СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНОГО ВОЛНОВОДА
METHOD OF MAKING PLANAR WAVEGUIDE

Изобретение относится к технологии изготовления планарных волноводов - основного элемента интегрально-оптических систем и может быть использовано при изготовлении разветвителей, соединителей, интерферометров и других элементов интегрально-оптических систем, а также элементов фотонных приборов.
Известен способ изготовления планарного волновода, заключающийся в совмещении поверхности пластины из фазо-разделенного боросиликатного стекла с плоскостью сформированного лазерного пучка с длиной волны излучения УФ диапазона спектра, относящейся к области максимального поглощения материала пластины, перемещении пластины относительно сформированного лазерного пучка, выщелачивание пластины с планарным волноводом целиком, либо части ее, превышающей по толщине толщину планарного волновода, в растворе кислоты, в дальнейшем промывании в воде и высушивании [A.Styrltsov, N.Borelli, et al. "Laser-written high-contrast waveguides in glass". Proceedings of SPIE, v.7366, 736611, 2009].
К недостаткам данного способа следует отнести наличие переходного слоя с изменяющейся пористостью, т.е. слоя, окружающего планарный волновод, возрастающей от нуля в планарном волноводе до пористости пластины.
Изменение физических и оптических характеристик планарного волновода с течением времени, обусловленное природой пористого стекла, а также наличие значительных механических напряжений, способных привести к разрушению пластины с планарным волноводом, если выщелачивание произведено не на всю толщину пластины, а только на ее часть, охватывающую планарный волновод, также относится к недостаткам данного способа.
Известен способ изготовления планарного волновода в пластине из пористого оптического материала, заключающийся в совмещении поверхности пластины с плоскостью сформированного лазерного пучка с длиной волны излучения в области максимального поглощения материала пластины и перемещения пластины относительно сформированного лазерного пучка до образования волновода, выбранный авторами за прототип [Т.В.Антропова, И.Н.Анфимова, В.П.Вейко, Г.К.Костюк, Е.Б.Яковлев. «Химия и технология наноструктурированных матриц (пористых стекол) для элементов интегрально-оптических систем связи». Тезисы докладов Второго Международного форума по нанотехнологиям «Rusnanotech 2009» (Москва, 6-8 октября 2009 г.), 2009, с.507-509].
К недостаткам способа прототипа следует отнести наличие переходного слоя с изменяющейся пористостью, т.е. слоя, окружающего планарный волновод, с пористостью, возрастающей от нуля в планарном волноводе до пористости пластины. Наличие такого переходного слоя, окружающего планарный волновод, при использовании его в качестве базового элемента интегрально-оптической системы, например, для передачи информации, приводит к искажению передаваемой информации, проявляющемуся в возникновении дополнительных мод, способных распространяться по данному волноводу, а также к боковому рассеянию энергии, увеличивающему энергетические потери.
пв
пл
Наличие переходного слоя значительно уменьшает различие в показателях преломления Δn планарного волновода (n) и окружающего его материала пластины (n), что приводит к уменьшению числовой апертуры (NA) планарного волновода, увеличению минимального радиуса кривизны изогнутого планарного волновода и соответственно препятствует уменьшению линейных размеров интегрально-оптической системы.
К недостаткам способа прототипа следует отнести изменение физических и оптических характеристик планарного волновода с течением времени, обусловленное природой пористого стекла, окружающего планарный волновод.
Пористое стекло, окружающее планарный волновод, в силу своих структурных особенностей - разветвленной системы пор и каналов - является нестабильным материалом, физические и оптические характеристики которого изменяются с течением времени за счет абсорбции пористым стеклом из окружающей среды газов, паров, отдельных молекул и атомов, входящих в состав воздуха, а также частиц малого размера, загрязняющих воздух [N.V.Antropova, D.Petrov, E.Yakovlev. "Porous glasses as basic matrixes of micro-optical devices: effect of composition and leaching conditions of the initial phase separated glass". Physics and Chemistry Glasses. - 2007, vol.48, N5, p.324-327].
Указанные недостатки способа прототипа снижают качество эксплуатационных характеристик планарного волновода, проявляющиеся в нарушении модового состава и увеличении энергетических потерь передаваемого сигнала по планарному волноводу, а также приводят к изменению физических и оптических характеристик планарного волновода с течением времени.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества оптических и эксплуатационных характеристик планарного волновода, таких как числовая апертура, модовый состав излучения и его ослабление при передаче по волноводу с одновременным сохранением постоянства этих характеристик с течением времени.
