2 Обзор литературы
Оптические волноводы – это пространственно-неоднородные структуры для направления света. Оптический волновод служит для ограничения области пространства, в которой может распространяться свет [2].
Основное свойство оптического волновода – способность каналировать электромагнитную энергию оптического диапазона [2]. В лучевом приближении это свойство волновода показано на рис. 2.1.
Рисунок 2.1 – Каналирование луча в оптическом волноводе
Волновод на рисунке представляет собой трехслойную структуру из материалов 1, 2 и 3 с разными оптическими свойствами. В случае каналирования луч распространяется по центральному слою 2. Такое распространение луча возможно при условии его отражения от границ между средами.
Из граничных условий можно вывести выражения, описывающие свойства лучей при отражении и преломлении:
1. ?3 = ?1 (Угол падения равен углу отражения);
2. sin ?2/sin ?1 = n1/n2 (Закон Снеллиуса);
3. Законы Френеля.
Рисунок 2.2 – Отражение и преломление света на границе двух сред
Планарные волноводы – волноводы, ограниченные лишь в одном направлении (рис. 2.3). В данном случае волноводный слой с показателем преломления n0 ограничен в направлении Х и имеет толщину h. Подложка с показателем преломления n1 считается неограниченной в направлении минус Х, а покровный слой с показателем преломления n2 – неограниченным в направлении плюс Х. Чаще всего покровным слоем служит воздух, и n2 = 1 [3].
Рисунок 2.3 – Планарный волновод
Планарные волноводы делятся на два типа – пленочные и градиентные. Будем полагать, что в пленочных волноводах n0 не зависит от координаты X. Такой волновод реализуется нанесением на подложку, изготовленную из одного материала (например, стекла), тонкой пленки из другого материала (например, Ta2O5, стекла с большим показателем преломления) [4].
В градиентных волноводах n0 изменяется плавно в пределах волноводного слоя вдоль оси X, то есть n0 = n0(x). Такие волноводы создаются диффузией ионов металла в подложку (например, Ti в LiNbO3). При этом образуется приповерхностный слой с увеличенным показателем преломления, в котором свет может распространяться путем полного внутреннего отражения от границы волноводного слоя с покровным, и путем рефракции в волноводном слое, являющимся оптически неоднородной средой. На рис. 2.4 показан волновод с распространенной по нему в направлении Z световой волны в приближении геометрической оптики [4].
Рисунок 2.4 – Градиентный волновод: а) распространение световой волны в приближении геометрической оптики; б) профиль показателя преломления
Изготовление градиентных планарных волноводов может быть осуществлено методами ионной имплантации, эффузией, твердотельной диффузией, электростимулированной диффузией и ионным обменом [5].
1) Метод ионной имплантации.
Метод имплантации основан на изменении показателя преломления материала, подвергнутого облучению высокоэнергетическими протонами (1,5 МэВ) или тяжелыми ионами (20-200 кэВ). В результате взаимодействия этих частиц со структурой вещества происходит их торможение, а также смещение атомов вещества. Вследствие этого в поверхностном слое образуется плотная область смешенных атомов. Эти радиационные нарушения представляют большой интерес для создания волноводных слоев, так как именно они вызывают изменение ПП оптических материалов. Основное преимущество метода ионной (протонной) имплантации состоит в получении волноводных слоев с различными профилями ПП, а также в возможности использования для этих целей широкого класса оптических материалов. Однако данный метод требует дополнительной операции в технологической цепи – отжиг волноводных структур, а также сложной и дорогостоящей технологической аппаратуры, что затрудняет его широкое использование [5].
2) Метод эффузии.
В основе этого метода лежит идея улета различных компонентов материала, в состав которого эти компоненты вводились с целью уменьшения ПП. В результате этого улета в поверхностных слоях материала образуется область с повышенным ПП. Так, например, термообработка оптических стекол типа ЛК-1, ??-10 ЛФ-9, содержащих легколетучие соединения фтора, повышает поверхностный показатель преломления и приводит к образованию волнонесущих слоев. Метод эффузии, связанный с нагревом (Т=60-200°С) образца на воздухе, является наиболее простым среди всех существующих способов изготовления волноводов. При этом можно получать одномодовые и многомодовые волноводы с затуханием < 1 дБ/см. К недостаткам этого метода можно отнести узкий выбор материалов, содержащих легколетучие фтористые соединения, а также нестабильность поверхностных слоев этих материалов при комнатной температуре, В связи с этим возможности применения метода эффузии для задач интегральной оптики ограничены [5].
