Создание планарного градиентного диффузионного волновода методом термического ионного обмена

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий,  механики и оптики

 

 

 

 

Лабораторная  работа №2

«Создание планарного градиентного диффузионного волновода методом термического ионного обмена.»

 

 

 

       Студенты:  Дубровская В.Д.

Озеров С.А.

Группа: 4350

      Преподаватель:  Рохмин А. С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

 ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Создание планарного градиентного волновода методом  термического ионного обмена.

ОБЪЕКТ  ИССЛЕДОВАНИЯ:

Подложки для  изготовления ионообменных волноводов - полированные пластинки стекла, содержащего в составе ионы щелочных металлов.

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ:

Ознакомление  с основными методами создания планарных  волноводов.

Ознакомление  с основными принципами ионного  обмена в стеклах.

Изготовление планарного градиентного волновода методом термического ионного обмена.

СВЕДЕНИЯ  ИЗ ТЕОРИИ:

1. Основные  характеристики планарных волноводов

Ограничимся кратким  рассмотрением физических явлений  в планарных волноводах с целью  определения их основных характеристик, необходимых для интерпретации экспериментальных результатов.

2. Методы  создания планарных волноводов

Развитие оптической связи и создание оптического  компьютера во многом определяются качеством  волноводных структур, применяемых  в оптоэлектронике, их характеристиками, стоимостью технологии изготовления и т.д. В связи с этим большое значение приобретает метод создания волноводных структур, т.к. он определяет качество волноводов, области применения, стоимость и т.д. Для создания волноводов применяются различные технологии.

В интегральной оптике существуют два принципа при  формировании профиля показателя преломления (ПП) планарных волноводов:

1) нанесение оптических пленок на поверхность подложки другого материала;

2)  увеличение ПП в приповерхностных  слоях ПОДЛОЖКИ в результате химических или физических воздействий.

В первом случае изменение ПП скачкообразное (прямоугольный  профиль), во втором - ПП пленки меняется плавно (градиентный профиль).

В соответствии с этим можно выделить два направления  в методах изготовления волноводных слоев:

I. Пленочная технология (нанесение пленок на подложку). Основными методами нанесения пленок являются:

- осаждение материала из газовой среды

По способу  активации и предварительного перевода материалов в газовую фазу физические методы подразделяются в свою очередь следующие:

а) Напыление нейтральными частицами (выбиваемыми из распыляемой мишени ускоренным потоком заряженных ионов, например, Ar⁺ с энергией 0,1-10 кэВ):

• диодные и триодные (с дополнительным ускоряющим и управляющим электродом) системы;
• магнетроны (устройства, где на скрещенные электрическое и магнитное поле накладываются сверхвысокочастотные (СВЧ) колебания, что приводит к образованию сложных спиралевидных траекторий заряженных частиц, которые имеют возможность разогнаться до высоких энергий);
• ионно-лучевое распыление.

б) Напыление заряженными частицами, которые разряжаются на подложках в процессе нанесения:

• тлеющий разряд;
• магнетронный разряд;
• дуговой разряд.

в) Термическое напыление:

• собственно термическое распыление материалов;
• пламенное;
• взрывное;
• световая дуга;

 

При термическом  напылении энергия осаждающихся частиц в 10-100 раз ниже, чем, например при конденсации заряженных частиц, соответственно значительно меньше и адгезия получаемых покрытий.

- нанесение пленок из жидкой фазы (метод полива с центрифугированием полимерного материала или применение технологии золь-гель).

II. Градиентная технология (изменение состава в поверхностном слое материала в результате введения модификатора или улета исходных компонентов материала, отвечающих за показатель преломления).

Выбор того или  иного направления определяется конкретными задачами, которые выдвигаются  при построении отдельных элементов  или гибридных схем в целом, а  также технологическими возможностями  с учетом требований, предъявляемых к волноводам и материалам, из которых они изготавливаются.

На сегодняшний  день особый интерес представляют градиентные  планарные волноводы. Градиентные  волноводы обладают такими преимуществами перед пленочными, как низкие потери, возможность эффективного согласования профиля ПП планарного волновода с профилем ПП волокна. Градиентные волноводы на основе стекол характеризуются стабильностью параметров, высоким качеством поверхности, широким диапазоном изменения свойств в результате варьирования химического состава подложек или внедряемого модификатора, устойчивостью к разнообразным внешним воздействиям. Волноводы, полученные методами градиентной технологии, как правило, сохраняют акусто-, электро-, магнито- и нелинейно-оптические свойства исходных материалов.

