Способ создания изгибов волноводов



Способ создания изгибов волноводов
Способ создания изгибов волноводов
Способ создания изгибов волноводов
Способ создания изгибов волноводов
G02B6/10 - типа оптического волновода (G02B 6/24 имеет преимущество; приборы и устройства для управления светом с помощью электрических магнитных, электромагнитных или акустических средств G02F 1/00; перенос модуляции модулированного света G02F 2/00; оптические логические элементы G02F 3/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; запоминающие устройства с использованием электрооптических элементов G11C 11/42; электрические волноводы H01P; передача информации с помощью оптических средств H04B 10/00; передающие системы H04J 14/00)

Владельцы патента RU 2655992:

Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (RU)

Изобретение относится к области создания интегральных оптических волноводных микроструктур для прикладного использования в системах получения, обработки и передачи информации по оптическим каналам связи и другим областям науки и техники. Способ формирования изгиба волновода в интегральной оптической схеме заключается в формировании в прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовке с по меньшей мере одной плоской гранью прямолинейных участков волновода, оси которых расположены в одной плоскости с нормалью к грани под одинаковыми углами к указанной грани, и размещении на этой грани отражающей поверхности. При этом участки волновода сформированы путем фокусировки лазерного излучения в объеме заготовки, а точка пересечения их осей расположена внутри заготовки и отстоит от указанной плоской грани на расстоянии не более чем 1/10 максимального линейного размера заготовки. Технический результат – уменьшение потерь оптических сигналов, проходящих через изгибы волноводов, которые созданы методом печати в объеме твердого прозрачного стекла. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к способам создания интегрально-оптических схем, которые используют для получения, обработки и передачи информации. Более конкретно в изобретении предложен способ создания изгибов интегрально-оптических волноводов, с помощью которого возможно реализовать большие углы поворота волноводов в малой области, а также осуществить интерфейс между интегральной схемой и внешними устройствами.

Изгибы волноводов являются неотъемлемой частью интегрально-оптических чипов. Важной характеристикой изгибов является их размер, определяемый радиусом изгиба. Создание изгибов с малым радиусом требует волноводов с большим контрастом показателя преломления между сердцевиной волновода и его окружением. Из существующего уровня техники известны волноводные изгибы в форме дуг окружностей и спиралей (Y.A. Vlasov, S.J. McNab, Optics Express, v. 12, No 8, p. 1622-1631 (2004)). Существует несколько основных технологий, с помощью которых создаются интегрально-оптические чипы. Известны конкретные реализации таких изгибов в интегральных схемах на основе кремния, нитрида кремния и других материалов, в которых контраст показателя преломления между сердцевиной волновода и его окружением может достигать нескольких единиц.

Предлагаемый способ ориентирован на его использование в технологиях на основе модификации показателя преломления в объеме диэлектрика, например с помощью лазерного излучения. Особенностью такой технологии является типично малый контраст преломления со значениями много меньшими единицы. По этой причине для создания изгибов с малыми потерями на базе такой технологии необходимы очень большие радиусы кривизны, что делает их изготовление непрактичным.

С целью уменьшения оптических потерь на изгибах известны способы создания волноводов с замещенным материалом внешней стенки изгиба волновода (патент JP, Н01-223403 от 06.09.1989). Недостатком такого подхода является необходимость замещения материала с изогнутым профилем, что практически можно выполнить только с использованием технологии литографии или схожих технологий. Известны способы для перенаправления излучения с помощью миниатюрных зеркал, изготовленных внутри объема оптических чипов (Е. Kleijn, М.K. Smit, X.J.M. Leitens, Journal of light wave technology, v. 31, No. 18, p. 3055-3063 (2013)). Недостатком данного технического решения является ограничение его применения в многослойной литографии, что делает невозможным его использование в создании интегральных оптических схем на основе модификации показателя преломления в объеме прозрачного твердого тела.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ создания изгибов волноводов с низкими потерями, изложенный в патентах WO 2006088613 (А2) от 2006.08.24, CN 101120274 (В) от 2010.08.25, US 2006182399 (A1) от 2006.08.17, US 7760979 (В2) от 2010.07.20, WO 2006088613 (A3) от 2006.11.23, GB 2438119 (A) от 2007.11.14, GB 2438119 (B) от 2010.05.05. В этом решении предложено прерывать стык изгиба элементом, на котором выполнены условия полного внутреннего отражения. Недостатками данного технического решения являются: 1) необходимость использования многослойных технологий, состоящих в напылении слоев с различными профилями из разных материалов на всей области чипа или в физическом удалении областей чипа и их замену на другие; 2) невозможность выполнения условий полного внутреннего отражения для углов изгибов близких к 180 градусам.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание компактных волноводных изгибов, создаваемых технологиями модификации показателя преломления в объеме твердого прозрачного тела, с целью создания интегрально-оптических элементов и устройств на их основе.

