4.4. Исследование влияния стимулирующего напряжения и ширины отверстия в маске на оптические параметры волноводов

Экспериментальное исследование волноводов предполагает из­мерение не только их геометрических размеров, но и таких основных параметров, как показатель преломления и профиль изменения пока­зателя преломления.

Для измерения этих параметров использовался метод призмы. Он достаточно прост (в смысле постановки эксперимента) и не требует громоздких рас­четов. Этот метод применим для различных волноводов, но особенно удобен для многомодовых волноводов и дает хорошие результаты. Суть его со­стоит в следующем. В основе установки берется система призма – волновод, причем призма прижимается к волноводу до установления оптического контакта (толщина зазора порядка /2). Подби­рая соответствующий угол падения света на призму, можно добить­ся, чтобы постоянная распространения падающего света была равна постоянной распространения волноводной моды. Условие синхрониз­ма можно записать в виде уравнения, определяющего собственные моды волновода

, (49)

где ; и – искомые показатель преломления и тол­щина волновода; – изменение фазы при отражении от тонкого слоя воздуха ( = 1) с учетом поправки на связь с призмой, причем

, (50)

– изменение фазы при отражении от нижней среды

; (51)

– эффективный показатель преломления, рассчитываемый по формуле

, (52)

где – преломляющий угол призмы, – толщина воздушного за­зора, – показатель преломления призмы, – показатель преломления подложки, = 0,1,2, ... – целое число.

Используя условие синхронизма, можно по экспериментально определяемым значениям величин , , , рассчитать ли­бо , либо , если исследуется одномодовый волновод. Для многомодовых волноводов получается система уравнений, решение которой дает значения и одновременно.

Показатель преломления подложки определялся с помощью реф­рактометра типа ИРФ–23. Измерение углов падения , преломляюще­го угла призмы и показателя преломления призмы прово­дилось на экспериментальной установке, собранной на основе гони­ометра ГС–5 по схеме, изображенной на рис. 23.

Рис. 23. Схема установки для измерения эффективных показателей преломления волноводных мод

В качестве ис­точника света использовался He–Ne–лазер (1). Четвертьволновая пластинка (2) и поляризатор (3) служили для изменения плоскости поляризации оптического излучения. Линза (4) необходима для фокуси­ровки оптического излучения на канальный волновод. Оптическое из­лучение при помощи измерительной призмы (5) возбуждает необходи­мую волноводную моду в образце (7) и, частично отразившись, по­падает на экран (6).

Углы падения света на призму (для возбуждения определенной волноводной моды) измерялись с точностью до 15 угловых секунд, при этом точность измерения показателя преломления составила 10^-4 на  = 632,8 нм.

Поскольку волноводы, сформированные электростимулированной миграцией ионов, обладают большой глубиной и полукруглой или имеющей закругления формой поперечного сечения, то модовая структура, наблюдаемая на экране, существенно отличается от модовой струк­туры планарных или прямоугольных волноводов. Большое число мод, распространяющихся в таких волноводах, значительно услож­няет измерение и анализ расположения m–линий в спектре волноводных мод.

а б

Рис. 24. Типичные картины m–линии: а – планарного

волновода; б – волновода полукруглой формы

На рис. 24 представлены типичные картины m–линий для планарного волновода, полученного в стекле при помощи ионного обмена в рас­плаве AgNO_3, и волновода с полукруглой формой поперечного сече­ния, изготовленного электростимулированной миграцией ионов. В обоих случаях картина m–линий получена путем ввода оптического излу­чения в торец волновода и вывода его через призму. Такой метод возбуждения позволяет наблюдать на экране сразу весь набор m–линий. Измеряя углы, под которыми распространяются моды, можно определить эффективный показатель преломления N для каждой из мод. Но поскольку в картине m-линий стимулированных волново­дов, которая представляет собой сплошную широкую полосу, отдель­ные моды выявить невозможно или крайне трудно, то измерение производилось для первой и последней моды, ограничивающих область m-линий.

На рис. 25 изображены графики изменения максимального эф­фективного показателя преломления (N_max) волноводов, сфор­мированных на стекле от фотопластин (n_s = 1,5120) электрости­мулированной миграцией ионов Ag⁺ из расплава AgNO₃ и NaNO₃, взя­тых в молярном отношении 1:10, при температуре 350  2°C в тече­ние 3 мин., в зависимости от внешнего стимулирующего напряжения.

