Создание градиентных волноводов на фото-термо-рефрактивном стекле и измерение их профиля показателя преломления

СОЗДАНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ ВОЛНОВОДОВ НА ФОТО-ТЕРМО-РЕФРАКТИВНОМ СТЕКЛЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ИХ ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

С.С. Киселев

Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор Н.В. Никоноров

В работе исследовались возможности фото-термо-рефрактивного стекла как материала для создания градиентных волноводов. Методом низкотемпературной ионообменной диффузии и методом термической эффузии на ФТР-стекле были созданы многомодовые градиентные волноводы, изучены их оптические параметры и построены профили показателя преломления.

Введение

На сегодняшний день перспективным направлением является изучение свойств фото-термо-рефрактивных (ФТР) стекол, используемых как эффективный фоторегист-рирующий материал для записи объемных фазовых голограмм. ФТР-стекла обладают высокой химической устойчивостью и механической прочностью, выдерживают воздействие мощного непрерывного и импульсного лазерного излучения, а их спектральные характеристики остаются неизменными при многократном нагреве до высоких температур (490°С). Кроме того, фото-термо-рефрактивные стекла могут сочетать в себе одновременно лазерные и волноводные свойства. Таким образом, открывается возможность создания на основе ФТР-стекла полифункциональных устройств для интегральной оптики.

В настоящей работе исследовались возможности ФТР-стекла как материала для создания градиентных волноводов. Исходя из химического состава стекла (Ыа20- 2п0-А1203- Р- Вг- БЮг), можно заключить о возможности создания на его основе градиентных волноводов двумя наиболее простыми методами - методом низкотемпературной ионообменной диффузии и методом термической эффузии. Целью данной работы являлось создание градиентных волноводов на основе ФТР-стекла двумя методами, а также измерение их профиля показателя преломления, дающего информацию о глубине волновод-ного слоя, количестве волноводных мод и величине двулучепреломления.

Методы создания волноводов

Среди известных методов создания градиентных волноводов (ионная имплантация, эффузия, твердотельная диффузия, электростимулированная диффузия) особое место занимает метод ионообменной диффузии [1-3]. Этот метод обладает рядом преимуществ: простота, технологичность, воспроизводимость. Диффузионные волноводы могут быть получены с разнообразными параметрами на широком наборе силикатных стекол при использовании различных ионов-диффузантов с хорошим качеством поверхности и однородностью, с низким затуханием и повышенной механической прочностью. Суть метода заключается в обмене ионов щелочных металлов, содержащихся в стекле, на ионы других одновалентных металлов из расплавов солей вследствие различия их химических потенциалов. Как правило, диффундирующие из расплава в стекло ионы имеют большую удельную рефракцию, чем ионы, диффундирующие из стекла в расплав, например Ag+, Ы+, Т1+, ЯЪ+, (расплав) ^ (стекло). В результате такой замены происходит увеличение показателя преломления в поверхностном слое стекла, что приводит к образованию волновода. Кроме того, в случае обмена ионов различных радиусов изменение показателя преломления и формирование волновода в поверхностном слое стекла обусловливается возникающими механическими напряжениями. Например, при ионном обмене К+ (расплав) ^ (стекло), так как коэффициенты реф-

ракции ионов К+ и близки, изменение показателя преломления и формирование волновода полностью определяется возникающими сжимающими механическими напряжениями [4-6]. Обычно ионный обмен проводят при температурах ниже Тё стекла.

Создание волновода методом эффузии заключается в уменьшении концентрации фторид-ионов в поверхностных слоях ФТР-стекла за счет улетучивания фторидных компонентов стекла, что приводит к увеличению показателя преломления [7, 8].

Методика измерения профиля показателя преломления волноводов

Экспериментальное исследование полученных на ФТР-стекле волноводов в данной работе заключалось в измерении эффективных показателей преломления волно-водных мод методом их селективного резонансного возбуждения при помощи приз-менных устройств ввода/вывода лазерного излучения в волноводный слой [9, 10]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения параметров волноводов. На схеме: 1. одномодовый Не-Ыв-лазер (Л = 0,6328мкм), 2. ромб Френеля, 3. поляризатор, 4. диафрагма, 5. поворотный столик с лимбом (стрелками показаны возможные перемещения поворотного столика), 6. исследуемый волновод, 7,8. призмы ввода и