3) Электролиз.
Суть этого метода заключается в том, что под воздействием постоянного электрического поля, приложенного к расположенным на стеклянной пластине электродам, щелочные ионы смещаются к катоду, образуя слой с повышенной концентрацией. Одновременно под анодом образуется слой, обедненный щелочным металлом, если только его соединения не входили в состав материала анода. В зависимости от соотношения ПП стекла и окисла, ответственного за проводимость, волноводными свойствами будут обладать или прикатодный или прианодный слои обработанного стекла. Этот процесс проходит при напряженности электрического поля 300 В/мм и температурах ниже температуры стеклования стекла (Тg). Метод электролиза позволяет получать волноводные слои на широком наборе оптических стекол – щелочносиликатных, боросиликатных, свинцовосиликатных, фосфатных. При этом волноводные потери составляют 1-2 дБ/см. К настоящему времени методом электролиза получены волноводы с перепадом ПП 1,5·10-3. Однако потенциальные возможности этого метода на сегодняшний день изучены недостаточно [5].
4) Метод твердотельной диффузии.
Этот метод основан на диффузии высокопреломляющего модификатора из пленки, предварительно нанесенной на поверхность стеклянной подложки. Модификатор, внедренный таким способом, увеличивает ПП в поверхностном слое стекла, что приводит к созданию волновода. Обычно этот процесс происходит при температурах выше Тg данного стекла. Метод твердотельной диффузии позволяет использовать различные высокопреломляющие модификаторы и тем самым получать волноводы с различным перепадом ПП. Потери в таких волноводах составляют 1-3 дБ/см на длине волны 0,63 мкм. К недостаткам этого метода можно отнести то, что диффузия модификатора (как правило, ионов металлов Аg+, Сu+, Tl+, Рb+, Sn+) в стекло обычно вызывает окрашивание поверхностного слоя, что приводит к дополнительному поглощению волноводного излучения в различных участках спектра. Кроме того, высокая температура, при которой происходит твердотельная диффузия, может изменить различные свойства исходного стекла (например, качество поверхности, фоточувствительность фотохромных стекол и т.д.) [5].
5) Ионный обмен.
Большой интерес при создании градиентных волноводных слоев представляет метод ионообменной диффузии. Суть метода заключается в обмене ионов щелочных металлов, содержащихся в стекле, на ионы других 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+, Li+, K+, Tl+, Rb+, C+ - ?a+. В результате такой замены происходит увеличение ПП в поверхностном слое стекла, что приводит к образованию волновода (Рис.2.5). Обычно ионный обмен проводят при температурах ниже ?g стекла [5].
Рисунок 2.5 – Принцип ионного обмена на примере Na+ - K+ обмена:
а – схема сетки стекла до обмена; б – схема сетки стекла после обмена
Полученные таким методом волноводы обладают минимальными потерями (0,2-0,5 дБ/см) по сравнению с волноводами изготовленными другими методами. Однако возможности свободной ионообменной диффузии ограничены существованием определенных наборов ионов – диффузантов для конкретных типов стекол.
Среди разных ионов-диффузантов можно выделить К+. Ион К+ представляет собой не поглощающий в видимой и ближней ИК области спектра модификатор. Использование К+ позволяет получать волноводы хорошего оптического качества с рекордно малыми потерями (примерно 0,2 дБ/см). Кроме того, образцы стекла, обработанные в расплавах нитратов калия, обладают повышенной механической прочностью, что в настоящее время широко используется в практике упрочнения стекла [5].
2.1 Технология изготовления оптических волноводов в KTP
Объемные кристаллы титанил фосфата калия (KTP), используемые для изготовления волноводных структур, выращиваются двумя способами: гидротермальным и раствор-расплавным. При этом первый из них обеспечивает более низкую (примерно 10-11-10-10 Ом-1·см-1), чем второй (примерно 10-8-10-5 Ом-1·см-1) величину ионной проводимости.