Изготовление  градиентных планарных волноводов может быть осуществлено методами ионной имплантации, эффузией, твердотельной диффузией, электростимулированной диффузией и ионным обменом.

1) Метод ионной имплантации.

Метод имплантации основан на изменении показателя преломления материала, подвергнутого облучению высокоэнергетическими протонами (1,5 МэВ) или тяжелыми ионами (20-200 кэВ). В результате взаимодействия этих частиц со структурой вещества происходит их торможение, а также смещение атомов вещества. Вследствие этого в поверхностном слое образуется плотная область смешенных атомов. Эти радиационные нарушения представляют большой интерес для создания волноводных слоев, так как именно они вызывают изменение ПП оптических материалов. Основное преимущество метода ионной (протонной) имплантации состоит в получении волноводных слоев с различными профилями ПП, а также в возможности использования для этих целей широкого класса оптических материалов. Однако данный метод требует дополнительной операции в технологической цепи - отжиг волноводных структур, а также сложной и дорогостоящей технологической аппаратуры, что затрудняет его широкое использование.

2) Метод эффузии.

В основу этого  метода положена идея улета различных  компонентов материала, в состав которого эти компоненты вводились с целью уменьшения ПП. В результате этого улета в поверхностных слоях материала образуется область с повышенным ПП. Так, например, термообработка оптических стекол типа ЛК-1, ΚΦ-10 ЛФ-9, содержащих легколетучие соединения фтора, повышает поверхностный показатель преломления и приводит к образованию волнонесущих слоев. Метод эффузии, связанный с нагревом (Т=60-200°С) образца на воздухе, является наиболее простым среди всех существующих способов изготовления волноводов. При этом можно получать одномодовые и многомодовые волноводы с   затуханием < 1 дБ/см. К недостаткам этого метода можно отнести узкий выбор материалов, содержащих легколетучие фтористые соединения, а также нестабильность поверхностных слоев этих материалов при комнатной температуре, В связи с этим возможности применения метода эффузии для задач интегральной оптики ограничены.

3) Электролиз.

Суть этого  метода заключается в следующем. Под воздействием постоянного электрического поля, приложенного к расположенным на стеклянной пластине электродам, щелочные ионы смещаются к катоду, образуя слой с повышенной концентрацией. Одновременно под анодом образуется слой, обедненный щелочным металлом, если только его соединения не входили в состав материала анода. В зависимости от соотношения ПП стекла и окисла, ответственного за проводимость, волноводными свойствами будут обладать или прикатодный или прианодный слои обработанного стекла. Этот процесс проходит при напряженности электрического поля 300 В/мм и температурах ниже температуры стеклования стекла (Т_g). Метод электролиза позволяет получать волноводные слои на широком наборе оптических стекол -щелочносиликатных, боросиликатных, свинцовосиликатных, фосфатных. При этом волноводные потери составляют 1-2 дБ/см. К настоящему времени методом электролиза получены волноводы с перепадом ПП Ι,5·Ι 0^-3. Однако потенциальные возможности этого метода на сегодняшний день изучены недостаточно.

4) Метод твердотельной диффузии.

Этот метод  основан на диффузии высокопреломляющего модификатора из пленки, предварительно нанесенной на поверхность стеклянной подложки. Модификатор, внедренный таким способом, увеличивает ПП в поверхностном слое стекла, что приводит к созданию волновода. Обычно этот процесс происходит при температурах выше Т_g данного стекла.

Метод твердотельной диффузии позволяет использовать различные  высокопреломляющие модификаторы и  тем самым получать волноводы  с различным перепадом ПП. Потери в таких волноводах составляют 1-3 дБ/см на длине волны 0,63 мкм. К недостаткам этого метода можно отнести то, что диффузия модификатора (как правило, ионов металлов -Аg⁺, Сu⁺, Tl⁺, Рb⁺, Sn⁺) в стекло обычно вызывает окрашивание поверхностного слоя, что приводит к дополнительному поглощению волноводного излучения в различных участках спектра. Кроме того, высокая температура, при которой происходит твердотельная диффузия, может изменить различные свойства исходного стекла (например, качество поверхности, фоточувствительность фотохромных стекол и т.д.).

5) Ионный обмен.

