Интегрально-оптический элемент и способ его изготовления

Изобретение относится к области интегральной оптики. Устройство представляет собой подложку в виде полированной пластины, выполненной из натрийборосиликатного стекла. Ликвировавшее отожженное при температуре 530°С в течение 72 часов стекло имеет состав Na₂O:B₂O₃:SiO₂=7:23:70. В подложке сформирован оптический канальный волновод, соответствующий конфигурации фотошаблона заданной топологии и содержащий включения солей тяжелых металлов. Согласно способу изображения фотошаблона заданной топологии экспонируют на подложку с нанесенным фоторезистом. Осуществляют проявку и последующую промывку образовавшихся после проявления окон и получают выщелоченный нанопористый слой. Удаляют слой фоторезиста и размещают подложку в концентрированный раствор соли тяжелых металлов до насыщения солями пор выщелоченного слоя. Подложку извлекают из раствора и подвергают воздействию температуры. При этом происходит термическое разложение солей и взаимодействие образовавшихся окислов с каркасом пористого слоя, тем самым получают оптический канальный волновод в подложке. Технический результат - расширение функциональных возможностей интегрально-оптических устройств и упрощение технологического процесса изготовления интегрально-оптических элементов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области интегральной оптики, а именно к способам создания оптических канальных волноводов и интегрально-оптических элементов (ИОЭ), и может быть использовано в волноводных оптоэлектронных устройствах, в частности, в качестве пассивных и активных ИОЭ волоконно-оптических датчиков.

Известен ИОЭ, состоящий из оптического титанового канального волновода и подложки из монокристалла ниобата лития, и способ изготовления таких ИОЭ (Патент ЕПВ №1224492, МПК G02B 6/134; G02B 6/12; G02B 6/13, дата публикации 24.09.2003; Патент РФ №2089928, МПК G02B 6/13, дата приоритета 28.09.1994, дата публикации 10.09.1997), который заключается в нанесении титановой полоски на поверхность образца кристаллической подложки (ниобат лития) и диффузии атомов титана в кристаллическую подложку, которая проводится герметично от окружающей среды под давлением в нагретой и насыщенной кислородом атмосфере с поддержанием температуры (1050°С) и давления в диффузионный период (6-7 часов) и охлаждением окружающей среды. После этого образец подвергают отжигу.

Недостатком такого ИОЭ является подверженность оптического титан-диффузионного волновода высоким оптическим повреждениям, приводящим к росту потерь готового ИОЭ. Необходимость использования столь высоких температур обуславливает главные недостатки способа изготовления такого ИОЭ (метода диффузии) - огромные энергозатраты, сложность технологических процессов и высокую стоимость используемого оборудования.

Известны ИОЭ, состоящий из протонно-обменного канального волновода и подложки из кристалла ниобата лития и способ изготовления такого протонно-обменного канального волновода в кристалле ниобата лития (Патент РФ №2248020, МПК G02B 6/134, дата приоритета 25.09.2003, дата публикации 10.03.2005), заключающийся в проведении реакции через маску специальной топологии в расплаве кислоты, где протонно-обменную реакцию проводят в герметичном автоклаве при низкочастотной вибрации (от 5 до 8 Гц) и при температуре 290-373°С в течение 3-16 часов в расплаве чистой стеариновой кислоты с добавкой стеарата лития в диапазоне концентраций 0,4-1,0 мас.%.

Недостатком протонно-обменных ИОЭ в ниобате лития является наличие различных дефектов, которые формируются в приповерхностном слое кристалла, т.к. он подвержен резким изменениям фазового состава в течение протонного обмена и постобменного отжига, что также ведет к росту оптических потерь ИОЭ. Кроме того, технологии отожженного протонного обмена, т.е. такому способу изготовления ИОЭ, присуща сложность, обусловленная многостадийностью технологического процесса (протонный обмен+отжиг+специальная обработка по уменьшению толщины приповерхностного нарушенного слоя).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому ИОЭ является ИОЭ, состоящий из ионно-обменного канального оптического волновода и подложки из промышленного стекла К-8 (А.А.Ветров, В.Б.Волконский, Д.В. Свистунов. Расчет, изготовление и исследование волноводов для интегрально-оптического гироскопа // Оптический журнал. - т.66, №5. - 1999. - С.57-63), и способ его получения путем ионного обмена Ag⁺ _pacплaв↔Na⁺ _стeклo расплаве AgNO₃-NaNO₃ при температуре 330°С. Сущность прототипа заключается в нанесении фотолитографическим способом на полированную поверхность подложки из промышленного стекла К8 фотошаблона заданной топологии (в виде узких прямых каналов переменной ширины от 2,5 до 4,5 мкм, а также 5 и 7 мкм; в виде изогнутых каналов различного радиуса закругления; в виде Y-ветвителя). Затем проведение процесса ионного обмена Ag⁺ _{расплав}↔Na⁺ _стекло в двухкомпонентном расплаве AgNO₃-NaNO₃ при температуре 330°C с различным содержанием AgNO₃ в диапазоне 0,15-2,5 вес.% и удаление фотошаблона. В результате строго по конфигурации фотошаблона формируется слой с повышенным показателем преломления за счет ионной имплантации в стеклянную подложку ионов серебра. Таким образом, получается ИОЭ, состоящий из стеклянной подложки (промышленное стекло К8) и образовавшегося ионообменного канального оптического волновода.

