Способ изготовления элементов интегральной оптики

40 1 Зб 56Изобретение относится к интегральной оптике, в частности к технологии изготовления основных элементовинтегрально-оптических устройств в5волноводном исполнении,Целью изобретения является получение планарной волноводной градиентной линзы.Диэлектрическую подложку, предназначенную для изготовления линзы,одНой иэ сторон. приводят в контакт с веществом, содержащимионы металлов, способные диффундировать в зту подложку, и нагревают 1 с:цо температуры, при которой ее про- .водимость достигает величины 1010 Ом см . Затей между противоположными поверхностями подложки создаютпостоянное неоднородное электричеекое поле определенной конфигурации смаксимальной напряженностью от 5 до50 В/мм, причем в качестве анода используют поверхность, контактирующуюс диффузантом. Длительность операции 25выбирают достаточной для обраэова"ния градиентного волноводного слоя,поддерживающего заданное число мод.,По ее завершении подложку охлаждают,а остатки диффузанта и электроды уда 30ляют.Механизм образования волноводнойградиентной линзы состоит в следующем.При нагревании диэлектрическаяподложка становится электропроводящей, Носителями заряда в ней обычноявляются ионы щелочных металлов.Под действием приложенного извне "электрического поля они смещаютсяиз прианодной поверхности подложкив направлении к катоду. Образовавшиеся вакансии эквивалентно замещаются ионами диффузанта, содержащимисяв веществе анода. Чем больше напря Бженность приложенного поля в произвольно выбранной точке, тем набольшую глубину при прочих равныхусловиях проникают диффундирующиеионы и тем больше показатель пре"ломления легированного слоя.Заданного распределения волноводного показателя преломления в поперечном сечении линзы достигают путемподбора определенной конфигурацииэлектродов. Установлено, что распределение Составляющей поля, перпенди-.кулярной поверхности подложки, поддействием которой происходит внедЭО 2рение диффуэанта, в первом приближе нин должно повторять заданную форму профиля показателя преломления линзы. Более точно требуемая конфигура" ция поля подбирается экспериментально в соответствии с режимами ее иэ" готовления, 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 поддается автоматизации. Таким обра-. 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, представля" ющим собой узкую проводящую полосу шириной много меньше толщины подложки. Составляющая поля, перпендикулярная поверхности подложки, изменяется по следующему закону:хЕ(х)2 Чд(1 + сЬ-) где Ч - напряжение, приложенное кэлектродам; д - толщина подложки.Функция близка к функции гиперболического секанса, обеспечивающей,как известно, идеальные фокусирующиесвойства линзы Другим возможным методом создания неоднородного поля может служить профилирование катодной поверхности подложки, например вышлифовывание на ней цилиндрической канавки,ленин, перпендикулярном от линии,осуществляют прнзменкым методом нагониометре 15 путем сканированияузкого светового пучка (1 0,633 мкм)по плоскости контакта подложки спризмой. Результат измерения длякаждой иэ мод, поддерживаемых волноводной линзой, представлен нафиг. 2. Иэ фиг.2 видно, что профильпоказателя преломления является параболическим на уЧастке, составляющем 80-907 ширины линзы. Иирокий па-.раллельный пучок света, вводимый вторец линзы или с пОмощью призмыв зоне, расположенной под расширенным участком катода 2 на Фиг. 1, Фо"кусировался на оси линзы. На фиг.Зприведены траектории лучей в этой,линзе, рассчитанные по .известныФормулам.Режимы изготовления линзы, приведенные в этом примере, являютсяблизкими к оптимальным. Изменениемдлительности процесса можно управлять ее толщиной и величинойдйеи, следовательно, числом поддерживаемых ей мод и Фокусным расстоянием.П р и м е р 2. Линзу изготавливают при тех же режимах, что в примере 1, но при толщине подложки0,5 мм. Ее профиль показателя преломления также параболический, Фокусное расстояние равно 3,3 йм.П р и м е р 3. При Т590 К= 0,1 Кл/см, й1,9 мм полученадвухмодовая волноводная линза с ЮК= 35 1 О и фокусными расстояниямидля параксиальных лучей 9,2 мм и7,8 мм для нулевой и первой мод соответственно. Профиль показателяпреломления нулевой моды параболический только на центральном участкелинзы, занимающем 603 ее ширины.П р и м е р 4. При Т758 К( 4 = 1 .1 О Ом см ); Е 5 В/мм,Я = О,05 Кл/см й = 1,9 им полученаодномодовая линза с зМ,90 10 йР 2 1 мм. Профиль параболическийна 403 ее ширины,П р и м е р 5, В подложке толщиной 2,1 мм вьпвлифовывают цилиндрическую канавку диаметром 4 мм на глубину 1,85 мм и на ее поверхность наносят пленку алюминия, служащую ка"тодом. При Т = 615 К; Е р50 В/ммэа время с=30 мин получают трехмодо 31365630В качестве материала подложкипредпочтительно использовать стекла,содержащие в своем составе окислыщелочных металлов, или кристаллы спреимущественно ионным типом связи,например 1,1 ИЬО, 1,ТаО. Носителямизарядов в них, как и в стекле, служат ионы щелочных металлов. В качестве диффузантов могут быть нсполь"зованы любые металлы, способные безокрашивания повьппать показатель преломления подложек, Но так как ответственными за проводимость подложкиявляются одновалентные ионы, то и 15в качестве диффуэантов следует ис" .пользовать ионы К+ Сэ, Сц, АрТ 1. Предпочтительными являются соединения двух последних элементов,обеспечивающие наибольшее прираще" 2 Оние показателя преломления. Это мо-,жет быть металл, его окисел, легкоплавкая соль или смесь солей,Предлагаемый способ поясняетсячертежами, где на фиг. 1 изображена 25подложка 1 с нанесенными на неекатодом 2 и анодом 3, а также указана принятая система координат; наФиг. 2 приведено измеренное распределение волноводного показателя пре- ЭОломления (номер кривой соответствуетномеру моды) по плоскости линзы, изготовленной в условиях примера 1;на фиг. 3 приведены рассчитанныетраектории лучей в этой линзе.35П р и м е р. 1. На одну из сторонподложки иэ оптического стекла К 8 размером 4515 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 алюминияшириной 200 мкм. Затем подложку нагревают в открытой терморегулируемой 45печи до температуры 673 К (проводимость 6 1 10 5 Омсм ) . Послеустановления заданной температуры наэлектроды подают гГостоянное напряжение величиной 24,5 В. За время эксперимента й37 мин между электро- .дами в расчете на 1 см длины катодапропускают заряд величинойщ 0,1 Кл/см. После этрго подложку охлаждают, а электроды поочередно 55стравливают в азотной кислоте и щелочи,Измерение распределения волноводного показателя преломления в направ1365630 остзвитель С. Б ехред Л. Олийньк бокова Корректор И. Поао Редактор Г. Наджарян Заказ 5159 Тираж 425ВНИИПИ Государственного комитета СССпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. дписное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,