Способ изготовления элементов интегральной оптики

 

Изобретение относитсн к области интегральной оптики и может найти применение йри создании устройств связи и оптической обработки информации. Целью изобретения является получение планарной волноводной гра диентной линзы. Диэлектрическую подложку , предназначенную для изготовления линзы, нагревают до появлений , 1 и .проводимости Ю З... 10 Ом см приводят в контакт с веществом (металлической пленкой или солевым расплавом ), содержащим ионы, способные диффундировать в подложку и повышать ее показатель преломления. Диффузию проводят в неоднородном электрическом поле с максимальной напряженностью 50...500 В/см до образования волноводного слоя с изменяющейся по плоскости подложки величиной показателя преломления, закон изменения которого задается конфигурацией электрического поля. 3 ил. (Л с 3. .

СОЮЗ СОЕЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИН

5 0 А1

09) (11> (я) 4 С 03 С 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС ГВУ

1-88

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ

=Ма. (46) 07.09.88 Бюл. У 33 (21) 3998214/31-33 (22) 17. 12.85 (71) Могилевское отделение Института физики АН БССР (72) А.И. Войтенков и В.П. Редько (53) 666.1.053.65(088.8) (5Ü) 01зЯгаяа. S., Ptsuka А: Focu"

sing diffused waveguides. - 0ptoE1ectronics, 1973, v. 5, N 4, ð. 309 321 °

Viljanen S Leppiha1me M. Fabri"

cation of optical strip wavequides

with nearly circular cross section

by silver ion migration technique.

S. Appl. Phys 1980, 51, и 7, 35633565. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛКМЕНТОВ

ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ (57) Изобретение относится к области интегральной оптики и монет найти применение Ври создании устройств связи и оптической обработки инфор- мации. Целью изобретения является получение планарной волноводной градиентной линзы. Диэлектрическую подложку, предназначенную для изготовления линзы, нагревают до появлений проводимости 10 ... 10 Ом см-"и приводят в контакт с веществом (металлической пленкой.или солевым расплавом), содержащим ионы, способные . диффундировать в подложку и повыщать ее показатель преломления. Диффузию проводят в неоднородном электрическом поле с максимальной напряженностью 50...500 В/см до образования ф волноводного слоя с изменяющейся по плоскости подломки величиной hoказателя преломления, samoa изменения которого задается конфигурацией элек" % в трического поля. 3 ил.

1Зб56

Изобретение относится к интегральной оптике, в частности к технологии изготовления основных элементов интегрально-оптических устройств в

5 волноводном исполнении.

Целью изобретения является получение планарной волноводной градиентной линзы.

Диэлектрическую подложку, пред- 10 назначенную для изготовления линзы, одНой иэ сторон. приводят в контакт с веществом, содержащим ионы металлов, способные диффундировать s зту подложку, и нагревают цо температуры, при которой ее про- . водимость достигает величины 10 ...

10 Ом cM . Затем между противоположными поверхностями подложки создают постоянное неоднородное электричее- 2п кое поле определенной конфигурации с максимальной напряженностью от 5 до

50 8/мм, причем в качестве анода используют поверхность, контактирующую с диффузантом. Длительность операции 25 выбирают достаточной для обраэова" ния градиентного волноводного слоя, поддерживающего заданное число мод. ,По ее завершении подложку охлаждают, а остатки диффузанта и электроды уда« ЗО ляют.

Механизм образования волноводной градиентной линзы состоит в следующем.

При нагревании диэлектрическая подложка становится электропроводяI щей, Носителями заряда в ней обычно являются ионы щелочных металлов.

Под действием приложенного извне " электрического поля они смещаются из прианодной поверхности подложки в направлении к катоду. Образовавшиеся вакансии эквивалентно замещаются ионами диффузанта, содержащимися в веществе анода. Чем больше напря- 4Б женность приложенного поля в произвольно выбранной точке, тем на большую глубину при прочих равных условиях проникают диффундирующие ионы и тем больше показатель преломления легированного слоя.

Заданного распределения волноводного показателя преломления в поперечном сечении линзы достигают путем подбора определенной конфигурации электродов. Установлено, что распределение составляющей поля, перпенди-. кулярной поверхности подложки, под действием которой происходит внед30 2 рение диффузанта, в первом приближе. нин должно повторять заданную форму профиля гкзказателя преломления линзы. Более точно требуемая конфигурация поля подбирается экспериментально в соответствии с режимами ее из" готовления, Предлагаемый способ позволяет получить любое, в .том числе обеспечивающее идеальную фокусировку распределение показателя преломления в линзе.

Профиль показателя преломления линзы регулируется здесь самой физико-химической природой процесса электродиффузии. Это позволяет получать линзы с воспроизводимыми параметрами и контролировать их непосредственно в процессе изготовления путем измерения величины заряда, пропущенного между электродами. В предлагаемом способе вся операция по изготовлению линзы проводится в один этап с минимальными затратами времени и материалов. Способ легко поддается автоматизации. Таким обра-.

soM его отличительными чертами являются простота реализации и высокая воспроизводимость результатов.

Простейшим примером конфигурации поля, обеспечивающей решение поставленной задачи, Служит распределение поля между плоской покрытой диффузантом поверхностью подложки (анодом) и расположенным на противоположной ей поверхности катодом, представляющим собой узкую проводящую полосу шириной много меньше толщины подложки. Составляющая поля, перпендикулярная поверхности подложки, изменяется по следующему закону: х

E(x)

2Ч d (1 + сЬ-) где V — напряжение, приложенное к электродам; d — - толщина подложки.

Функция близка к функции гиперболического секанса, обеспечивающей, как известно, идеальные фокусирующие свойства линзы.