Недостатком таких ионообменных ИОЭ является высокий уровень собственных потерь, связанных с нестабильностью ионов серебра, как в расплаве, так и в стекле, а также невозможность обеспечения воспроизводимости изготовления волноводов с удовлетворительным уровнем потерь. Также недостатком способа изготовления ионообменных ИОЭ из расплава является высокая температура диффузии серебра.

Кроме того, ИОЭ, изготовленные на базе канальных волноводов в стеклах и электрооптических кристаллах, имеют ограниченные функциональные возможности, а подложки из стекла и ниобата лития ввиду своего высокого показателя преломления и сложной структуры являются трудоемкими материалами в обработке.

Решается задача расширения функциональных возможностей интегрально-оптических устройств на основе ИОЭ и упрощения технологического процесса изготовления ИОЭ.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что интегрально-оптический элемент представляет собой подложку в виде полированной пластины и сформированного в ней по конфигурации фотошаблона заданной топологии оптического канального волновода, подложка выполнена из ликвировавшего отожженного при температуре 530°С в течение 72 часов натрийборосиликатного стекла состава Na₂O:В₂О₃:SiO₂=7:23:70, а область подложки, где сформирован оптический канальный волновод, содержит включения солей тяжелых металлов, в результате показатель преломления оптического канального волновода становится выше показателя преломления подложки.

Сущность предлагаемого способа изготовления интегрально-оптического элемента путем формирования оптического канального волновода в подложке заключается в том, что на поверхность полированной подложки наносят слой фоторезиста, затем проводят экспонирование через фотошаблон и проявляют. Оптический канальный волновод формируют в подложке из ликвировавшего отожженного при температуре 530°С в течение 72 часов натрийборосиликатного стекла состава Na₂O:В₂O₃:SiO₂=7:23:70, в образовавшиеся после проявления и соответствующие форме фотошаблона окна вводят водный раствор уксусной, щавелевой, соляной или серной кислот, при этом контакт поверхности подложки с кислотой осуществляют не более 10 секунд, после чего проводят промывку до отсутствия кислой реакции и получают выщелоченный нанопористый слой глубиной, не превышающей 5-10 мкм, пористость которого составляет 20-25%, а распределение объема пор по радиусам не более 3,5 нм, затем удаляют слой фоторезиста, а подложку помещают в концентрированный раствор соли цезия, рубидия, германия, олова или свинца, а после насыщения солями пор выщелоченного слоя подложку извлекают из раствора и подвергают температурному воздействию, приводящему к термическому разложению солей и взаимодействию образовавшихся окислов с каркасом пористого слоя, тем самым получают оптический канальный волновод в подложке.

Этот слой образовавшегося стекла в подложке с повышенным показателем преломления и есть оптический канальный волновод. Далее с торцов пластины стекла сполировывается слой, подверженный реакции с кислотой. Таким образом получается ИОЭ, состоящий из подложки натрийборосиликатного стекла и образовавшегося оптического канального волновода.

Полученные таким образом ИОЭ имеют малые оптические потери и большую величину приращения показателя преломления (Δn=0,011) в зависимости от веденных солей и могут поддерживать распространение как основной моды (т.е. являться одномодовыми), так и нескольких (т.е. являться многомодовым) в зависимости от технологических параметров изготовления. Операции изготовления не требуют высоких температур и длительных временных затрат, что значительно упрощает технологический процесс. Подложки из такого стекла, благодаря своей структуре и оптическим свойствам, легки в обработке, хорошо подвергаются шлифовке и полировке. Введение в поры, например, красителей позволяет создавать не только пассивные элементы интегрально оптике, но и активные, такие как лазеры на красителях.

Достижение поставленной задачи осуществляется за счет использования натрийборосиликатного стекла в качестве подложки, а вводимые в образовавшиеся поры соли тяжелых металлов позволяют достигать заданного уровня показателя преломления в волноводном слое. Появление новых оптических композиционных материалов открывает новые возможности в способах изготовления ИОЭ, состоящих из подложки и канального волновода.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен ИОЭ (вид с торца), состоящий из подложки 1 и оптического канального волновода 2; на фиг.2 - ИОЭ с прямоугольным оптическим канальным волноводом; на фиг.3 - ИОЭ с конфигураций оптического канального волновода в виде Y-ветвителя.