Поставленная задача решается за счет того, что заявленный способ формирования изгиба волновода в интегральной оптической схеме, заключающийся в формировании в прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовке с по меньшей мере одной плоской гранью прямолинейных участков волновода, оси которых расположены в одной плоскости с нормалью к грани под одинаковыми углами к указанной грани, и размещении на этой грани отражающей поверхности, отличается тем, что участки волновода сформированы путем фокусировки лазерного излучения в объеме заготовки, а точка пересечения их осей расположена внутри заготовки и отстоит от указанной плоской грани на расстоянии не более чем 1/10 максимального линейного размера заготовки. Может быть способ, отличающийся тем, что после формирования участков волновода и до размещения отражающей поверхности указанную плоскую грань заготовки шлифуют и/или полируют. Может быть способ, отличающийся тем, что в качестве отражающей поверхности используют металлическую пленку или слоистую диэлектрическую структуру, которую наносят непосредственно на указанную плоскую грань или прикладывают к ней. Может быть способ, отличающийся тем, что используют отражающую поверхность, реализующую полное зеркальное отражение для длин волн заданного диапазона. Может быть способ, отличающийся тем, что используют отражающую поверхность, частично прозрачную для длин волн заданного диапазона.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение потерь оптических сигналов, проходящих через изгибы волноводов, которые созданы методом печати в объеме твердого прозрачного тела.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен чертеж волноводного изгиба в форме дуги окружности некоторого радиуса R для перенаправления сигнала на угол π-2α с α«1. Изгиб сформирован волноводом 1 и имеет два порта - 2 и 3, через которые на него поступает и выходит оптический сигнал. Изгиб - симметричный элемент, поэтому выбор входного и выходного порта определяется схемой оптического чипа. Характерная площадь, на которой расположен такой изгиб, равна 2R2. В случае слабо направляющих волноводов это, как правило, большая величина, которая может превышать размеры компактного интегрально оптического чипа.

На фиг. 2 представлен чертеж волноводного изгиба, который иллюстрирует предложенный способ изготовления изгибов с помощью переотражения от грани оптического чипа. Изгиб сформирован прямолинейными отрезками волноводов 4 с пересекающимися осями, которые задают пару портов - 5 и 6, служащих для подачи и съема оптического сигнала из изгиба. Для перенаправления излучения на грани чипа размещена отражательная поверхность 7. Из геометрических соображений очевидно, что для перенаправления на угол π-2α площадь размещения изгиба много меньше, чем в случае на фиг. 1.

Фиг. 3, 4, 5 и 6 иллюстрируют предлагаемый способ создания изгиба с малыми потерями.

На фиг. 3 изображена заготовка 8 с плоскими гранями, которая представляет собой твердое тело, оптически прозрачное для диапазона длин волн, в котором будет работать оптический чип. Для пояснения рассмотрена некоторая грань 9 заготовки. Печать волноводного изгиба в заготовке осуществляется таким образом, чтобы точка пересечения осей волноводов лежала в объеме заготовки.

На фиг. 4 изображено сечение заготовки после этапа печати волноводов. Сечение лежит в плоскости напечатанных волноводов 10 с пересекающимися осями 11 в некоторой точке 12, лежащей внутри заготовки. Сами волноводы физически могут как пересекать друг друга в этой точке, так и не доходить до точки пересечения их осей из-за прерывания (этому случаю соответствуют иллюстрации).

На фиг. 5 изображено сечение заготовки оптического чипа в плоскости напечатанных волноводов 10 после этапа шлифовки/полировки грани 9. В результате точка пересечения осей волноводов 12 лежит на полученной путем шлифовки/полировки грани 13 или в некоторой ее окрестности, определяющей оптимальность перенаправления. Нормаль 14 к поверхности грани 13 в точке, наиболее близкой к пересечению осей волноводов 12, лежит в плоскости волноводов и образует с осями волноводов одинаковые углы.

На фиг. 6 изображено сечение заготовки чипа после этапа напыления или приложения отражающей поверхности 15 к грани 13. Данный этап является завершающим для создания изгиба предложенным способом.

