Интегрально-оптический волновод с активированной сердцевиной, двойной светоотражающей оболочкой и способ его изготовления

Изобретение относится к устройствам интегральной оптики и может быть использовано для усиления оптических сигналов и лазерной генерации. Согласно устройству оптический волновод содержит активированную сердцевину и двойную светоотражающую оболочку. На внутреннюю поверхность трубки наносят последовательно пять слоев аморфного диэлектрика с показателями преломления n₁<n₂<n₃, |n₂-n₄|<10^-3, |n₁-n₅|<10^-3. Использование трубки позволяет реализовать способ изготовления указанного волновода с применением плазмохимического CVD процесса осаждения диоксида кремния в СВЧ разряде пониженного давления. Технический результат - обеспечение малых оптических потерь и высокого коэффициента преобразования мощности накачки при больших концентрациях примеси активатора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройствам интегральной оптики, предназначенным для усиления оптических сигналов и лазерной генерации с помощью диэлектрических волноводов, содержащих примесь редкоземельных и других элементов в качестве активаторов для получения лазерного эффекта. Квантовые усилители и лазеры на основе таких активированных волноводов актуальны для применения в устройствах современной оптоэлектроники, в частности в системах волоконно-оптической связи.

Уровень техники

Известен интегрально-оптический усилитель оптических сигналов на основе активированного ионами Еr и Yb отрезка канального волновода (заявка на патент США 2003002771 A1). Сердцевина волновода изготовлена из активированного стекла, встроенного в стекло с меньшим показателем преломления, которое играет роль светоотражающей оболочки. При сравнимых размерах поперечного сечения сердцевины канального волновода и поперечного сечения световедущей сердцевины волоконного световода обеспечиваются малые потери при их стыковке, что позволяет эффективно интегрировать такой усилитель в волоконно-оптическую линию. Однако в такой конструкции интегрально-оптического усилителя возникает проблема ввода излучения накачки от многомодового лазерного диода через торец одномодового активированного канального волновода. При сильном различии в размерах мод волновода и мощного лазерного диода эффективность ввода излучения последнего в волновод мала.

Решение проблемы увеличения эффективности ввода излучения накачки от недорогих многомодовых лазерных диодов высокой мощности в активированный одномодовый канальный волновод представлено в заявке на европатент WO 2008117249 (А1) (прототип). Суть предложенного решения состоит в использовании планарной стеклянной структуры с двойной светоотражающей оболочкой для накачки одномодового активированного волновода. В предложенной структуре излучение накачки от многомодового лазерного диода вводится в планарный многомодовый волновод, сердцевина которого ограничена слоями светоотражающей оболочки, выполненной из стекла с пониженным относительно стекла сердцевины показателем преломления. В толстом слое стекла сердцевины такого многомодового волновода сформирован тонкий слой стекла с повышенным за счет легирования показателем преломления, который активирован редкоземельными элементами и выполняет роль одномодового планарного волновода. При этом стекло сердцевины многомодового волновода одновременно играет роль первой светоотражающей оболочки для одномодового волновода. Введенное в многомодовый волновод излучение накачки от лазерного диода по мере распространения в многомодовом волноводе может поглощаться активатором, сосредоточенным в сердцевине встроенного одномодового волновода практически полностью. Тем самым обеспечивается эффективная накачка активатора в одномодовом волноводе, необходимая для получения лазерного эффекта.

Главным недостатком прототипа является сложность изготовления предложенной многослойной структуры с высокими оптическими и усилительными характеристиками волноводов. Сложность вызвана тем, что для получения слоев аморфных диэлектриков, обладающих необходимым высоким оптическим качеством, обычно используют методы химического осаждения материала из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition - CVD) на плоские подложки. Такие методы развиты и хорошо работают при толщинах осаждаемых слоев до нескольких микрон. В данном же случае необходимые для волновода с двойной светоотражающей оболочкой толщины слоев составляют сотни микрон. Поэтому получение структуры этого типа посредством осаждения стекла из газовой фазы обычными CVD методами затруднительно ввиду их недостаточной производительности. По этой причине в качестве способа изготовления активированного волновода с двойной светоотражающей оболочкой в прототипе предложено набирать такую структуру из отдельных пластин, что крайне нетехнологично.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения как технического решения выражается в совокупности существенных признаков для достижения обеспечиваемого изобретением результата.