Измерения N_max проводились как для планарного волновода (шириной 5 мм), так и для каждого из канальных волноводов, полученных в процессе электрости­мулированной миграции сквозь отверстия в маске шириной 15, 30, 50, 70 и 100 мкм.

Как видно из графиков, в отсутствие стимулирующего поля N_max в планарном волноводе выше, чем в канальных, и убывает с уменьшением ширины полоски в маске. Однако уже при стимулирующем напряжении 10 В наблюдается резкое увеличение значения N_max. Наиболее сильно N_max растет у волноводов, получаемых на отверстиях малой ширины, что обусловлено влиянием металлической маски. N_max для планарных волноводов монотонно возрастает с увеличением стимулирующего напряжения во всем диапазоне стимулирующего напряжения от 0 до 60 В.

Рис. 25. Графики изменения максимального эффективного показателя преломления (N_max) от величины

стимулирующего напряжения

Что касается канальных волноводов, то при стимулирующем напряжении более 30 В наблюдается уменьшение значения N_max, обусловленное снижением напряжений в стекле, возникающих в результате замены ионов Na⁺ более крупными ионами Ag⁺.

Здесь следует отметить тот факт, что рост N_max обуслов­лен двумя причинами. С одной стороны N_max растет за счет вне­дрения высокопреломляющего иона Ag⁺ на место иона Na⁺, а с другой – в результате внедрения в матрицу стекла вместо иона Na⁺ (0,098 нм) иона Ag⁺ (0,126 нм) с большим радиусом во­зникают механические напряжения, вызывающие увеличение показателя преломле­ния. Особенно сильно этот эффект проявляется в волноводах, полу­чаемых заменой ионов Na⁺ в стекле на более крупные ионы K⁺ из расплава.

Аналогичная зависимость изменения показателя преломления N_max от стимулирующего напряжения и ширины отверстия в маске наблюдается для волноводов, полученных на стеклах от фотопластин в расплаве AgNO₃ и NaNO₃, взятых в молярном отношении 1 : 20 при температуре 350  2°С за 3 мин. При этом N_max имеет значения приблизительно на 0,01 ниже, чем в предыдущем случае.

Использование в качестве подложек стекол К8 (n_s = =1,5136 на  = 0,63 мкм ); C83-I (n_s = 1,510 на  = 0,63 мкм) и СФО (n_s = 1,5410 на  =0,63 мкм) позволило не только улучшить форми­руемые волноводы, но и расширить диапазон изменения эффективного показателя преломления до N_max = 1,71.

Волноводы на стекле К8 формировались по описанной выше схеме в расплаве AgNO₃ и NaNO₃, взятом в молярном отношении I : 10 при температуре 380  2°С в течение 10 мин. При этом стимулирующее напряжение изменялось от 10 до 60 В.

Стекло C83–I представляет собой светочувствительное литиево-алюмосиликатное стекло и содержит 74,2% SiO₂; 8,5% Al₂O₃; 10,6% Li₂O; 4,2% K₂O; 2,5% ZnO и в качестве фоточувствительного элемента – Ag₂O – 0,04%; сенсибилизатора – Sb₂O₃ – 0,04%.

Канальные волноводы формировались в стекле C83–I в расплаве AgNO₃ и NaNO₃ (1:10 моль) при температуре 350  2°С в течение 10 мин. Стиму­лирующее напряжение также изменялось в диапазоне 0 – 60 В.

Поскольку в составе стекла C83–I содержится 10,6% Li₂O, максимальный эффективный показатель преломления достигает в ре­зультате электростимулированной диффузии величины N_max = 1,6287.

Использование стекол с еще более высоким содержанием щело­чей, таких, например, как СФО (применяемого в качестве оболочек для элементов ВОЛС), содержащего Na₂O – 25% и Li₂O – 5%, поз­воляет получить при помощи электростимулированной диффузии из расплава AgNO₃ + +NaNO₃ (1:10 моль) при температуре 350°С за 10 мин. волноводы с N_max = 1,7100.

