изменением показателя преломления наблюдается от­слаивание катода, изготовленного из тонкого слоя золота. Это явление обусловлено накоплением металлического натрия у поверхности катода и уменьшением вследствие этого его сцепления со стеклом. В связи с этим для изготовления толстых волноводов авторами были применены катоды, представляющие собой расплав нитрата натрия.

Формирование канальных волноводов с почти круглым попереч­ным сечением с использованием стимулирующего электрического поля в процессе твердотельной диффузии описано в работах [47, 48]. На одной из поверхностей пластинки (1) (рис. 6) натриевосиликатного стекла, с содержанием Na₂O до 13%, методом фотолитографии со­здается серебряная полоска (2) заданной ширины и толщиной от 0,2 до 1,0 мкм. Затем на обе поверхности наносятся металлические электроды (3) и (4).

Рис. 6. Способ изготовления канальных волноводов твердотельной диффузией, стимулированной

электрическим полем

К электродам подводится электрическое поле таким образом, что на серебряной полоске оказывается положитель­ный потенциал. Миграция ионов проводится при температуре 280°С и прило­женном напряжении 30 В в течение 25 мин. В результате получают­ся волноводы с полукруглой формой поперечного сечения и затуха­нием 2,5–3,5 дБ/см. Максимальное изменение показателя преломле­ния достигает n = 0,081.

Интересный с точки зрения технического решения способ изгото­вления волноводов электростимулированной твердотельной диффузией предложен в работе [49]. Внешний вид устройства, осуществляющего диффузию, представлен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид устройства для проведения

электростимулированной твердотельной диффузии

На стеклянные подложки (1) в вакууме напыляются тонкие слои серебра (2), которые затем приво­дятся в соприкосновение. При этом стеклянные пластинки сжимаются между двумя алюминиевыми пластинами (3) и (4), выполняющими роль анода и катода соответственно. Диффузия серебра осуществлялась в стекло Corning 2947 при температуре 300–440°С под действием внешнего электрического поля напряженностью до 500 В/мм. При этом авторы достигли максимального изменения показателя преломления n = 0,09.

Способ формирования канального волновода в стекле, включающий миграцию ионов из металлической пленки и из расплава соли, стимулированную электрическим полем, описан в [50]. Для этого на стеклянную подложку (1) (рис.8) вакуумным напы­лением наносится тонкий слой серебра (2), в котором с помощью фотолитографии создается конфигурация будущего волновода.

Рис. 8. Способ формирования канальных волноводов, включающий миграцию ионов из металлической пленки и из расплава соли, стимулированную электрическим полем

Катод (3) погружается в расплав соли азотнокислого натрия, заключенный в специальной кювете (4). Поверх­ностью, на которой сформирован тонкий серебряный слой, образец приводится в соприкосновение с расплавом азотнокислого натрия (5). Стимулирующее постоянное электрическое поле прикладывается между анодом (6), погруженным в расплав соли, и катодом (3).

В процессе электростимулированной миграции ионы серебра про­никают в стекло и формируют в нем волновод. Если миграцию ионов прово­дить достаточно долго, то после того, как все ионы серебра из металлической пленки внедрятся в стекло, начнется процесс погружения волновода. В работе [51] предложен метод изготовления волноводов в сте­кле миграцией испаряемых в вакууме атомов серебра, стимулирован­ной внешним электрическим полем.

Установка для изготовления вол­новодов имеет следующие особенности (рис. 9). В вакуумной каме­ре (1) расположена молибденовая лодочка (2) с расплавом серебра, обеспечивающая постоянный поток атомов серебра интенсивностью 810¹³ атомов в секунду на стерадиан. На расстоянии 15 см от нее помещается стеклянная пластинка (3) натрий-кальций-силикат­ного стекла толщиной 1 мм, обе поверхности которого покрываются слоем алюминия толщиной 0,5 мкм. В слое алюминия, обращенном к испарителю, методом фотолитографии создается необходимый рисунок. Этот слой, являющийся маской, в дальнейшем выполняет и роль анода. Катодом является противоположный слой алюминия. Для обес­печения высокой подвижности ионов натрия и создания проводимос­ти в стекле образец нагревался с помощью печи (4) до температуры 200°С. К электродам прикладывалось стимулирующее напряжение величиной 300 В, при этом электрический ток достигал 5 мА.