Осуществление изобретения

Интегрально-оптические устройства активно используются в коммуникационных оптических системах и системах обработки информации по причине своей компактности, высокой функциональности, стабильности и энергоэффективности. Интегральные оптические технологии обладают большим потенциалом для реализации сложных квантовых алгоритмов обработки и передачи информации. В основу интегральных устройств положены волноводы, располагаемые на чипе, по которым распространяются оптические сигналы. Волноводы представляют собой сердцевину, характеризуемую показателем преломления выше, чем окружающая среда. На сегодняшний день существует ряд технологий создания волноводов для интегрально-оптических устройств, каждую из которых отличает материал и подход к созданию неоднородностей показателя преломления. Например, хорошо развита на сегодня технология литографии, позволяющая создавать планарные чипы, например, на основе кремния и кварца, нитрида кремния и кварца и других.

Важной характеристикой волноводных структур является контраст показателя преломления между сердцевиной волновода и окружающей средой. При высоких значениях этой величины можно создавать изгибы волноводов с малыми потерями и, следовательно, более плотно «упаковать» функциональные элементы на интегральном чипе. Например, контраст показателей преломления в структурах на основе кремния достигает нескольких единиц, что позволяет делать волноводные изгибы с радиусами в несколько микрометров с малыми потерями.

Технологии печати волноводов в объеме прозрачного твердого тела, например сфокусированным лазерным излучением, дают возможность создавать трехмерные оптические чипы без сложных многоступенчатых технологий литографии. Однако на сегодняшний день технологии печати волноводов не дают таких высоких контрастов показателя преломления, как в случае литографических технологий удаления и послойного нанесения различных материалов. Типичные значения контрастов в волноводах, выполненных методами лазерной печати, составляют порядка 10-3-10-4, в зависимости от обрабатываемого материала и условий печати; имеются особые виды халькогенидов, в которых удалось получить контраст ~0,5. Существенным преимуществом волноводов с малым контрастом показателя преломления (называемых также слабо направляющими волноводами) является малый уровень потерь на участках без изгибов, который может быть существенно меньше потерь в волноводах, изготовленных литографическими технологиями. С другой стороны, свойство малости контраста показателя преломления делает невозможным создание изгибов с малыми радиусами кривизны из-за больших потерь в них, поэтому в них не существует прямого способа плотной «упаковки» функциональных элементов без привлечения дополнительных элементов. Вместе с тем технологии создания волноводов в объеме диэлектрика с помощью модификации показателя преломления материала чипа не позволяют внедрять инородные элементы в волноводные структуры или это является сложной задачей.

В настоящем изобретении предложено подводить волноводы к торцам чипа и наносить на них отражающее покрытие и с их помощью перенаправлять излучение из одного волновода в другой с малыми потерями. При оптимальной конфигурации такой волноводной структуры - взаимной ориентации волноводов и их ориентации относительно отражающего торца чипа - (I) возможно добиться перенаправления излучения на углы, которые не ограничены условиями полного внутреннего отражения. Помимо этого, (II) с помощью предложенного подхода можно реализовать интерфейс между интегральной схемой и внешними элементами (источники, детекторы, преобразователи и др.). Для этой цели торцы должны быть частично отражающими.

Предложенный способ создания изгибов состоит из трех этапов:

1. На начальном этапе необходима твердотельная заготовка с плоскими гранями, которая прозрачна для диапазона длин волн, в котором будет работать интегральная схема. Кроме того, при создании активных волноводных устройств, например усилителей, лазеров или преобразователей, на оптическом чипе, материал заготовки также должен обладать соответствующими активными свойствами. На фиг. 3 представлена заготовка 8 с плоской гранью 9. На первом этапе формируют волноводную структуру будущего чипа. При этом изгибы волноводов представляют собой отрезки прямолинейных волноводов, у которых оси пересекаются в некоторых точках внутри объема заготовки. Рассмотрим предложенный способ на примере одного изгиба. На фиг. 4 представлена заготовка чипа с напечатанными волноводами 10. Заметим, что физически прямолинейные волноводы необязательно пересекаются, однако оси волноводов 11, которые могут являться их продолжениями, должны пересекаться в некоторой точке внутри заготовки 12. На данном этапе грань 9 может иметь произвольную ориентацию относительно волноводов 10.

2. На втором этапе, изображенном на фиг. 5, для подвода плоскости грани к точке пересечения осей волноводов и формирования требуемой ориентации этой грани выполняют шлифовку и/или полировку изначальной грани 9. Точка пересечения 12, таким образом, лежит на новой грани 13 или в ее малой окрестности. Кроме того, нормаль 14 к грани 13 лежит в плоскости осей волноводов 11, а углы, которые она образует с осями 11, равны между собой.