Поставленная цель в заявляемом способе достигается тем, что согласно способу изготовления планарного волновода, заключающемуся в формировании лазерного пучка, совмещении поверхности пластины из пористого оптического материала с плоскостью сформированного лазерного пучка с длиной волны излучения в области максимального поглощения материала пластины, перемещении пластины относительно сформированного лазерного пучка до образования волновода, осуществляют термообработку пластины с планарным волноводом в печи при температуре не ниже 820°С и не выше 920°С в течение интервала времени, удовлетворяющего условию 15 мин ≤t≤30 мин.
Указанные пределы температур и длительности термообработки пластины с планарным волноводом, обеспечивающие устранение переходного слоя и сохранение оптических характеристик планарного волновода, определены экспериментально.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема для реализации способа изготовления планарного волновода. На фиг.2 приведен спектр пропускания пластины пористого стекла для ультрафиолетовой и видимой областей спектра. Для ультрафиолетовой области спектра короче 200 нм светопропускание пластины стремится к нулю, поэтому светопоглощение пластины стремится к максимуму. Другими словами, пластина пористого стекла оптически непрозрачна для данной области спектра.
На фиг.3, 4, 5 приведены фотографии планарных волноводов, изготовленных согласно способу прототипа. На всех фигурах 3-5 присутствует переходный слой с толщиной, соизмеримой с толщиной планарного волновода.
На фиг.6 приведена компьютерная распечатка фотографии планарного волновода (фиг.3), прошедшего термическую обработку в печи при температуре 870°С в течение 25 мин. Видна резкая граница планарный волновод-пластина и полное устранение переходного слоя.
На фиг.7 приведена компьютерная распечатка фотографии планарного волновода (фиг.4), прошедшего термическую обработку в печи при температуре 840°С в течение 30 мин. Видна резкая граница планарный волновод-пластина и полное устранение переходного слоя.
На фиг.8 приведена компьютерная распечатка фотографии планарного волновода (фиг.4), прошедшего термическую обработку в печи при температуре 810°С в течение 10 мин. Толщина переходного слоя, окружающего планарный волновод, уменьшилась более чем на треть.
На фиг.9 приведена компьютерная распечатка фотографии планарного волновода (фиг.4), прошедшего термическую обработку в печи при температуре 810°С в течение 40 мин. Отчетливо видно частичное устранение границы планарный волновод-пластина.
На фиг.10 приведена компьютерная распечатка фотографии планарного волновода (фиг.5), прошедшего термическую обработку в печи при температуре 930°С в течение 10 мин. Видна начавшаяся кристаллизация планарного волновода и пластины.
На фиг.11 приведена компьютерная распечатка фотографии, показывающая распространение излучения He-Ne лазера (λ=0.633 мкм) по изогнутому планарному волноводу (фиг.6). Ореола, окружающего планарный волновод и свидетельствующего о боковом рассеянии излучения, на снимке нет.
На фиг.12 приведена компьютерная распечатка фотографии, показывающая распространение излучения He-Ne лазера (λ=0.633 мкм) по прямолинейному планарному волноводу (фиг.7). Ореола, окружающего планарный волновод и свидетельствующего о боковом рассеянии излучения, на снимке нет.
Устройство для реализации предлагаемого способа (фиг.1) содержит эксимерный лазер (например, лазер модели ЛЛ-1 на ArF с длиной волны излучения λ=0.193 мкм, средней мощности излучения , длительностью импульса τ=8-10 нс, частотой повторения импульсов ν=100 Гц и апертурой пучка 5×12 мм) (1), цилиндрическую линзу (2), трансформирующую пучок лазера с прямоугольной апертурой и соответственно с различными расходимостями излучения в плоскостях X и У в пучок круглого сечения, поворотного зеркала (3), диафрагмы (4), микрообъектив (5) с числовой апертурой (NA) в диапазоне 0.2-0.3, координатный столик (7), на котором размещают пластину (6).
Координатному столику (7) обеспечена возможность перемещении в плоскостях X и У с диапазоном скоростей 0.1-20 мм/с. Координатный столик (7) может быть заменен на столик (8), выполненный с возможностью вращения вокруг оптической оси Z с диапазоном угловых скоростей 0.5-10 рад/с и линейного перемещения по одной из координат X или У, с диапазоном скоростей 0.1-20 мм/с.