ИОЭ представляет собой подложку 1 и оптический канальный волновод 2. На поверхность подложки 1 наносят слой фоторезиста, после чего проводят экспонирование через фотошаблон (конфигурация фотошаблона может быть различной, например, как на фиг.2, представлена конфигурация Y-ветвителя), затем проявляют. Далее в образовавшиеся окна по конфигурации фотошаблона вводят водный раствор уксусной, щавелевой, соляной или серной кислот, по экспериментальным данным контакт поверхности подложки 1 необходимо осуществлять от нескольких до 10 секунд в зависимости от используемого раствора кислоты. Затем промывают до отсутствия кислой реакции и удаляют слой фоторезиста. На подложке 1 в точности по конфигурации фотошаблона возникает нанопористый слой, глубина которого не превышает 5-10 мкм. Пористость слоя составляет 20-25%. Распределение объема пор по радиусам таково, что в нем нет пор с диаметром более 7 нм. Далее подложку 1 помещают в концентрированный раствор соли цезия, рубидия, германия, олова или свинца, а после насыщения этими солями пор выщелоченного слоя подложку 1 извлекают из раствора, содержащего соли упомянутых металлов, и подвергают нагреванию при температуре 550°С в течение 40 минут, которое приводит к термическому разложению солей и взаимодействию образовавшихся окислов с каркасом пористого слоя, в результате образуются участки стекла с повышенным показателем преломления. Этот слой образовавшегося стекла в подложке 1 и есть оптический канальный волновод 2. Далее с торцов подложки 1 сполировывают слой, подверженный реакции с кислотой.

Подложка 1 представляет собой пластину ликвировавшего (отожженного при температуре 530°С в течение 72 часов) натрийборосиликатного стекла состава Na₂O:В₂О₃:SiO₂=7:23:70. Показатель преломления подложки 1 равен 1,51. Образованный оптический канальный волновод 2 имеет показатель преломления выше показателя преломления подложки 1, чтобы обеспечить условие волноводного распространения. Максимальная величина приращения показателя преломления Δn=0,011 и зависит от введенных солей.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет значительно упростить технологию изготовления ИОЭ. Использование в качестве подложки натрийборосиликатного стекла обеспечивает дешевизну конечного продукта - ИОЭ и интегрально-оптических устройств на их основе. Данная технология не требует для изготовления волновода проведения операций при высоких температурах, а следовательно, не требует дорогостоящего оборудования. Введение солей тяжелых металлов позволяет управлять параметрами получаемых оптических волноводов в зависимости от концентраций растворов, длительности контакта и показателя преломления. На базе таких ИОЭ можно создавать многофункциональные интегрально-оптические устройства, содержащие как пассивные, так и активные элементы.

1. Интегрально-оптический элемент, представляет собой подложку в виде полированной пластины и сформированного в ней по конфигурации фотошаблона заданной топологии оптического канального волновода, отличающийся тем, что подложка выполнена из ликвировавшего отожженного при температуре 530°С в течение 72 ч натрийборосиликатного стекла состава Na₂O:B₂O₃:SiO₂=7:23:70, а область подложки, где сформирован оптический канальный волновод, содержит включения солей тяжелых металлов.

2. Способ изготовления интегрально-оптического элемента путем формирования оптического канального волновода в подложке, включающий экспонирование изображения фотошаблона заданной топологии на подложку с нанесенным фоторезистом и проявку, отличающийся тем, что оптический канальный волновод формируют в подложке из ликвировавшего отожженного при температуре 530°С в течение 72 ч натрийборосиликатного стекла состава Na₂O:B₂O₃:SiO₂=7:23:70, в образовавшиеся после проявления и соответствующие форме фотошаблона окна вводят водный раствор уксусной, щавелевой, соляной или серной кислот, при этом контакт поверхности подложки с кислотой осуществляют не более 10 с, после чего проводят промывку до отсутствия кислой реакции и получают выщелоченный нанопористый слой глубиной, не превышающей 5-10 мкм, пористостью которого составляет 20-25%, а распределение объема пор по радиусам не более 3,5 нм, затем удаляют слой фоторезиста, а подложку помещают в концентрированный раствор соли цезия, рубидия, германия, олова или свинца, а после насыщения солями пор выщелоченного слоя подложку извлекают из раствора и подвергают температурному воздействию, приводящему к термическому разложению солей и взаимодействию образовавшихся окислов с каркасом пористого слоя, тем самым получают оптический канальный волновод в подложке.