Способ изготовления оптического планарного волноводного функционального элемента Советский патент 1992 года по МПК G02B6/12 G02B6/28 

Изобретение относится к интегральной оптике и технологии изготовления элементов полностью оптической вычислительной машины и может быть использовано при изготовлении отдельных элементов в оптоэ- лектронике, волоконно-оптических системах передачи информации и оптическом приборостроении.

Известны способы изготовления тонких пленок методами термовакуумного испарения, катодного, ионно-плазменного и реактивного распыления.

Недостатками этих способов в основном являются высокая трудоемкость, длительность процесса изготовления волноводного элемента и относительно высокие оптические потери ,5-3 дБ/см,

обусловленные рассеянием и поглощением света на инородных включениях.

Известен способ осаждения из раствора окисных тонких пленок путем гидролиза эфиров соответствующих кислот, например эфиров ортокремниевой и ортотитановой кислот, на поверхности подложек из стекла или плавленого кварца.

Недостатками этого способа являются также высокая трудоемкость, длительность поэтапного изготовления и, главное относительно высокая потеря на рассеяние при прохождении света по волокну,

Известен способ изготовления цилиндрических активных волоконных световодов путем нанесения на боковую поверхность активного моноволокна оптических покрыю

тий из оптических органических компаундов, в том числе и из оптических клеев, с последовательно убывающими показателями преломления,начиная с равного показателю преломления активного волокна.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является способ изготовления ф зтоуправляемого оптического волновода, заключающийся в следующем. На одной поверхности подложки из стекла марки К-8 с помощью ионно-обмен- ной диффузии создается пассивный одно- модовый волновод, на который осаждают пленку из полистирола с примесью красителя метилового красного из раствора полистирола в толуоле, чистым растворителем создают на данной полимерной пленке скошенные края, с помощью которых свет вводится и выводится.

Недостатками этого способа являются также невозможность применения в качестве функционального слоя неорганических материалов и отсутствие возможности оптимизации функционального слоя по толщине в контролируемых условиях.

Целью изобретения является улучшение качества и оптимизации параметров функционального слоя.

Поставленная цель достигается тем, что в известных способах, включающих различные методы осаждения тонких пленок из оптических материалов на подложку, в том числе и водорастворимую, вначале осаждают только часть функционального слоя минимальной толщины на водорастворимую подложку, а затем на него осаждают из растворов тонкие слои с отличающимися показателями преломления из оптических органических компаундов, в том числе и из оптических клеев, и к последнему слою приклеивают водорастворимую подложку, причем предварительно формируют геометрию волноводного слоя приклеиванием к функциональному или оболочечному слою воло- конных световодов, ввода и вывода управляемого светового излучения, далее растворяют водорастворимую подложку и наращивают функциональный слой до оптимальной толщины в контролируемых условиях.

Принципиальное отличие предлагаемого способа изготовления оптического пла- нарного волновода функционального элемента от известных заключается в том, что осуществляют изготовление функционального слоя в контролируемых условиях, наращивая его на подслой минимальной толщины из того же материала, что и функциональный слой, причем подслой предва- рительно создается на оптическом

волноводе из органического компаунда, в том числе из оптического клея, создавая тем самым благоприятные условия для роста пленки, так как межузловые расстояния у

подслоя и наращиваемой пленки одинаковы.

Другое отличие состоит в том что на предварительном этапе при создании подслоя из материала, предназначенного для

изготовления функционального слоя, используют подложку из водорастворимых щелочно-галлоидных кристаллов, при этом после растворения в воде щелочно-галлоид- ной подложки получают оптический волновод из органического компаунда с эквивалентным оболочечным слоем с одной стороны, состоящим или из подслоя в сочетании с воздухом (вакуумом), или из тонкого слоя органического компаунда с меньшим

показателем преломления и подслоя в сочетании с воздухом (вакуумом),

Предлагаемый способ, по существу, является чомбинированным, т.е. функциональный слой изготовляется в основном

методом напыления в вакууме, в том числе и лазерном, а оптический волновод - методом осаждения из раствора, при этом толщина волновода лимитируется толщиной волоконных световодов ввода и вывода управляемого светового излучения.

Функциональным слоем в предлагаемом способе служит оболочечный слой.

