СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНОГО ВОЛНОВОДНОГО ПОЛЯРИЗАТОРА СВЕТА Советский патент 1996 года по МПК C03C21/00 

Изобретение относится к области интегральной и градиентной оптики и может быть положено в основу создания элементов интегрально-оптических схем и устройств.

Целью изобретения является упрощение способа, повышение технологичности и эффективности поляризационной селекции, снижение стоимости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления планарного волноводного поляризатора света, включающем создание путем ионного обмена волноводного слоя на плоской диэлектрической пластине, эту пластину изготавливают из щелочно-содержащего оксидного стекла с оптическим коэффициентом напряжения (ОКН) более 3 Бр. Ионный обмен ведут в расплавах солей щелочных металлов с радиусом щелочных ионов, больших радиуса щелочных ионов стекла, при температуре стеклования последнего, а время обработки находится в интервале от t₁ до t₂, где t₁ время, соответствующее началу увеличения показателя преломления и образованию волноводного слоя для ТМ поляризации, t₂ время, соответствующее началу увеличения показателя преломления и образования волноводного слоя для ТЕ поляризации.

Создание селектора осуществляют следующим образом.

Выбирается щелочно-содержащее оксидное стекло с высокими значениями ОКН (ОКН > 3 Бр). Из этого стекла изготавливают полированную пластину. Эта пластина помещается в расплав соли, содержащей щелочные ионы. Стекло и расплав подбираются таким образом, что щелочные ионы, участвующие в процессе обмена, имеют разные радиусы. При этом радиус ионов, вышедших из стекла, меньше радиуса ионов, вошедших в стекло из расплава (например: Na+см

(R=0,98) K +расп(R= 1,33), LI +см(R=0,68) K+расп(R=1,33). При этом ионный обмен проводят при температуре, меньшей Т_g стекла, где T_g температура стеклования. Такая ионообменная обработка приводит к созданию диффузионных сжимающих напряжений ( σ ) Напряжения за счет эффекта фотоупругости увеличивают ПП Δn Cσ (где С= С₁+С₂ для ТЕ поляризации, и С 2С₂ для ТМ-поляризации, С₁ и С₂ фотоупругие постоянные). Такие поверхностные слои обладают двойным лучепреломлением δ_n n^ТМm-n^ТЕm (где n^TEm и n^ТМm эффективные ПП для ортогональных поляризаций света для различных номеров волноводных мод-m). Целенаправленное изменение двойного лучепреломления δ_nосновано на известных представлениях о механизме формирования ПП при низкотемпературном ионном обмене. Прирост ПП, толщина и двойное лучепреломление определяются действующими в обменном слое сжимающими диффузионными напряжениями ( σ ) Двойное лучепреломление в таких слоях полностью зависит от действующих в поверхностном слое анизотропных напряжений. Величина этих напряжений определяется разностью между скоростью релаксации напряжений. Таким образом, изменение соотношения массопереноса и релаксации напряжений позволяет управлять величиной (δ_n).

Двойное лучепреломление и напряжения связаны между собой оптическим коэффициентом напряжений
δ_n ( x ) B σ ( x ) (Х координата диффузии В С₁-С₂).Изменяя эти два фактора путем выбора стеклообразующей системы ионообменника и технологических режимов обработки, можно управлять величиной двойного лучепреломления в начальной стадии образования волновода. Для стекла с высоким ОКН на начальной стадии ионного обмена формируется волновод только для ТМ поляризации, для ТЕ поляризации волновод не образуется и эта мода переизлучается в подложку.

Полученный таким образом волноводный слой будет обладать функциями поляризатора, то есть при возбуждении волновода циркулярно-поляризованным светом или при одновременном возбуждении волноводных мод ТМ и ТЕ поляризации по волноводу будет распространяться нулевая мода ТМ поляризации.

На фиг.1-3 приведены схемы осуществления предлагаемого способа.

П р и м е р 1. Рассмотрим поляризационный селектор на щелочесодержащем оксидном стекле. Было использовано натриевотитаногерманатное стекло с высокими значениями ОКН (В=4,7 Бр). Полированные образцы с размерами 40х15х2 мм³ обрабатывались в расплаве KNO₃ при Т=400^оС в течение 0,5-4 ч. В результате обмена Na К+расп

ПП в ионообменном слое увеличивался и этот слой обладал волноводными свойствами. Параметры волновода измерялись с помощью традиционной методики резонансного возбуждения волноводных мод для ТМ и ТЕ поляризаций при использовании призменной системы ввода излучения. Измерение эффективных ПП производилось на длине волны НЕ-Ne лазера λ 0,63 мкм). На фиг. 2 показана зависимость прироста ПП для ТЕ и ТМ поляризаций от времени ионного обмена. Обнаружено, что для времени диффузии 0,6-0,8 ч по волноводу распространялась одна мода ТМ поляризации. Прирост для нее составлял 1 · 10^-4. Для ТЕ поляризации практически соответствовал ПП подложки (n=1,8.). По такому слою волноводная мода для ТЕ поляризации не распространялась. Исследовалась эффективность поляризационной селекции такого волновода ( α ) Для этого регистрировалась интенсивность выходящего излучения из волновода для ТМ поляризации (сигнал) и интенсивность рассеянного света для ТЕ поляризации (шум). Эффективность поляризационной селекции рассчитывалась по формуле
α где I^ТМ интенсивность излучения, выходящего из волновода для ТМ поляризации (сигнал)
I^ТЕ интенсивность рассеянного света для ТЕ поляризации (шум)
L длина селектора.