вывода, 9. экран

В качестве источника излучения использовался одномодовый He-Ne-лазер (Х=632,8 нм). Перемещением поворотного столика с лимбом падающий лазерный луч направляется на призму, плотно прижатую к волноводу, под такими углами, чтобы свет внутри призмы испытывал полное внутреннее отражение. Если зазор между призмой и волноводом составляет порядка 1/4 Л, то, благодаря эффекту оптического туннелирова-ния, излучение проникает в волноводный слой и при углах, соответствующих условию фазового синхронизма, резонансно возбуждает волноводные моды. Изменением направления поляризации излучения можно возбуждать ТЕ и ТМ моды одновременно или поочередно. Второй призмой возбужденные волноводные моды выводятся из волновода на экран, что позволяет зафиксировать и записать резонансные углы возбуждения мод вс, по которым, зная показатель преломления призмы Пр и преломляющий угол призмы Р, определяются эффективные показатели преломления мод пт.

sin

пт = пр sin

P ± arcsin

пр

Кроме того, фиксируя угол вс, при котором наступает полное внутреннее отражение, по формуле (1) можно определить показатель преломления подложки волновода

(метод Аббе с обратным ходом лучей), что очень важно, так как его значение может изменяться в процессе создания волновода.

По измеренным данным с помощью метода ВКБ с использованием кусочно-линейной аппроксимации [11], реализованном в среде МаШСаё, восстанавливается профиль показателя преломления волновода, т.е. зависимость значения показателя преломления от глубины волноводного слоя.

Эксперимент и обработка результатов

При создании градиентного волновода методом низкотемпературной ионообменной диффузии на натриево-цинко-алюмо-фтор-силикатном ФТР-стекле предварительно разогретый образец помещался в расплав ККО3 и выдерживался внутри печи при температуре 370°С в течение 5 часов. Точность измерения и поддержания температуры составляла ±1°С. Описанной выше методикой были измерены эффективные показатели преломления мод полученного волновода, а также значение показателя преломления подложки. Измерения проводились с помощью призмы с преломляющим углом 59,93°, сделанной из промышленного стекла марки ТБФ3 (показатель преломления для Х=632,8 нм равен Пр =1,75207). Точность измерений составляет ±0,0002. Результаты измерений представлены в табл. 1.

Номер моды Значения эффективного показателя преломления мод ТЕ-поляризации Значения эффективного показателя преломления мод ТМ-поляризации Значение показателя преломления подложки до ионного обмена Значение показателя преломления подложки после ионного обмена

0 1,4998 1,5010 1,4939 1,4939

1 1,4978 1,4987

2 1,4963 1,4973

3 1,4951 1,4960

4 1,4940 1,4949

5 1,4940

Таблица 1. Результаты измерений оптических параметров К+- ионообменного волновода, созданного на ФТР-стекле при Т=3700С в течение 5 часов

В среде МаШСаё с помощью метода ВКБ был построен профиль показателя преломления полученного волновода (рис. 2).

Создание градиентного волновода методом термической эффузии проводилось на образце из того же стекла, что и при ионном обмене. Образец выдерживался в печи при температуре 370°С в течение 21 часа. В результате такой термообработки волноводного слоя на поверхностном слое образца не обнаружено. В то же время было зафиксировано уменьшение значения показателя преломления стекла на 0,0007, что, возможно, связано с процессами отжига стекла и релаксацией напряжений.

Следующий эксперимент по созданию волновода методом эффузии из того же ФТР-стекла проводился при температуре 512°С в течение 12 часов. В результате измерений было обнаружено возникновение четырехмодового волновода, а уменьшение значения показателя преломления подложки составило 0,0025, что, вероятно, обусловлено паразитной кристаллизацией в объеме стекла. Результаты приведены в табл. 2.

С помощью метода ВКБ в среде МаШСаё был получен профиль показателя преломления волновода, представленный на рис. 3.

1.506

1.492-

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

глубина х, мкм

-- ТМ поляризация А д а ТЕ поляризация

Рис. 2. Профиль показателя преломления К+-ионообменного волновода,

глубина х, мкм

-- ТМ поляризация а ТЕ поляризация

Рис. 3. Профиль показателя преломления эффузионного волновода, созданного на ФТР-стекле при Т=512°С в течение 12 часов

Значения эффектив- Значения эффектив- Значение показате- Значение показа-

Номер ного показателя пре- ного показателя пре- ля преломления теля преломле-

моды ломления мод ТЕ- ломления мод ТМ- подложки до эффу- ния подложки

поляризации поляризации зии после эффузии

0 1,4985 1,4979

1 1,4948 1,4949 1,4939 1,4914

2 1,4929 1,4929

3 1,4918 1,4918

Таблица 2. Результаты измерений оптических параметров эффузионного волновода, созданного на ФТР стекле при Т=5120С в течение 12 часов

Обсуждение результатов

Полученная методом низкотемпературного ионного обмена многомодовая волно-водная структура (рис. 2) подтверждает применимость к ФТР-стеклу ионообменной технологии. Кроме того, из табл. 1 видно, что в результате ионного обмена оптические свойства (а именно показатель преломления) самого стекла не изменились, а значит, стекло не должно ухудшить свои фоточувствительные и лазерные свойства. Характерная для К+-ионообменных волноводов напряжений анизотропия и глубина волноводно-го слоя (~18 мкм), полученные при данных условиях, характеризуют ФТР-стекло как близкое по ионообменным свойствам к коммерческому стеклу К-8 [12].