В устройстве предусмотрен канал визуализации плоскости обработки, включающей He-Ne лазер (λ=0.633 мкм, Р=30 мВт) (9) и полупрозрачное зеркало (10).
В устройстве используется проекционная схема обработки, при которой область воздействия на поверхности пластины формируется путем проекции диафрагмы, что обеспечивает более четкую границу планарный волновод-пластина по сравнению с той, которая образуется при фокусировке излучения на поверхности пластины.
Устройство работает следующим образом. Формирование лазерного пучка осуществляют с помощью цилиндрической линзы (2) и микрообъектива (5). Пучок прямоугольного сечения, излучаемый лазером (1), трансформируется цилиндрической линзой (2) в пучок круглого сечения с равной расходимостью в плоскостях X и У, отражается от поворотного зеркала (3), полностью заполняет диафрагму (4), проецируемую микрообъективом (5) на поверхность пластины (6), размещенной на координатном столике (7) или (8), перпендикулярно падающему пучку.
Совмещение поверхности пластины (6) с плоскостью сформированного лазерного пучка, совпадающей с плоскостью изображения микрообъектива (5), проецирующего диафрагму (4) на поверхность пластины (6), осуществляют либо перемещением микрообъектива (5), либо пластины (6) вдоль оптической оси.
Перемещение поверхности пластины относительно сформированного лазерного пучка реализуется за счет перемещении координатного столика (7) и обеспечивает формирование волновода за счет термоуплотнения материала, основанного на локальном термическом воздействии сформированного пучка лазера, сопровождающемся усадкой материала пластины и соответственно изменением показателя преломления в пределах сечения сформированного пучка лазера, имеющего длину волны излучения в области максимального светопоглощения пористого оптического материала, например, для пористого боросиликатного стекла ArF-лазер с длиной волны излучения λ=0.193 нм. Перемещение осуществляют до образования волновода.
Вращение координатного столика (8) с заданной угловой скоростью вокруг оси OZ и линейное перемещение одной из координат X или У позволяет изготовлять изогнутые планарные волноводы.
Термообработку пластин с планарным волноводом осуществляют в печи, например, модели СНОЛ 6/10, в которой возможен нагрев до 1050°С и возможность поддерживать температуру с точностью ±5°С.
Для образцов, параметры термической обработки которых были выбраны в соответствии с параметрами, приведенными в формуле изобретения (например, 870°C, t 25 мин, фиг.6 или 840°С, t 30 мин. фиг.7) характерно полное устранение переходного слоя. Различие в показателях преломления планарный волновод-пластина по результатам наших исследований в этом случае составляло 0.0152±0.0008. Для планарных волноводов с типичной шириной 4-10 мкм при различии Δn≈0.015 числовая апертура может достигать значений 0.15-0.2.
Для образцов, параметры термической обработки которых были выбраны не удовлетворяющими параметрам, приведенным в формуле изобретения (например, 810°С, t 40 мин, фиг.9) характерно частичное исчезновение границы планарный волновод-пластина. Различие в показателях преломления планарный волновод-пластина таких образцов по результатам наших исследований в этом случае составляло 0.0026±0.0008, что являлось косвенным подтверждением частичного устранения границы.
Измерение различия Δn для образцов (фиг.6, 7), проводимое нами в течение года, подтверждает стабильность оптических характеристик планарного волновода.
Таблица 1
Результаты измерения Δn для образца (фиг.6).
№ п/п
Δn
Дата измерения
1
0.0146±0.0008
10 апреля 2010 г.
2
0.0152±0.0008
14 января 2011 г.
3
0.0150±0.0008
19 апреля 2011 г.
Отсутствие ореола излучения, окружающего планарный волновод, при распространении по нему излучения, например, He-Ne лазера подтверждает отсутствие бокового рассеяния (фиг.11, 12).
На основании вышеизложенного заявленная совокупность позволяет повысить качество оптических и эксплуатационных характеристик планарного волновода, таких как числовая апертура, модовый состав излучения и его ослабление при передаче по волноводу с одновременным сохранением постоянства этих характеристик с течением времени. Создание такого планарного волновода позволит устранить искажение передаваемой информации.