Пример 1. Функциональным слоем служит тонкая пленка из полистирола с примесью красителя метилового красного, вол- новодным слоем - пленка из оптического клея ОК-72Ф с показателем преломления Пв - 1,586, ввод и вывод управляемого излучения осуществляется кварцевыми одномодовыми волоконными световодами (ОВС) с диаметром сердцевины dc 8 мкм и диаметром оптической оболочки do 125 мкм,

Изготовление сандвича данного типа состоит из следующих этапов.

1. На свежесколотую поверхность подложки из кристалла NaC с размерами х4 мм осаждают из раствора сверхтонкий подслой из полистирола с примесью красителя метилового красного (200 см3толуола,

0,1 см3 полистирола 0,12 см3 красителя).

2.Производится сушка подложки п. 1 при Т 120°С в течение 1 ч в сушильном шкафу.

3.Оптическая оболочка ОВС стравлива- ется в течение 1 ч 30 мин до диаметра do

12-13 мкм.

4.К подложке из стекла марки К-8 с размерами 40 х 10 х 5 мм приклеиваются ОВС оптическим клеем ОК-72Ф.

5.Производится операция по п. 1 с применением оптического клея ОК-72Ф.

6.На подложку п. 5 со свеженанесенной пленкой оптического клея ОК-72Ф накладывается подложка п. 2 подслоем к клею.

7.Производится операция по п. 5 с выдержкой 1 сут.

8.Производится операция скалывания приблизительно половины подложки из NaCI для осуществления возможности доступа воды к поверхности NaCI.

9.Производится растворение подложки погружением сандвича в воду.

10.После тщательной промывки в обычной и дистиллированной водах и сушки наращивают функциональный слой поэтапно погружением сандвича в раствор полистирола в толуоле с красителем, т.е. повторяются пп. 1 и 2 6-7 раз; при этом толщина функционального слоя достигает размера

1 мкм.

Предварительные эксперименты с данным сандвичем дали следующий результат. В пассивном состоянии функционального элемента через волноводный слой пропускалось излучение непрерывного He-Ne-ла- зера с Я 0,6328 мкм, которое вводилось с помощью неразъемного соединения много- модового волоконного световода с 10-10 ОВС ввода излучения. Относительную интенсивность волноводного света измеряют с помощью ФЭУ-62 и запоминающего осциллографа С-8-9А. В активном состоянии функциональный слой облучали излучением ксеноновой лампы-вспышки (электрическая энергия 36 Дж, длительность 0,5 мс, светофильтр СЗС-22), во время действия которой интенсивность волноводного света резко ( 0,5 мс) уменьшалась в три раза, а затем полностью восстанавливалась в отсутствие действия лампы вспышки за время 0,1-10 с. При использовании других красителей и лазеров с самосинхронизацией мод время откпика можно варьировать в пределах 100-1,0 пс.

Пример 2. Функциональный слой представляет собой тонкую пленку полупроводника CdTe, изготовленную методом лазерного напыления в вакууме, а материал рердцевины волновода и система ввода и вывода излучения такие же, как в примере 2 за исключением того, что волноводный с.аой дополнительно покрывают с обеих сто- слоями - оболочками из оптического кл;зя марки ОК-50 п толщиной 0,1 мкм, кото- piie вместе с пленкой CdTe с показателем преломления Пф -3,5 и воздухом составля- юч эквивалентную оболочку для волновод- ною слоя.

Экспериментально изготовление пла- нарно-волноводного сандвича данного типа состояло из следующих этапов.

1.На свежесколотую поверхность под- ложки из кристалла NaCI с размерами 40

х 10 х 4 мм методом лазерного напыления осаждался сверхтонкий подслой изополупроводника CdTe толщиной 50-60 А, получаемый в течение десяти импульсов 0 генерации лазера на стекле с неодимом: длительность импульса 30 не, частота повторений - 1 Гц, энергия в импульс 1,8 Дж.

2.На подложку из стекла марки К-8 с 5 размерами 40 х 10 х 4 мм осаждался из раствора тонкий слой оптического клея ОК-50П с показателем преломления п0е 1,5801 (200 см3 толуола, 1 см3 ОК-50П), при этом толщина пленки не превышает 0,1 мкм.

0 3. После отвердения пленки ОК-50П (сушке при Т 60°С в течение 3 ч) осуществлялись операции пп. 4 и 5 с предварительным осуществлением п. 3 примера 1.

4.Производится операции п. 2 с под- 5 ложкой п. 1 со стороны подслоя из CdTe с

последующей сушкой по п. 2, причем пп. 2, 3 и 4 осуществляют одновременно.