В работе было также доказана возможность создания многомодового волновода на ФТР-стекле методом термической эффузии (рис. 3), однако данный метод не представляется на данный момент перспективным с точки зрения волноводной технологии, так как требует длительных термообработок при высоких температурах, которые приводят к изменению оптических и ухудшению физико-химических свойств стекла [13]. Уменьшение концентрации фторидных соединений в процессе эффузии, вероятно, может отрицательно влиять на фото-рефрактивные свойства ФТР-стекла. Кроме того, проявление записанных на ФТР-стекле голограмм происходит, как правило, при температурах 512-520°С, поэтому представляет интерес более подробное изучение влияние эффузии на процесс записи фазовых голограмм.

Заключение

В работе исследовались возможности ФТР-стекла как материала для создания градиентных волноводов. Методом низкотемпературной ионообменной диффузии и методом термической эффузии на ФТР-стекле были созданы многомодовые градиентные волноводы. По описанной в работе схеме, методом резонансного возбуждения волно-водных мод, были изучены оптические параметры полученных волноводов и построены зависимости значения показателя преломления от глубины волноводного слоя. По полученным результатам можно сделать вывод, что ФТР-стекло близко по ионообменным свойствам к коммерческому стеклу К-8, а процесс эффузии требует более подробного изучения с точки зрения влияния улета фторид-ионов на фото-рефрактивные свойства стекла.

Литература

1. Петровский Г.Т., Агафонова К.А., Мишин А.В., Никоноров Н.В. Волноводный эффект в оптических стеклах, модифицированных методом ионообменной диффузии из расплавов AgNO3-NaNÜ3 // Физ. и хим. стекла. - 1981. - Т.7. - № 1. - С. 98-102.

2. Аксенов Е.Т., Липовский А.А., Павленко А.В. Формирование маломодовых оптических волноводов в стекле, образованных диффузией ионов К+ // Ж. техн. физ. -1981. - Т.51. - № 1. - С. 222-224.

3. Евстропьев К.К. Диффузионные процессы в стекле. - Л., Стройиздат, 1970. - 168 с.

4. Глебов Л.Б., Никоноров Н.В., Петровский Г.Т., Филиппова М.Н. Влияние напряжений на показатель преломления градиентных слоев стекла, полученных методом ионообменной диффузии // Физ. и хим. стекла. - 1983. - Т. 9. - № 2. - С. 683-688.

5. Глебов Л.Б., Морозова И.С., Петровский Г.Т. Роль напряжений в формировании спектра мод в плоском диффузионном волноводе // Физ. и хим. стекла. - 1984. -Т.10. - № 2. - С. 194-198.

6. Глебов Л.Б., Никоноров Н.В., Петровский Г.Т. О возникновении напряжений в стекле в процессе низкотемпературного ионного обмена // Физ. и хим. стекла. -1988. - Т.14. - № 6. - С. 904-906.

7. Редько В.П., Шляхтичев О.Д. Получение оптических волноводов методом эффузии // Письма в ЖТФ. - 1978. - Т.4. - № 23. - С. 1414-1416.

8. Петровский Г.Т., Редько В.П., Шляхтичев О.Д. Неоднородные планарные оптические волноводы на основе фторсодержащих стекол // Докл. АН БССР. - 1982. -Т.26. - № 3. - С. 222-224.

9. Интегральная оптика. / Под ред. Т. Тамира. - М.: Мир, 1978. - 344 с.

10. Tien P.K., Ulrich R., Martin R.J. Modes of propagating light waves in thin deposited semiconductor films // Appl. Phys. Lett. - 1969. - V.14. - № 9. - Р. 261-294.

11. White J.M., Heidrick P.F. Optical waveguide refractive index profiles determined from measurements of mode indices: a simple analysis //Appl. Opt. - 1976. - V.15. - № 1. -Р.151-155.

12. Никоноров Н.В. Механизм формирования планарных диффузионных оптических волноводов на стеклах и образование в них центров окраски. Дис. ... д.т.н. - Л., 1985, С.36-43.

13. Никоноров Н.В. Влияние ионообменной обработки на физико-химические свойства поверхности стекол и волноводов // Физ. и хим. стекла. - 1999. - Т.25. - № 3. -С. 271-308.