Большой интерес при создании градиентных волноводных слоев представляет метод ионообменной диффузии. Суть метода заключается в обмене ионов щелочных металлов, содержащихся в стекле, на ионы других металлов из расплавов солей вследствие различия их химических потенциалов. Как правило, диффундирующие из расплава в стекло ионы имеют большую удельную рефракцию, чем ионы, диффундирующие из стекла в расплав, например Ag+, Li⁺, K⁺, Tl⁺, Rb⁺, Cs⁺ ↔ Νa⁺ . В результате такой замены происходит увеличение ПП в поверхностном слое стекла, что приводит к образованию волновода (Рис.1). Обычно ионный обмен проводят при температурах ниже Τ _g стекла.

Рис. 1. Принцип ионного обмена на примере Na⁺ ↔ K⁺ обмена (а -схема сетки стекла до обмена; б - схема сетки стекла после обмена

Полученные таким методом волноводы обладают минимальными потерями (0,2 - 0,5 дБ/см) по сравнению с волноводами изготовленными другими методами. Однако возможности свободной ионообменной диффузии ограничены существованием определенных наборов ионов - диффузантов для конкретных типов стекол.

Дальнейшее  расширение ионов - диффузантов может  быть достигнуто, например, путем электростимулированной диффузии. В методом электродиффузии получены волноводные слои с использованием одновалентных ионов - диффузантов Cs⁺, Rb⁺ , Cu⁺, а также двухвалентных Ζn²⁺. Метод электродиффузии позволяет получать заглубленные волноводы с разнообразными профилями ПП (в том числе ступенчатые), а также позволяет изменять глубину волноводного слоя и ПП в значительных пределах ( h = 15 - 300 мкм, Δ N = 0,01 - 0,07). Несмотря на другие положительные качества электродиффузии - ускорение процесса и снижение температуры обработки, этот метод требует дополнительных и трудоемких операций в технологической цепи, что усложняет его широкое использование.

Среди перечисленного ассортимента ионов - диффузантов можно выделить К⁺. Ион К⁺ представляет собой не поглощающий в видимой и ближней ИК области спектра модификатор. Использование К⁺ позволяет получать волноводы хорошего оптического качества с рекордно малыми потерями ( ~ 0,2 дБ/см). Кроме того, образцы стекла, обработанные в расплавах нитратов калия, обладают повышенной механической прочностью, что в настоящее время широко используется в практике упрочнения стекла. Следует также отметить, что низкотемпературный ионный обмен в расплаве KNО₃ приводит к увеличению термостойкости, абразивоустойчивости, химической устойчивости, микротвердости и оптической прочности поверхности стеклянных образцов.

Известны две  технологические схемы ионно-обменной диффузии -термодиффузия и электродиффузия.

В оптоэлектронике и интегральной оптике термодиффузию (ТД) можно определить как диффузию ионов (или атомов) из расплава в подложку под действием  градиента концентрации при относительно высокой температуре. Ионно-обменная диффузия, как правило, применяется для создания волноводов в стеклах.

В качестве диффундируемых ионов используются, как правило, катионы нитратов, нитритов или сульфатов  одновалентных элементов или  их смеси в различных пропорциях. Расплавляя эти вещества (температуры их плавления лежат в пределах 200 - 650°С) мы тем самым увеличиваем коэффициент диффузии D как диффундируемых ионов, так и ионов, находящихся в стекле. Вследствие этого возрастает коэффициент интердиффузии и, следовательно, протекает эффективный обмен ионами, приводящий к формированию волноводного слоя в стекле. Повышение рабочей температуры процесса ТД до температур размягчения специальных видов стекол (~ 650°С) действительно увеличивает коэффициент диффузии, что позволяет в короткое время формировать волноводы и при достаточно больших подвижностях ионов в соответствующих стеклянных матрицах удается получать многомодовые волноводы.

Несколько слов о механизме образования волновода. Возрастание или убывание показателя преломления при замене одного иона другим является результатом комбинации двух главных эффектов: эффекта, обусловленного разными размерами ионов (или атомов) обменивающихся элементов (при замене иона с большим радиусом на меньший, решетка (или вещество) коллапсирует, образуя более плотную структуру и, следовательно, показатель преломления возрастает), и эффекта, обусловленного разной электронной поляризуемостью ионов (при замене иона с меньшей поляризуемостью на ион с большей поляризуемостью показатель преломления возрастает).