5.Последовательно производятся операции по пп. 5, 6, 7, 8 и 9 примера 1.

0 6. После тщательной промывки в обычной и дистиллированной водах и сушки наращивают функциональный слой из CdTe в контролируемых условиях до оптимальной величины ( 500-1ОООА), помещая сандвич

5 в напылительную вакуумную камеру специальной лабораторной лазерной напыли- тельной установки.

Таким образом, по предлагаемому способу интегрально-оптический сендвич изго0 товляется в три этапа.

Первый э т а п. На свежесколотую поверхность водорастворимой кристаллической подложки осаждают тем или иным способом (предпочтительно лазерного на5 пыления) сверхтонкий подслой из материала, определяющего функциональные свойства элемента. Толщина сверхтонкого подслоя, определяемая условиями возникновения сплошной пленки, не превышает

0 нескольких десятков ангстрем, что обычно гораздо меньше оптимальной величины и требует предпочтительно непрерывного наращивания в контролируемых условиях. При необходимости на подслой дополни5 тельно осаждают из раствора изолирующую прослойку из органического компаунда с соответствующими показателями преломления и толщиной.

Второй этап. Подготовляют волоконные световоды (ВС) ввода и вывода излучения и одновременно с нанесением из раствора на водорастворимую подложку со сто- роны уже нанесенных слоев слоя из органического компаунда, в том числе и оптического клея, вводят с противоположных сторон в слой-волновод торцы ВС. Далее накладывают нерастворимую подложку, обычно стеклянную, с выбранным показатель преломления и помещают такой интегрально-оптический сандвич под пресс, давление которого прижимает нерастворимую подложку к растворимой с зазором- волноводом, определяемым диаметром торцов ВС.

Третий этап. Растворением водо- растворимой подложки обнажают поверхность функционального сверхтонкого подслоя, который в дальнейшем наращивают до оптимальной толщины в контролируемых условиях.

Таким образом, принципиально не имеет значения в каком порядке изготовлять интегрально-оптический сандвич: осаждать вначале все тонкие слои на водорастворимую подложку, а затем приклеивая к волно- водному слою нерастворимую подложку, фиксировать пленарный волновод или раздельно осаждать на водорастворимую подложку сверхтонкий функциональный подслоек, а на нерастворимую подложку с приклеенными ВС - волноводный слой и затем совместить их и фиксировать сандвич под прессом.

Таким образом, нерастворимая подложка служит фиксатором и оболочечным слоем волноводного слоя, а также несущим элементом интегрально-оптического сандвича в конечном итоге.

Использование предлагаемого способа изготовления планарно-волноводного фун-

кционального элемента обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:

-существенно уменьшаются добавочные потери в функциональном слое по сравнению со стопой сверхтонких пленок, в том числе и потери за счет многократных отражений между отдельными сверхтонкими пленками.

-функциональный слой изготовляется в контролируемых условиях;

-увеличивается в 1,5-2,0 раза эффективность ввода и вывода светового излучения.

-упрощается сочленение предлагаемого функционального элемента с другими оптическими элементами, в том числе и аналогичными функциональными элементами.

Формула изобретения Способ изготовления оптического пла- нарного волноводного функционального элемента, включающий формирование на подложке волноводных слоев с разными показателями преломления, один из которых функциональный, а другой пассивный оптический волноводный слой, и подсоединение к слоям входных и выходных оптических волокон, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества функционального элемента, вначале формируют на водорастворимой подложке часть функционального слоя по толщине, затем на нем формируют пассивный оптический волноводный слой с входными и выходными оптическими волокнами, фиксируют на пассивном оптическом волноводном слое нерастворимую подложку, растворяют водорастворимую подложку и наращивают функциональный слой до требуемой толщины.

Изобретение относится к интегральной оптике и технологии изготовления полностью оптической вычислительной машины, Цель изобретения - улучшение качества и оптимизация параметров функционального слоя. Вначале осаждают только часть функционального слоя минимальной толщины на водорастворимую подложку. Затем на него осаждают из растворов тонкие слои с отличающимися показателями преломления из оптических органических компаундов, в том числе и из оптических клеев. К последнему слою приклеивают водонерастворимую подложку, причем предварительно формируют геометрию волноводного слоя прикле- иванием к функциональному или оболочечному слою волоконных световодов ввода и вывода управляемого светового излучения. Далее растворяют водораствори мую подложку и наращивают функциональный слой до требуемой ны в контролируемых условиях, С