Другим возможным методом создания неоднородного поля может служить профилирование катодной поверхности подложки, например вышлифовывание на ней цилиндрической канавки. ленин, перпендикулярном от линии, осуществляют прнзменкым методом на гониометре 15 путем сканирования узкого светового пучка (A 0,633 мкм) по глоскости контакта подложки с призмой. Результат измерения для каждой иэ мод, поддерживаемых волноводной линзой, представлен на фиг. 2. Иэ фиг.2 видно, что профиль показателя преломления является параболическим на уЧастке, составляю-. щем 80-90% ширины линзы. Широкий па-. раллельный пучок света, вводимый в тОрец линзы или с пОмощью призмы в зоне, расположенной под расширенным участком катода 2 на фиг. 1, фо" кусировался на оси линзы. На фиг.З приведены траектории лучей в этой . линзе, рассчитанные по .известньаи формулам.

Режимы изготовления линзы, приведенные в этом примере, являются близкими к оптимальным. Изменением длительности процесса можно управлять ее толщиной и величиной 8Ne и, следовательно, числом поддерживаемых ей мод и фокусным расстоянием.

Пример 2. Линзу изготавливают при тех же режимах, что s примере 1, но при толщине подложки

0,5 мм. Ее профиль показателя преломления также параболический, фокусное расстояние равно 3,3 йм.

Пример 3. При Т 590 К (=1 -10 OM "см ), E =50 В/мм, Я

= 0,1 Кл/см, d 1,9 мм получена двухмодовая волноводная линза с 1К з о

35 10 и фокусными расстояниями для параксиальных лучей 9,2 мм и

7,8 мм для нулевой и первой мод соответственно. Профиль показателя преломления нулевой моды параболический только на центральном участке линзы, занимающем 60% ее ширины.

Пример 4. При Т 758 К (ь = 1 .10 Ом -см ); Е = 5 В/мм, g = 0,05 Кл/см d = 1,9 им получена одномодовая линза с dN "90 10 и

F 2 1 мм. Профиль параболический на 40% ее ширины.

Пример 5, В подложке толщиной 2,1 мм вышлифовывают цилиндрическую канавку диаметром 4 мм на глубину 1,85 мм и на ее поверхность наносят пленку алюминия, служащую ка" тодом. При Т = 615 К; Е о 50 B/ìì эа время t=30 мин получают трехмодо3

В качестве материала подложки предпочтительно использовать стекла, содержащие в своем составе Окислы щелочных металлов, или кристаллы с преимущественно ионным типом связи, например 1,iNbO>, LiTaO>. Носителями зарядов в них, как и в стекле, служат ионы щелочных металлов. В качестве диффузантов могут быть использованы любые металлы, способные без окрашивания повышать показатель преломления подложек. Но так как ответственными за проводимость подложки являются одновалентные ионы, то и в качестве диффуэантов следует ис- . пользовать ионы К+ Cs, Cu „ Ар,, Tl Предпочтительными являются соединения двух последних элементов, обеспечивающие наибольшее прираще" ние показателя преломления. Это мо-, жет быть металл, его окисел, легко плавкая соль или смесь солей.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена 25 подложка 1 с нанесенными на нее катодом 2 и анодом 3, а также указана принятая система координат; на фиг. 2 приведено измеренное распределение волноводного показателя пре- 30 ломления (номер кривой соответствует номеру моды) по плоскости линзы, изготовленной в условиях примера 1; на фиг. 3 приведены рассчитанные траектории лучей в этой линэе.

35 Пример. 1. На одну из сторон подложки иэ оптического стекла К8 pasмером 45 «15 «1,9 мм термическим испарением в вакууме наносят планку серебра толщиной около 0,3 мкм. По цент-40 ру противоположной стороны подложки, как показано на фиг. 2, через щелевую маску наносят полосу алюминия шириной 200 мкм. Затем подложку нагревают в открытой терморегулируемой 45 печи до температуры 673 К (проводимость 6 1 «10 Ом см ) . После установления заданной температуры на электроды подают гГостоянное напряже. ние величиной 24,5 В. За время экс- 5п перимента t 37 мин между электро- . дами в расчете на 1 см длины катода пропускают заряд величиной 0,1 Кл/см. После этрго подложку охлаждают, а электроды поочередно 55 стравливают в азотной кислоте и щелочи.

Измерение распределения волноводного показателя преломления в направ5

3365630 в вую линзу с a N, = 38 10- н фокус- ння величины заряда, проходящего межными расстояниями 7,6, 6,6, 5,7 мм ду электродами; за одну операцию на для нулевой, первой и второй мод со- одной подложке совместно с линзой ответственно. Распределение. волнового изготавливать и другие элементы инте5 показателя преломления первой и вто- гральной оптики. рой мод параболическое практически на всем протяжении, а нулевой моды - Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я только на половине ширины линзы.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно упростить технологию изготовления планарных градиентных, линз и получить параболическое распределение показателя преломления на расстоянии до 90Х ширины линзы; используя различные, конфигурации электродов, получить заданное распределение показателя преломления в поперечном сечении линзы; надежно контролировать "apa метры линзы непосредственно в процессе ее изготовления путем измере1

10 Способ изготовления элементов интегральной оптики путем нанесения на противоположные поверхности диэлектрической подложки электродов иэ диффундирующего вещества и по16 следующей обработки при нагреве в постоянном электрическом поле, о т-. л и ч а ю шийся .тем, что, с. целью. получения планарной волноводной градиентпой луизы, обработку осу 0 ществляют при температуре, соответствующей проводимости подложки 1010 Ом см, в неоднородном электрическом поле напряженностью 5-50 В/мм;

1365630

Составитель С. Белобокова

Техред Л. Олийньас Корректор M. Iloao

Редактор Г. Надкарян

Заказ 5159 Тираж 425

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 т

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4