Для длины волны λ 0,63 мкм поляризационная эффективность составила α ≈ 100-110 дБ/см, для длины волны λ 0,44 мкм составила 80 дБ/см.

П р и м е р 2. Поляризационный волноводный селектор на натриево-германо-силикатном стекле (В=3,5 Бр).

Полированные образцы размером 40х10х2 мм³ обрабатывались в расплаве KNO₃ при температурах Т 360^оС С и Т 400^оС в течение 0,25-4 ч и при температуре Т 490^оС в течение 1-3 мин. В результате обмена ионов разного радиуса Na К_расп в поверхностных слоях стекла образовался волновод. Измерение эффективных ПП проводилось на длинах волн Не-Ne ( λ 0,63 мкм) и Не-Сd ( λ 0,44 мкм) лазеров.

На фиг. 2,3 представлены зависимости эффективных ПП на длине волны λ0,63 мкм от времени обработки при Т 400^оС и Т=490^оС соответственно. Обнаружено, что для времени обработки от 15 до 45 мин при Т=400^оС (фиг.2) и для времени обработки от 1 мин 10 с до 1 мин 20 с при Т= 490^оС (фиг.3) по волноводу распространялась одна мода ТМ поляризации. Прирост ПП для нее составлял ΔTMn

5 · 10^-4 для Т 400^оС и ΔТМn 2 · 10^-4 для Т 490^оС ПП для ТЕ поляризации соответствовал ПП подложки n_s=1,6868), т.е. мода ТЕ поляризации по волноводу не распространялась. На фиг. 4 представлена зависимость эффективных ПП на длине волны λ 0,44 мкм от времени обработки при Т=360^оС. Обнаружено, что для времени обработки от 30 до 60 мин по волноводу также распространялась только одна мода ТМ поляризации. Прирост ПП для нее составлял ΔТМn 2 · 10^-4
Таким образом, созданные волноводы на натриевотитаногерманатном и натриевогерманосиликатном стеклах могут выполнять функции поляризатора, для видимого диапазона длин волн λ 0,4-0,7 мкм, то есть при возбуждении волновода циркулярно-поляризованным светом или при одновременном возбуждении волновода циркулярно-поляризованным светом или при одновременном возбуждении волноводных мод ТМ и ТЕ поляризаций по волноводу будет распространяться только нулевая волноводная мода ТМ поляризации.

В приведенном способе для изготовления волноводного селектора могут использоваться любые щелочесодержащие стекла, обладающие высокими значениями ОКН (более 3 Бр), например: щелочно-титано-германатные, щелочно-германо-силикатные и т.д.

Использование предлагаемого способа обеспечивает следующие преимущества.

Использование в качестве материала для создания поляризационного селектора щелочесодержащих оксидных стекол. Стекло является одним из наиболее перспективных материалов для задачи интегральной оптики. Это обусловлено высокой технологичностью стекол по сравнению с другими материалами (кристаллами, полимерами и т.д.), что позволяет получать элементы высокого оптического качества с высокой стабильностью параметров.

Высокая эффективность поляризационной селекции, достигающая 100 дБ, что в 3 раза превосходит поляризационную селекцию у известного прототипа.

Упрощение способа изготовления, т.е. одностадийное изготовление поляризационного селектора, в то время как процесс изготовления прототипа включает, как минимум, две стадии: создание волновода и создание селектирующих зон.

Снижение стоимости изготовления в десятки раз.

Отношение потерь в селекторе, изготовленном по предлагаемому способу к общим потерям в устройстве в 3 раза меньше, чем аналогичная величина в селекторе-прототипе.

Использование: в области интегральной и градиентной оптики и может быть положено в основу создания элементов интегрально - оптических схем и устройств. Сущность изобретения: в способе изготовления планарного волноводного поляризатора света изготавливают плоскую пластину из щелочно - содержащего оксидного стекла с оптическим коэффициентом напряжения более 3 Бр. Затем проводят ионный обмен в расплавах солей щелочных металлов с радиусом щелочных ионов, большим радиуса щелочных ионов стекла, при температуре ниже температуры стеклования последнего, а время обработки находится в интервале от t₁ до t₂, где t₁ - время, соответствующее началу увеличения показателя преломления и образованию волноводного слоя для ТМ поляризации t₂ - время, соответствующее началу увеличения показателя преломления и образования волноводного слоя для ТЕ поляризации. Использование описываемого способа обеспечивает упрощение изготовления планарного волноводного поляризатора на стекле, повышает технологичность изготовления и эффективность поляризационной селекции. 3 ил.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНОГО ВОЛНОВОДНОГО ПОЛЯРИЗАТОРА СВЕТА, включающий создание путем ионного обмена волноводного слоя на плоской диэлектрической пластине, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, повышения технологичности и эффективности поляризационной селекции, снижения стоимости, плоскую пластину изготавливают из щелочно-содержащего оксидного стекла с оптическим коэффициентом напряжений более 3 Бр, ионный обмен в расплавах солей щелочных металлов с радиусом щелочных ионов, большим радиуса щелочных ионов стекла, при температуре ниже температуры стеклования последнего, а время обработки находится в интервале от t₁ до t₂, где t₁ - время, соответствующее началу увеличения показателя преломления и образованию волноводного слоя для ТМ поляризации, t₂ - время, соответствующее началу увеличения показателя преломления и образования волноводного слоя для ТЕ поляризации.