На рис. 26 для сравнения приведены зависимости N_max для различных стекол: К8, стекло фотопластин, C83–I, СФО с указанием режимов электростимулированной диффузии. Из полученных графиков видно, что подбором материала подложки с использованием одного диффузанта (Ag⁺) удается получать волноводы с довольно большим диапазоном изменения эффективного показателя преломления.

Р ис. 26. Зависимости эффективного показателя преломления

от величины стимулирующего напряжения для стекол:

1 – СФО, AgNO₃ + NaNO₃ (1:10 моль), 350, 10 мин.;

2 – С83-1, AgNO₃ + NaNO₃ (1:10 моль), 350, 10 мин.;

3 – Ф.П.1, AgNO₃ + NaNO₃ (1:10 моль), 350, 3 мин.;

4 – Ф.П.2, AgNO₃ + NaNO₃ (1:20 моль), 350, 3 мин.;

5 – К8, AgNO₃ + NaNO₃ (1:10 моль), 350, 10 мин.

Измерение оптических потерь в сформированных волноводах про­водилось на установке, схема которой приведена на рис. 27.

Рис. 27. Схема установки для измерения оптических потерь

в канальных волноводах

Оптическое излучение гелий-неонового лазера (I), проходя через поляризатор (2), необходимый для регулировки интенсивнос­ти излучения, попадает на светоделитель (3). Отраженный луч используется для контроля за стабильностью работы лазера. Этот контроль осуществляется при помощи фотодиода ФД-24К (10) и цифрового вольтметра B7-2I (11). Луч, про­шедший через делитель (3), фокусируется микрообъективом (4) на входном торце оптического волокна (5) с диаметром световедущей жилы 50 мкм и числовой апертурой NA = 0,2. Выходной торец волокна (5) совмещается с торцом исследуемого волновода, сформи­рованного в стеклянной подложке (6). Оптическое излучение, выхо­дящее из торца волновода, пройдя через микрообъектив (7) и свето­делитель (8), попадает на фотокатод телевизионной камеры ЛИ-474-1 (13), соединенной с телевизором (12) "Электроника ВЛ-100" и предназначенной для визуального контроля совмещения торцов во­локна и волновода. Измерительная часть установки состоит из фото­диода (9) и цифрового вольтметра со встроенным блоком измерения токов (14). Применение такой схемы в процессе измерения позволя­ет определить не только пропускание оптических волноводов, но и оценить эффективность торцевой связи между опти­ческим волокном и волноводом.

Для этого производилось измерение интенсивности оптического излучения на выходном торце оптического волокна ( I₀ ) и интен­сивности на выходном торце канального волновода ( I ). В процес­се измерения длина волновода L дискретно менялась от 24 мм до 4 мм, что позволяло получить дискретный набор значений интенсив­ности на выходном торце волновода I_L1, I_L2 , I_L3 ,..., I_Ln. Для различных длин волноводов L

, (53)

где к – коэффициент ослабления оптического сигнала;

–эф­фективность ввода оптического излучения из волокна в волновод, получаемая путем экстраполирования кривой в область L  4 мм до пересечения с осью ординат.

На рис. 28 представлены зависимости пропускания (%) для волноводов, изготовленных в стеклах от фотопластин (Ф.П.), К8, C83-I, СФО.

Р ис. 28. Зависимости пропускания оптического излучения

от длины волноводов, изготовленных в стеклах К8, СФО, С83-1 и в стекле от фотопластин

Как видно из графиков, минимальными потерями (2 дБ/см) обладают волноводы, сформированные в стекле К8. Малые потери в волноводах на стекле К8 обусловлены высокой однородностью и про­зрачностью подложки и незначительно коллоидной окраской, кото­рая в свою очередь зависит от содержания щелочей в составе стекла.

Однако эффективность ввода оптического излучения из волокна в волновод достигает 67%. Эффективность ввода для волноводов, сформированных в стекле СФО, достигает 83%, но оптические потери в таких волноводах составляют 4 дБ/см и обусловлены в основном интенсивной коллоидной окраской.

Потери в волноводах на стекле К8, Ф.П., C83–I на  =0,85 мкм уменьшаются до I дБ/см, что объясняется отсутствием поглощения, вызванного коллоидной окраской в этом диапазоне длин волн.