Выполнение двух условий является необходимым для малых потерь на изгибе:

- положение точки пересечения 12 на малом расстоянии от плоскости 13 (это следствие согласования пространственных профилей мод между входным и выходным волноводами);

- соотношение углов между нормалью 14 и осями 11 следует из условия оптимального отражения от грани 13.

Следует отметить, что описанные условия для взаимной ориентации граней и волноводов могут быть выполнены уже на первом этапе при записи волноводов. В этом случае необходимость во втором этапе отпадает.

3. На третьем этапе, который иллюстрирует фиг. 6, на грань 13 наносят отражающее покрытие 15. Это может быть выполнено с помощью напыления металлической пленки или слоистой диэлектрической структуры. В зависимости от требуемого функционала изгиба, в предложенном способе имеется возможность реализовать интерфейс между чипом и внешним окружением. Для этой цели отражающая поверхность выполняется частично пропускающей. Более того, отражающую поверхность можно реализовать с помощью приставления отражающей поверхности к грани. В таком случае конфигурацию пропускания и связи с внешним окружением в изгибе можно изменять.

1. Способ формирования изгиба волновода в интегральной оптической схеме, заключающийся в формировании в прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовке с по меньшей мере одной плоской гранью прямолинейных участков волновода, оси которых расположены в одной плоскости с нормалью к грани под одинаковыми углами к указанной грани, и размещении на этой грани отражающей поверхности, отличающийся тем, что участки волновода сформированы путем фокусировки лазерного излучения в объеме заготовки, а точка пересечения их осей расположена внутри заготовки и отстоит от указанной плоской грани на расстоянии не более чем 1/10 максимального линейного размера заготовки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после формирования участков волновода и до размещения отражающей поверхности указанную плоскую грань заготовки шлифуют и/или полируют.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве отражающей поверхности используют металлическую пленку или слоистую диэлектрическую структуру, которую наносят непосредственно на указанную плоскую грань или прикладывают к ней.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют отражающую поверхность, реализующую полное зеркальное отражение для длин волн заданного диапазона.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют отражающую поверхность, частично прозрачную для длин волн заданного диапазона.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу получения одномодового волновода, основанному на модификации стекла сфокусированным пучком фемтосекундных лазерных импульсов.

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий и касается способа увеличения длины распространения инфракрасных монохроматических поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) по плоской металлической поверхности.

Изобретение относится к лазерной обработке материалов. Способ формирования оболочки оптической волноводной структуры в объеме прозрачного материала осуществляется сверхкороткими импульсами лазерного излучения, при котором импульсы лазерного излучения фокусируют в объем прозрачного материала.

Изобретение относится к области оптической локации и лазерной техники. Способ выделения части сигнала с максимальным значением интенсивности включает использование целого числа пар, состоящих из нулевого и первого туннельно-связанных нелинейно-оптических волноводов (ТСНОВ).

Изобретение относится к технологии изготовления оптических волноводов, то есть светопроводящих и светоуправляющих структур, расположенных в объеме стекла. Техническим результатом изобретения является увеличение различия в показателях преломления сердцевина-оболочка и уменьшение потерь, передаваемых по волноводу, оптического сигнала.

Изобретение относится к оптике и касается способа повышения плотности мощности светового излучения внутри среды. Способ включает в себя формирование среды в виде многослойной периодической структуры, имеющей в спектре пропускания запрещенную зону, а также узкие резонансные пики полного пропускания и направление в эту среду излучения, длина волны которого совпадает с одним из резонансных пиков полного пропускания.

Изобретение относится к способу получения оптических планарных волноводов в ниобате лития для интегральной и нелинейной оптики. .

Изобретение относится к планарным волноводам. .

Изобретение относится к волоконно-оптической технике связи и может быть использовано для увеличения полосы пропускания многомодовой волоконно-оптической линии передачи.

Изобретение относится к технике оптической связи, в частности к лазерным атмосферным системам передачи информации, и может быть использовано в качестве однопролетной беспроводной линии связи, например, для организации канала связи между двумя абонентами или между абонентом и станцией абонентского доступа.

Изобретение относится к оптическим композициям и способу их получения для светоизлучающих устройств. Оптическая композиция содержит прозрачную матрицу, содержащую органические анионные фрагменты и катионы металла, распределенные в матрице.