Область прозрачности KTP составляет 0,35±4 мкм, при этом кристаллы KTP, выращенные раствор-расплавным методом, не имеют в этом диапазоне линий поглощения. Дополнительный отжиг в атмосфере О2 при температуре 800? в течении 48 ч позволяет сдвинуть край поглощения до 0,3 мкм (точка Кюри для KTP – 936?) [6].
Основными компонентами для ионного обмена являются одновалентные ионы, такие как Rb+, Cs+ и Tl+ заменяют один ион калия. В результате получается тонкий слой с повышенным показателем преломления по отношению к подложке KTP, который способен направлять свет [7]. Добавки солей двухвалентных металлов Ba(NO3)2 или Sr(NO3)2 в количестве от 1% mol до 20% mol – максимальное, которое может быть растворено в RbNO3 – повышают ионную проводимость кристалла и служат для решения двух задач: увеличения скорости ионного обмена (в случае низкой проводимости кристалла KTP) и повышения однородности волновода путем выравнивания величины проводимости по подложке.
Получаемые волноводы характеризуются следующими величинами профиля показателя преломления (ППП) ?n (? = 0,632 мкм): при использовании RbNO3 – ?n ? 0,2. При этом оптические потери во всех случаях составляют менее 1 дБ / см. Стоит отметить, что из-за различной проводимости используемых подложек времена проведения ионного обмена лежат в диапазоне от 5 мин до нескольких часов при температуре 330-450? [6].
Прямое следование описанным в литературе и указанным выше методикам затруднено. Например, при проведении ионного обмена из расплавов RbNO3/Ba(NO3)2 с концентрацией Ba(NO3)2 от 1% mol и выше подложка KTP оказывается настолько напряженной, что полностью растрескивается при промывке от остатков расплава [6].
2.1.1 Подготовка подложек
Кристаллы KTP, используемые для изготовления волноводов, выращены раствор-расплавным методом при использовании растворителей на основе K2O-KPO3-WO3 на затравку. Пластинки Z-среза толщиной 1 мм вырезались из монокристаллов. Затем они полировались алмазным порошком с размером зерен до 0,5 мкм. Изготовленные подложки не имели включений растворителя и малоугловых границ.
Очистка подложек после оптической полировки проводится последовательно в этиловом спирте, ацетоне, хромпике и дистиллированной воде.
Затем на поверхности подложек путем фотолитографии формируется маска, через зазор в которой проходит ионный обмен. В экспериментах использовались четыре типа масок: маска из Au толщиной 500 ? с подслоем Тl толщиной 100 ?, Тl маски толщиной 500 ?, маски, получаемые окислением Тl при температуре 850? в течение 0,5 ч (ТlO2 + ТlO и т.д.), а так же маски из SiO2. Отметим, что при последующем ионном обмене использование Тl + Au и Тl масок приводит к некоторому окрашиванию кристалла KTP на всю толщину и, таким образом, увеличивает оптические потери [6]. В отличие от ТlO2, маски этого типа могут быть удалены безкислотным травителем без деградации поверхности кристалла. Данное обстоятельство важно для последующего изготовления электродов при создании электрооптических модуляторов и других активных интегрально-оптических элементов.
2.1.2 Ионный обмен
Ионный обмен проводится следующим образом. Подложка KTP с изготовленной на ее поверхности маской помещается в закрытый платиновый тигель, дно которого имеет отверстия для удаления расплава по окончании процесса ионного обмена. Тигель с подложкой разогревается до температуры 320? в течении 5 мин и затем помещается в расплав соответствующей смеси солей, температура которой поддерживается равной 350?. Время выдержки составляет 15 мин, после чего тигель с подложкой охлаждается на воздухе до комнатной температуры. После охлаждения производится отмывка подложек дистиллированной водой, спиртом и ацетоном [6].
После контроля модового состава полученных таким образом волноводов возможно проведение дополнительного ионного обмена с целью его коррекции. Он проводится так же, как описано выше.
2.2 Измерения характеристик градиентного планарного волновода
При распространении электромагнитных волн в тонких пленках и слоях может возникать явление интерференции. В случае оптических волноводов интерференция оказывает решающее влияние на характер распространения волны.