Сущность данного изобретения как технического решения составляют два принципиальных, взаимосвязанных между собой компонента.

Первый компонент заключается в использовании внутренней поверхности трубки из кварцевого стекла в качестве подложки для нанесения слоев оксидов, составляющих структуру диэлектрического волновода.

Волновод с двойной светоотражающей оболочкой формируется из пяти последовательно нанесенных на подложку один поверх другого слоев аморфного диэлектрика 1, 2, 3, 4, 5 с показателями преломления n₁, n₂, n₃, n₄, n₅ соответственно так, что n₁<n₂<n₃, |n₂-n₄|<10^-3, |n₁-n₅|<10^-3, а слой 3 содержит примесь активатора.

Слои 2, 4 выполнены из нелегированного диоксида кремния. При толщине слоев от 10 до 300 мкм обеспечена хорошая стыковка волновода с лазерными диодами излучения накачки.

Слои 1, 5 выполнены из диоксида кремния с примесью фтора в диапазоне концентраций от 0,2 до 15 мас.%. Этим обеспечивается понижение показателя преломления материала оболочки относительно материала сердцевины (нелегированного диоксида кремния).

Слой 3 является активированной сердцевиной. Он выполнен на основе диоксида кремния с добавками фосфора (до 15 мас.%), алюминия (до 10 мас.%), германия и бора (до 10 мас.%). Добавки совместно либо по отдельности играют роль модификаторов, повышающих растворимость активатора. Кроме того, они управляют показателем преломления материала сердцевины.

В качестве активатора к материалу сердцевины, в зависимости от требуемого спектрального диапазона усиления, добавлены редкоземельные элементы Еr, Tm, Yb, Но, Nd при концентрациях от 0,01 до 10 мас.%.

Помимо редкоземельных элементов активатором может служить висмут, который добавляют в количестве от 0,001 до 1 мас.%.

Использование внутренней поверхности трубки в качестве опорной для осаждения слоев диэлектрического волновода дает возможность применения высокопроизводительного способа плазмохимического CVD процесса, основу которого составляет возбуждение в трубке СВЧ разряда при пониженном давлении. В этом случае опорная трубка выполняет также функцию плазмохимического реактора.

Существенным необходимым условием применения стационарного СВЧ разряда для плазмохимического синтеза и осаждения прозрачных слоев диэлектрика является достаточно низкое давление в реакторе, при котором еще не образуется объемной фракции оксидов в виде твердой фазы. Условие пониженного давления в плазмохимическом CVD процессе является вторым компонентом, составляющим сущность технического решения.

Способом, реализующим такое техническое решение, является использование подогретой опорной трубки (подложки) из кварцевого стекла, куда поступают реагенты в виде смеси молекулярных газов, содержащей в своем составе SiCl₄, O₂, N₂O и пары легирующих элементов. В трубке возбуждается стационарный СВЧ разряд в виде плазменного столба, длина которого периодически изменяется за счет вариации подводимой к плазме СВЧ мощности с осаждением продуктов реакций на внутреннюю поверхность трубки, причем полное давление в трубке не превышает 6 кПа.

Температура подогретой трубки поддерживается в интервале от 400 до 1200 ЕС, что необходимо для устранения избыточного содержания хлора в осаждаемых слоях.

Период вариации подводимой к плазме мощности лежит в интервале от 0,001 до 25 с, чем обеспечивается однородное осаждение слоев вдоль трубки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, с указанием обеспечиваемого ею технического результата

Изобретение решает задачу получения активированного диэлектрического волновода с двойной светоотражающей оболочкой, обладающего малыми оптическими потерями и высоким коэффициентом преобразования мощности накачки при больших концентрациях примеси активатора.