Использование: для нанесения покрытий на вакуумной установке с линейным источником ионов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют распыление мишени на неподвижную тестовую подложку, получают распределение толщины покрытия по поверхности этой подложки и выполняют контроль толщины во время нанесения покрытия на рабочую подложку, при этом перемещением платформы, на которую устанавливают линейный ионный источник и мишень, совмещают середину линии перегиба поверхностного распределения толщины покрытия с центром вращающейся рабочей подложки, наносят покрытие на подложку и одновременно проводят сквозной контроль оптической толщины покрытия как вдоль оси вращения, проходящей через центр подложки, так и на расстоянии от центра подложки, и по разности сигналов, получаемых от контрольных устройств в центре и на расстоянии от центра подложки, корректируют положение линии перегиба распределения толщины относительно оси вращения подложки перемещением платформы с линейным ионным источником и мишенью в процессе нанесения.

Изобретение относится к устройствам отображения и может быть использовано в устройствах типа шлем-дисплей (HMD). Устройство содержит первое устройство отображения изображения, содержащее световодную пластину, затемнитель и устройство управления светом.

Представленное изобретение относится к изменяемым линзам, заполненным жидкостью, в частности к приспособлениям для них. Исполнительный элемент для линзы, заполненной жидкостью, содержит корпус, который имеет первый и второй торец; резервуар, расположенный внутри корпуса.

Группа изобретений относится к медицине. Офтальмологическое устройство содержит устройство вставки, в котором часть поверхности на устройстве вставки имеет на себе металлические элементы, формирующие метаповерхность.
Изобретение относится к способу получения особо чистых халькогенидных стекол системы германий-селен. Способ включает загрузку компонентов шихты в вакуумированный кварцевый реактор, синтез стеклообразующего расплава, его гомогенизирующее плавление и закалку.

Способ включает предварительный расчет количества слоев пленкообразующих материалов - диоксида циркония и диоксида кремния для длин волн 1,351 мкм и 1,54 мкм и введение рассчитанных данных и длин волн в фотометрическое устройство вакуумной установки, нанесение на одну поверхность подложек и первого контрольного образца зеркального покрытия в виде чередующихся равнотолщинных четвертьволновых слоев пленкообразующих материалов, первый слой выполняют из диоксида циркония, защитный слой - из диоксида кремния, с контролем толщины каждого слоя фотометрическим устройством вакуумной установки по изменению коэффициента пропускания первого контрольного образца на длине волны 1,067 мкм, нанесение на обратную поверхность подложек и поверхность второго контрольного образца слоев пленкообразующих материалов, рассчитанных для другой из указанных длин волн с контролем толщины слоев по изменению коэффициента пропускания второго контрольного образца на длине волны 1,067 мкм.

Изобретение относится к способу получения фотохромных оптических изделий. Способ включает (i) нанесение первого органического растворителя на поверхность оптической подложки с образованием смоченной органическим растворителем поверхности оптической подложки, (ii) нанесение отверждаемого фотохромного состава на смоченную органическим растворителем поверхность оптической подложки и (iii) по меньшей мере частичное отверждение вышеупомянутого отверждаемого слоя фотохромного покрытия.

Изобретение относится к области отображения изображения на устройстве пропускающего типа. Технический результат - обеспечение выполнения совмещения для фиксации взаимного расположения между конкретным направлением и отображаемым изображением при изменении направления зрения пользователя.

Изобретение относится к монокристаллическим оптическим неорганическим материалам, которые могут использоваться в оптической технике. Оптический материал представляет собой монокристаллический моноиодид индия InI ромбической сингонии с областью спектрального пропускания до 51 мкм.

Изобретение относится к получению терморегулирующих покрытий и может быть использовано в космической технике, в строительной индустрии, а также в химической, пищевой, легкой промышленности для термостатирования устройств или технологических объектов. Терморегулирующее покрытие класса «солнечные оптические отражатели» готовят из порошка BaTiZrO3. Порошок на подложку наносят напылением детонационным методом. Изобретение позволяет повысить радиационную стойкость терморегулирующего покрытия. 1 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области создания интегральных оптических волноводных микроструктур для прикладного использования в системах получения, обработки и передачи информации по оптическим каналам связи и другим областям науки и техники. Способ формирования изгиба волновода в интегральной оптической схеме заключается в формировании в прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовке с по меньшей мере одной плоской гранью прямолинейных участков волновода, оси которых расположены в одной плоскости с нормалью к грани под одинаковыми углами к указанной грани, и размещении на этой грани отражающей поверхности. При этом участки волновода сформированы путем фокусировки лазерного излучения в объеме заготовки, а точка пересечения их осей расположена внутри заготовки и отстоит от указанной плоской грани на расстоянии не более чем 110 максимального линейного размера заготовки. Технический результат – уменьшение потерь оптических сигналов, проходящих через изгибы волноводов, которые созданы методом печати в объеме твердого прозрачного стекла. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх