Способ изготовления элементов интегральной оптики Советский патент 1988 года по МПК C03C21/00 

оэ о сд

Од

&9

Изобретение относится к интеграл иой оптике, в частности к технологии изготовления основньр элементов интегрально-оптических устройств в волноводном исполнении.

Целью изобретения является получение пленарной волноводной гради- . ентной линзы,

ДиэлектЕ ическую подложку, предназначенную для изтото вления линзы, одНой нэ сторон приводят в контакт с веществом, содержащим ионы металлов, способные диффундировать в эту подложку, и нагревают fSf) температуры, при которой ее проводимость достигает величины 10. 10 Затем между противоположными поверхностями подложки создают постоянное неоднородное электрическое поле оп еделеннрй конфигурации с максимальной напряженностью от 5 до 50 В/мм, причем в качестве анода используют поверхность, контактирующую с диффузантом. Длительность операции выбирают достаточной для Образования градиентного волноводного слоя, поддерживающего заданное число мод. ,По ее завершении подложку охлаждают, а остатки диффузанта и электроды удаляют .

Механизм образования волноводной градиентной линзы состоит в следующем.

При нагревании диэлектрическая подложка становится электропроводящей, Нбсителями 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 напряженность приложенного поля в произвольно выбранной точке, тем на большую глубину при прочих равных условиях проникают диффундирующие иьны и тем больше показатель преломления легированного слоя.

Заданного распределения волноводного показателя преломпения в поперечном сечении линзы достигают путем подбора определенной конфигурации электродов. Установлено, что распределение Составляющей поля, перпендикулярной поверхности подложки, под действием которой происходит внедрение диффузанта, в первом приближен НИИ должно повторять заданную форму профиля гюказателя преломления лин- зы. Более точно требуемая конфигурация полг подбирается экспериментально в соответствии с режимами ее изготовления . 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 поддаётся автоматизации. Таким обраг зом, 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:

Е(х)

2V d

, X

.ch

(1 +

.Хч1

cbj)

а

где V - напряжение, приложенное к электродам; d - толщина подложки. Функция близка к функции гиперболического секанса, обеспечивающей, как известно, идеальные фокусирующие свойства линзы.

55

Другим возможным методом создания неоднородного поля может служить профилирование катодной поверт ности подложки, например вышлифовывание на ней цилиндрической канавки.

В качестве материала подложки предпочтительно использовать стекла, содержащие в своем составе окислы щелочных металлов, или кристаллы с преимущественно ионным типом связи, например LiNbOj, LiTaOj. 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 диффузантов следует ис- . пользовать ионы К Cs, Си, Ар , Т1. Предпочтительными являются соединения двух последних элементов, обеспечивающие наибольшее приращение показа тейя преломления . Это МО-: жег быть металл, его окисел, легко-г плавкая соль или смесь солей.

Предлагаемый способ пойсняется чертежами, где на фиг. 1 изображена 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 преломления (номер кривой соответствует номеру моды) по плоскости линзы, изготовленной в условиях примера 1; на фиг. 3 приведены рассчитанные траектории лучей в этой линзе.

Пример. 1. На одну из сторон подложки из оптического стекла К8 рамером 1,9 мм термическим испарением в вакууме наносят планку серебра толщиной около 0,3 мкм. По цент рУ противоположной стороны подложки, как показано на фиг. 2, через щелевую маску наносят полосу алюминия шириной 200 мкм. Затем подложку нагревают в открытой терморегулируемой печи до температуры 673 К (проводимость ) . После установления заданной температуры на электроды подают постоянное напряжение величиной 24,5 В. За время эксперимента t 37 мин между электро- дами в расчете на 1 см длины катода пропускают заряд величиной Q «0,1 Кп/см. После этрго подложку охлаждают, а электроды поочередно стравливают в азотной кислоте и щелочи.

Измерение распределения волноводного показателя преломления в направ

лении, перпендикулярном от линии, осуществляют призменным методом на гониометре 15 путем сканирования

узкого сдетоврго пучка (; 0,633 мкм) по плоскости конта1 та подложки с призмой. Результат измерения для каждой из мод, поддерживаемых вол- новодной линзой, представлен на

фиг. 2, Из фиг.2 видно, что профиль показателя преломления является параболическим на у 1астке, составляю-- щем 80-90% ширины линзы. Широкий параллельный пучок света, вводимый в .

торец линзы или с помощью призмы в зоне, расположенной под расширенным участком катода 2 на фиг.1, фокусировался на оси линзы. На фиг.З приведены траектории лучей в этой .

линзе, рассчитанные по известн1Л4 формулам..

Режимы изготовления линзы, приве денные в этом примере, являются близкими к оптимальным. Изменением

длительности процесса можно управлять ее толщиной и величиной 4N и, следовательно, числом поддерживаемых ей мод и фокусным расстоянием. .

Пример 2. Линзу изготавливают при тех же режимах, что в примере 1, но при толщине подложки 0,5 мм. Ее профиль показателя преломления также параболический, фокусное расстояние равно 3,3 WM.

Пример 3. При Т 590 К ( -10 OM-VM- ); B/MMS Q - - 0,1 Кл/см; d 1,9 мм получена двухмодовая волноводная линза с /N, 35 -10 и фокусными расстояниями для параксиальных лучей 9,2 мм н 7,8 Мм для нулевой и первой мод соответственно. Профиль показателя преломления нулевой моды параболический только на центральном yiaCTKe линзы, занимающем 60% ее ширины. Пример 4. При Т 758 К

И м е (i 1 -10 OM-CM )J Ее 5 В/мм;

Q 0,05 Кл/CMf d 1,9 мм получена одномодовая линза с JN,90-10 H F 21 мм. Профиль параболический на 40% ее ширины.Пример 5. В подложке толщиной 2,1 мм вышлифовывают ципиндри- ческую канавку диаметром 4 мм на глубину 1,85 мм и на ее поверхность наносят пленку алюминия, служащую катодом. При Т 615 к; Е

50 В/мм

за время t-30 мин получают трехмодоАМ(х)-10

К,НИ

Изобретение относитсн к области интегральной оптики и может найти применение йри создании устройств связи и оптической обработки инфор- мации. 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. .

и, 2

y.ww

f.5

HH

Фи%.3