Признаки, используемые для характеристики изобретения

Признаком, характеризующим изобретение, является использование трубки из кварцевого стекла в качестве подложки для формирования слоев стекла, образующих диэлектрический волновод, и, одновременно, в качестве опорной трубки для осаждения этих слоев путем плазмохимического CVD процесса на ее внутренней поверхности.

Краткое описание чертежей

На рис.1 представлен поперечный срез трубки с осажденной на ее внутренней поверхности концентрической структурой слоев, образующих диэлектрический волновод с двойной светоотражающей оболочкой и активированной сердцевиной: 1, 5 - внутренний и внешний слои второй светоотражающей оболочки, 2, 4 - внутренний и внешний слои первой светоотражающей оболочки, 3 - активированная сердцевина, 6 - опорная трубка (подложка).

На рис.2(а) показано сечение канального волновода с активированной сердцевиной и двойной светоотражающей оболочкой. Волновод получен из поперечного кольцевого среза опорной трубки с осажденной на ее внутренней поверхности структурой слоев, показанной на рис.1. Рис.2(б) иллюстрирует радиальный профиль показателя преломления в такой структуре: 1 - внутренний слой второй светоотражающей оболочки, 2 - внутренний слой первой светоотражающей оболочки, 3 - активированная сердцевина, 4 - внешний слой первой светоотражающей оболочки, 5 - внешний слой второй светоотражающей оболочки, 6 - опорная трубка (подложка).

На рис.3 представлена схема, иллюстрирующая плазмохимический CVD процесс при пониженном давлении для осаждения на внутренней поверхности опорной трубки (подложки) волноводной структуры на основе легированного аморфного диоксида кремния с двойной светоотражающей оболочкой и активированной сердцевиной: 6 - опорная трубка (подложка) из кварцевого стекла, 7 - возбудитель поверхностных плазменных волн.

Осуществление изобретения

Для осуществления изобретения на внутреннюю поверхность трубки из кварцевого стекла осаждают слой аморфного диоксида кремния, легированного фтором (вторая светоотражающая оболочка), затем наносят слой нелегированного аморфного диоксида кремния (первая светоотражающая оболочка), затем осаждают слой стекла, исполняющего роль активированной сердцевины. Этот слой изготавливают на основе аморфного диоксида кремния с добавками алюминия, фосфора (по отдельности либо совместно) для повышения растворимости в стекле редкоземельных активаторов. Кроме того, к стеклу добавляют бор и германий для управления показателем преломления стекла и тем самым числовой апертурой волновода. В качестве активатора используют добавки к стеклу Еr, Но, Yb, Nd, Tm либо Bi в зависимости от длины волны лазерной генерации и спектрального диапазона усиления. Поверх слоя стекла активированной сердцевины вновь осаждают слой нелегированного аморфного диоксида кремния, а затем слой кварцевого стекла, легированного фтором.

Вышеописанная структура слоев, схематично показанная на рис.1, реализуется при помощи плазмохимического CVD процесса преобразования галогенидов металлов в оксиды в СВЧ разряде при пониженном давлении.

Рассмотрим конкретный пример. Пусть требуется изготовить волновод, профиль показателя преломления которого схематично представлен на рис.2(б). Пусть активированная Еr сердцевина имеет толщину 20 мкм при числовой апертуре 0,1, толщине первой светоотражающей оболочки 100 мкм, числовой апертуре по второй светоотражающей оболочке 0,2. Для изготовления волновода с такой структурой в подогретую до 1000°С трубку из кварцевого стекла внутренним диаметром 16 мм и толщиной стенки 2 мм подается смесь газов O₂ и SiCl₄ при полном давлении 1 кПа. Расход SiCl₄ устанавливают на уровне 20 см³/мин. Расход O₂ поддерживают на вдвое большем уровне. В трубке возбуждается стационарный СВЧ разряд в виде плазменного столба, длина которого изменяется при периодическом изменении подводимой к плазме СВЧ мощности в интервале 100-5000 Вт. Реагенты, попадая в область плазмы, испытывают химические превращения, в результате которых нарабатываются молекулы оксидов, которые адсорбируются на внутренней поверхности трубки, образуя зону осаждения, как это схематично показано на рис.3. Изменение длины плазменного столба приводит к перемещению зоны осаждения оксидов вдоль трубки и тем самым к формированию слоя аморфного диэлектрика на основе диоксида кремния.