Рис. 9. Изготовление волноводов электростимулированной миграцией ионов серебра, испаряемого в вакууме

В результате приложения электрического поля ионы натрия перемещаются к катоду, оставляя вакансии на поверхности стекла, не защищенной алюминиевой маской. Эти вакансии заполняются осаж­даемыми на поверхность стекла атомами серебра, которые, ионизируясь под действием внешнего электрического поля, проникают все дальше в подложку, создавая в ней область с повышенным показателем преломления.

Используя данный метод, авторы получили волноводы с n = 0,08 и затуханием порядка 1 дБ/см. Предложенный метод позволяет полу­чать волноводы с довольно малым затуханием. Авторам удалось полу­чить диффузию ионов серебра в натрий-кальций-силикатном стекле при температуре 200°С, что ниже температуры плавления соли AgNO₃ (210°С), применяемой обычно при ионном обмене. Это привело к не­значительному росту коллоидных частиц и, как следствие, к малым потерям света в волноводе. Однако применение в качестве источни­ка диффузанта испарителя с расплавленным металлом, находящимся в вакууме, усложняет принципиальную схему получения волноводов и затрудняет изготовление волноводов на основе лития и калия, т.е. лишает ее универсальности.

В работах [52, 53] описаны способы создания как планарных, так и канальных волноводов в стеклах под действием внешнего сти­мулирующего поля без применения каких-либо диффузантов. В основе этих способов лежит явление увеличения показателя преломления прианодного слоя стекла толщиной до нескольких микрометров за счет обеднения его ионами натрия, смещающимися под действием поля к катоду. Этот слой является высококачественным волноводом с по­терями менее 1 дБ/см [52], что объясняется авторами минимальным разрушением поверхности подложки с анодной стороны.

В процессе изготовления волноводов авторы использовали стек­ла марки Ф1, ТФ4, БФ27. Стеклянные подложки нагревались до 400–520°С под действием внешнего электрического поля напряженностью 100–500 В/мм в течение 0,25–10 ч. Затем, с целью получения волноводов, образцы охлаждались в постоянном электрическом поле. В качестве электродов авторы предлагают использовать материал не диффундирующий в подложку в указанном интервале температур и поглощающий или химически связывающий ионы примеси, появляющиеся в избытке на поверхности подложки со стороны катода. Такими мате­риалами могут быть графит, алюминий, хром, медь, марганец, ко­бальт, никель, титан, молибден, германий, бериллий или их сплавы.

В [53] отмечено, что один из электродов в процессе формиро­вания волновода имеет прямой электрический контакт с подложкой, а другой электрод располагается в непосредственной близости с по­верхностью подложки, но не касается ее. Образец нагревается до 400–600°С (ниже температуры размягчения данного сорта стекла), а между электродами включается постоянное электрическое поле напряженностью 450–3000 В/см. Под действием этого поля образец на­ходится в течение 5 мин. Затем нагрев прекращается, а электри­ческое поле не отключается до полного остывания образца. Пока подложка остывает в электричес­ком поле на ней образуется световодный слой, форма которого опре­деляется формой второго электрода.

Таким образом, из перечисленных процессов изготовления элементов интегральной оптики метод электростимулированной миграции является наиболее перспективным и универсальным. Данный метод позволяет получать в стеклах волноводные элементы с прогнозируемой формой поперечного сечения и заданными оптическими характеристиками при помощи широкого класса диффузантов и без них.