3. Анализ профиля поперечного сечения волноводов, изготовленных методом электростимулированной миграции ионов

Э лектростимулированная миграция ионов осущест­вляется по схеме, представленной на рис. 16.

Рис. 16. Схема проведения электростимулированной

миграции ионов в стекло из расплава соли

Стеклянная подложка (1) с нанесенным на ее верх­нюю поверхность металлическим электродом (катод 2) помещается в кювету, содержащую расплав соли (3). На нижнюю поверхность подложки нанесена металличе­ская маска (4), в которой с помощью фотолитографии протравлена полоска, позволяющая осуществлять дос­туп ионам, содержащимся в расплаве соли, к поверхно­сти стекла. Нижний электрод (анод 5) погружается не­посредственно в расплав. К электродам прикладывается стимулирующее электрическое поле, под действием ко­торого и происходит формирование интегрально-опти­ческого волновода.

В качестве маскирующего слоя используется нане­сенная методом термического вакуумного напыления пленка алюминия. В результате погружения стеклянной пластинки с алюминиевой маской в расплав соли, яв­ляющийся, как правило, сильным окислителем, алюми­ний покрывается тонкой и плотной оксидной пленкой. Возникшая таким образом оксидная пленка препятст­вует прямому контакту ионов расплава соли с алюми­нием, а напыленный алюминиевый слой надежно мас­кирует стекло от проникновения ионов из расплава соли.

Рассмотрим физические процессы, определяющие картину электрического поля, стимулирующего мигра­цию ионов в стекле.

В случае, если маскирующий слой отсутствует, внутри стекла будет наблюдаться однородное электри­ческое поле, ускоряющее миграцию ионов натрия в стекле по направлению к катоду и ионов расплава соли в стекло. Ионы натрия в стекле, являясь наиболее подвижными ио­нами в натрийсиликатных стеклах, под действием элек­трического поля устремятся к катоду, освобождая ва­кансии для ионов расплава соли. При этом в припо­верхностном слое стекла будет формироваться одно­родная по толщине область с повышенным содержа­нием ионов расплава соли, что в конечном итоге приве­дет к созданию планарного волноводного слоя (рис. 17).

Рис. 17. Распределение электрического поля в стеклянной пластинке, погруженной в расплав, в отсутствии

маскирующего слоя

Необходимо отметить, что распределение ионов, продиффундировавших под действием внешнего электрического поля из расплава в стекло, а следова­тельно, и изменение показателя преломления сформированного волновода будут иметь ступенчатую форму.

В случае, если маскирующий слой полностью покрывает поверхность стеклянной подложки, соприкасающейся с расплавом соли, произойдет следующее. Катионы расплава соли не смогут достичь поверхности стекла, так как их направленному движению мешает маскирующий слой. В это же время стеклянная подложка находится в однородном электрическом поле, которое воздействует на щелочные ионы стекла и перемещает их по направлению к катоду. Это приводит к образованию объемного пространственного заряда под маской и вызывает уменьшение результирующего тока по экспоненциальному закону. Через некоторое время ток в цепи практически прекратится.

Создание отверстия или щели в металлическом маскирующем слое приводит к появлению электрического тока в цепи и стимулированной миграции ионов металла из расплава соли.

Поскольку металлическая маска приводит к экра­нированию электрического поля внутри стеклянной пластинки, то движение ионов расплава в стекле будет обусловлено электрическим полем, локализованным между катодом и отверстием в маске. В первый момент времени после включения источника питания и подачи стимулирующего напряжения могут возникать электрические взаимодействия между верхним слоем расплава соли в отверстии маски и самой металличе­ской маской или катодом и маской. Однако эти взаимо­действия неустойчивы, так как обуславливающая их разность потенциалов не поддерживается источником питания и легко компенсируется за счет перемещения наиболее подвижных ионов в стекле и ионов металла в соли. В результате в стеклянной подложке возникает стимулирующее электрическое поле, характер которого представлен на рис. 18.

Рис. 18. Конфигурация электрического поля, возникающего

в стеклянной пластинке между катодом и отверстием

в маскирующем слое

Наиболее подвижные ионы стекла, а также ионы расплава движутся под действием этого поля. Известно, что скорость дрейфа ионов в этом случае будет равна

. (19)

Здесь – подвижность ионов в стекле; g – заряд од­ного иона; – сила, действующая на ион; – напря­женность электрического поля.

Строго говоря, подвижность ионов, входящих в со­став стекла, и ионов, диффундирующих в стекло, раз­лична, поэтому в данном рассмотрении следует исполь­зовать некоторую среднюю величину подвижности, ко­торая зависит от соотношения количеств тех и других ионов в стекле.

Электрическое поле, возникающее в стеклянной пластинке и стимулирующее процесс миграции ионов из расплава соли, можно рассчитать методом конформ­ных отображений. Для этого область на рис.18, пони­маемую как конформный четырехугольник с верши­нами в точках , а, +а, + вещественной оси, отобра­зим конформно на прямоугольник так, чтобы точки , а, +а, + отвечали вершинам прямоугольника. Иско­мые конформные отображения можно построить при помощи суперпозиции двух хорошо известных отобра­жений, первое из которых

(20)

преобразует полосу 0  ImZ  H в полуплоскость Im  0. Второе порождается интегралом Кристоффеля-Шварца

W = const (21)

и переводит полуплоскость Im  0 в прямоуголь­ник. Ширина прямоугольника может быть специально подобрана за счет выбора значения константы const. Если положить

const = , (22)

то ширина прямоугольника окажется равной U.

Конформное отображение порождает преобразова­ние потенциальной функции поля. Так, например, если потенциальная функция исходного поля в области на рис.18 равна U(z), то при указанном конформном ото­бражении

W = f(z) = W((z)) (23)

области 0  Im z  H на прямоугольник, ей соответ­ствует потенциальная функция однородного электриче­ского поля в прямоугольнике

V(W) = Re W. (24)