Сначала синтезируют внутренний слой второй светоотражающей оболочки. Для этого к смеси газов добавляют СF₄, устанавливая расход этого реагента на уровне 10% от расхода SiCl₄. В этом режиме проводят осаждение в течение 10 минут. Затем убирают СF₄ и ведут осаждение нелегированного диоксида кремния в течение 20 минут. В этом режиме синтезируется внутренняя часть первой светоотражающей оболочки (см. рис.2(а)). После этого синтезируют слой активированной сердцевины. С этой целью к газовой смеси добавляют пары АlВr₃, ЕrСl₃, ВСl₃, расходы которых поддерживают на уровнях 20%, 3%, 25% от расхода SiCl₄ соответственно. Осаждение ведут в течение 5 минут. После этого обнуляют расходы всех реагентов кроме SiCl₄ и O₂ и ведут осаждение в этом режиме в течение 20 минут. Так проводят синтез второй, внешней части первой светоотражающей оболочки. Затем к смеси газов вновь добавляют CF₄, устанавливая расход этого реагента на уровне 10% от расхода SiCl₄. В этом режиме проводят осаждение в течение 10 минут. В результате осаждается внешняя часть второй светоотражающей оболочки.

1. Оптический волновод с активированной сердцевиной и двойной светоотражающей оболочкой, состоящий из пяти последовательно нанесенных на подложку один поверх другого слоев аморфного диэлектрика 1, 2, 3, 4, 5 с показателями преломления n₁, n₂, n₃, n₄, n₅ соответственно так, что n₁<n₂<n₃, |n₂-n₄|<10^-3, |n₁-n₅|<10^-3, а слой 3 содержит примесь активатора, отличающийся тем, что подложкой служит трубка из кварцевого стекла с внутренним диаметром от 3 до 35 мм, толщиной стенки от 0,1 до 5 мм, причем слои 1-5 нанесены на внутреннюю поверхность трубки.

2. Оптический волновод по п.1, отличающийся тем, что слои 2, 4 выполнены из аморфного диоксида кремния толщиной от 10 до 300 мкм.

3. Оптический волновод по п.1, отличающийся тем, что слои 1, 5 выполнены из аморфного диоксида кремния с примесью фтора в диапазоне концентраций 0,2 - 15 мас.%.

4. Оптический волновод по п.1, отличающийся тем, что слой 3 выполнен из стекла на основе аморфного диоксида кремния, содержащего в своем составе примеси по отдельности либо в комбинации: алюминия до 10 мас.%, фосфора до 15 мас.%, бора до 10 мас.%, германия до 10 мас.%.

5. Оптический волновод по п.1, отличающийся тем, что в качестве активатора для слоя 3 используется примесь редкоземельных элементов Еr, Tm, Yb, Но, Nd в диапазоне концентраций 0,01 - 15 мас.%.

6. Оптический волновод по п.1, отличающийся тем, что в качестве активатора для слоя 3 используется примесь висмута в диапазоне концентраций 0,001 - 1 мас.%.

7. Способ изготовления оптического волновода по п.1, включающий нагрев опорной трубки, подачу в нее реагентов в виде смеси молекулярных газов SiCl₄, O₂, N₂O и паров легирующих элементов, возбуждение в трубке стационарного СВЧ-разряда в виде плазменного столба, длина которого периодически изменяется за счет вариации подводимой к плазме СВЧ-мощности, с осаждением продуктов реакций на внутренней поверхности трубки, отличающийся тем, что полное давление в трубке не превышает 6 кПа.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что температура стенки опорной трубки поддерживается в интервале 400-1200°С.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что период вариации подводимой к плазме СВЧ мощности лежит в интервале 0,001-25 с.