В оптических волноводах интерференционные эффекты приводят к резонансному распространению электромагнитных волн и формированию волноводных мод.
Модой оптического волновода называется тип волны оптического излучения, распространяющегося по оптическому волноводу, характеризующийся определенным распределением поля в поперечном сечении и определенной фазовой скоростью [8].
Волокно с малым поперечным сечением и/или небольшим различием в показателе преломления (малая числовая апертура) может быть в состоянии направлять только одну поперечную моду (для данной оптической частоты и поляризации) и ни одну моду высшего порядка; его называют одномодовым волокном. Распределение поля после определенного расстояния распространения всегда напоминает постоянное распределение поля моды, независимо от начального распределения поля, при условии, что ненаправляемые моды были потеряны (например, поглощены в оболочке). Многомодовые волноводы – это те, которые поддерживают несколько или даже больше направляемых мод (иногда много тысяч) [9].
Распространение лучей в планарном волноводе показано на рис. 2.6. Так как волновод в поперечном сечении ограничен только по оси x, то волноводное распространение лучей за счет полного внутреннего отражения возможно только в плоскости XZ. Лучи, соответствующие моде низшего порядка (N = 0), падают на границы раздела сред с максимальным углом падения.
Рисунок 2.6 – Распространение лучей в планарном волноводе
Из рисунка видно, что при прохождении одного и того же отрезка волновода моды разного порядка проходят разный путь: чем выше номер моды, тем больший путь она проходит (эффект межмодовой дисперсии). Это приводит к возникновению задержки распространения оптического сигнала на высших модах по сравнению с распространением сигнала на нулевой моде (эффект межмодовой задержки). Поэтому оптический импульсный сигнал, распространяющийся по волноводу на нескольких модах, будет искажаться [10].
Градиентный волновод изображен на рис. 2.7, где ?m – угол распространения для мод различных порядков (в данном случае ?0 – угол распространения ТЕ0 моды, ?1 – угол распространения TEI моды), ns и nс – соответственно показатели преломления подложки и среды, находящейся над волноводом [5].
Рисунок 2.7 – Плоский диффузионный волновод (экспоненциальный профиль). Зигзагообразная модель распространения волн для ТЕ0 моды (сплошная кривая, угол распространения ?0) и для ТЕ1 моды (пунктирная кривая, угол распространения ?1)
Распределение показателя преломления по поперечному сечению такого волновода имеет вид:
(2.1)
Здесь
где nf – максимальное значение показателя преломления (если оно наблюдается на расстоянии хf – от поверхности волновода, то f (xf / xm) = I).
Достигаемые на практике приращения ?n показателя преломления не превышают нескольких процентов, что значительно меньше резкого скачка показателя преломления на границе волновода с окружающей средой (например, с воздухом):
(2.2)
Критическое значение глубины волноводного слоя d зависит от конкретного вида функции распределения f (х/хm), так же от порядка m возбуждаемой моды.
Волноводные моды градиентного волновода характеризуются эффективным показателем преломления nm = ?m/k. Кроме того, для градиентных волноводов вводится понятие глубины волноводного слоя для m-ой моды xm (расстояние от поверхности до точки поворота). При этом в точке поворота:
(2.3)
где xm – координата точки поворота для данной моды.
2.2.1 Возбуждение с помощью призмы
Возбуждение волновода с помощью призмы (при этом nр > nf > ns , nc = 1) использует явление нарушенного полного внутреннего отражения. В этом случае призма располагается на некотором расстоянии (порядка 1/8-1/4 ?) от волновода, а угол падения луча ? на основание призмы должен превышать угол полного внутреннего отражения, т.е.:
(2.4)
При этом суперпозиция падающей волны и волны, испытывающей полное внутреннее отражение, дает стоячую волну вдоль вертикальной оси Х в более плотной среде, а ниже границы раздела двух сред Х = 0 поле экспоненциально затухает (рис. 2.8) [11].
Экспоненциальное поле, при малом зазоре между призмой и пленкой, проникает в пленку и возбуждает световую волну в ней. Этот процесс обычно называют оптическим туннелированием.
