Способ изготовления оптического планарного волноводного функционального элемента

 

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 приклеиванием 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 02 В 6/12, 6/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Мюбфцщ ;":, с

Ф д. &ям;:,техйжГ, Fi, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4790754/10 (22) 14.02.90 (46) 23,06,92. Бюл, ¹ 23 (71) Институт кибернетики АН ГССР (72) Ю.Н.Берозашвили, Ш.Ш.Гватуа и

Г.Ф.Чантурия (53) 535.317 (088,8) (56) Тонкие неорганические пленки в микроэлектронике. — Л,; 1972, с. 12.

Авторское свидетельство СССР

¹1811792,,кл. С 03 С, 1965.

Авторское свидетельство СССР

N 1466178, кл. G 03 В 37/01, 1988.

Квантовая электроника, 1979, т, 5, с, 1092-1094. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПЛАНАРНОГО ВОЛНОВОДНОГО

ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА (57) Изобретение относится к интегральной оптике и технологии изготовления полноИзобретение относится к интегральной оптике и технологии изготовления элементов полностью оптической вычислительной машины и может быть использовано при изготовлении отдельных элементов в оптоэлектронике, 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 0,5 — 3 дБ/см, „„Я2„„1742766 А1 стью 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 приклеиванием к функциональному или оболочечному слою волоконных световодов ввода и вывода управляемого светового излучения. Далее растворяют водорастворимую подложку и наращивают функциональный слой до требуемой толщины в контролируемых условиях, 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 покры1742766 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 фотоуправляемого оптического волновода, заключающийся в следующем. На одной поверхности подложки из стекла марки К-8 с помощью ионно-обменной диффузии создается пассивный одномодовый 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 волоконных 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 планарного волновода функционального элемента от известных заключается в том, что осуществляют изготовление функционального.слоя в контролируемых условиях, наращивая его на подслой минимальной толщины иэ того же материала, что и функциональный слой, причем подслой предварител ьно создается . на оптическом

45 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 иэ материала, предназначенного для изготовления функционального слоя, используют подложку из водорастворимых щелочно-галлоидных кристаллов, при этом после растворения в воде щелочно-галлоидной 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 омбинированным, 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, волноводным 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 d< = 125 мкм, Изготовление сандвича данного типа состоит из следующих этапов.

1. На свежесколотую поверхность подложки из кристалла NaC1 с размерами 40.10л 4 мм осаждают из раствора сверхтонкий подслой из полистирола с примесью красителя метилового красного (200 см" толуола, 0,1 см полистирола 0,12 см красителя), з

2. Производится сушка подложки и, 1 при Т = 120 С в течение 1 ч в сушильном шкафу.

3. Оптическая оболочка ОВС стравливается в течение 1 ч 30 мин до диаметра d< =

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.

1742766

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

6. На подложку и. 5 со свеженанесенной пленкой оптического клея ОК-72Ф накладывается подложка и. 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 NBCI.

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-лазера с it = 0,6328 мкм, которое вводилось с помощью неразъемного соединения многомодового волоконного световода с 10-10

OBC 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 самосинхрониэацией мод время отклика 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 сердцевины волновода и система ввода и

ывода излучения такие же, как в примере

2 за исключением того, что волноводный с. ой дополнительно покрывают с обеих стор н слоями — оболочками из оптического к .я марки ОК-50 и толщиной 0,1 мкм, котор е вместе с пленкой CdTe с показателем пс ломления пу =3,5 и воздухом составляю1 эквивалентную оболочку для волноводно э слоя, 15

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

1. На свежесколотую поверхность подложки из кристалла NaCI с размерами 40 х 10 х 4 мм методом лазерного напыления осаждался сверхтонкий подслой из полу.проводника CdTe толщиной 50 — 60 А, получаемый в течение десяти импульсов генерации лазера на стекле с неодимом длительность импульса 30 нс, частота повторений — 1 Гц, энергия в импульс 1,8

Дж.

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

3. После отвердения пленки ОК-50П (сушке при Т = 60 С в течение 3 ч) осуществлялись операции пп. 4 и 5 с предварительным осуществлением и. 3 примера 1, 4, Производится операции и. 2 с подложкой и. 1 со стороны подслоя из CdTe c последующей сушкой по и. 2, причем пп, 2, 3 и 4 осуществляют одновременно.

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

6, После тщательной промывки в обычной и дистиллированной водах и сушки наращивают функциональный слой из CdTe в контролируемых условиях до оптимальной величины (500-1000А), помещая сандвич в напылительную вакуумную камеру специальной лабораторной лазерной напылительной установки.

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

П е р в ы и э т а и. На свежесколотую поверхность водорастворимой кристаллической подложки осаждают тем или иным способом (предпочтительно лазерного напыления) сверхтонкий подслой из материала, определяющего функциональные свойства элемента. Толщина сверхтонкого подслоя, определяемая условиями возникновения сплошной пленки, не превышает нескольких десятков ангстрем, что обычно гораздо меньше оптимальной величины и требует предпочтительно непрерывного наращивания в контролируемых условиях, При необходимости на подслой дополнительно осаждают из раствора изолирующую прослойку из органического компаунда с соответствующими показателями преломления и толщиной.

В т о р о и э т а п. Подготовляют волоконные световоды (BC) ввода и вывода излу1742766

50

Составитель Н.Иванов

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Л.Бескид

Редактор Т.Иванова

Заказ 2283 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 чения и одновременно с нанесением из раствора на водорастворимую подложку со стороны 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 зазоромволноводом, определяемым диаметром торцов ВС.

Т р е т и и э т а и. Растворением водорастворимой 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 волноводному слою нерастворимую подложку, фиксировать планарный волновод или раздельно осаждать на водораетворимую подложку сверхтонкий функциональный подслоек, а на нерастворимую подложку с приклеенными ВС вЂ” 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 функционального элемента обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: — существенно уменьшаются добавоч5 ные потери в функциональном слое по сравнению со стопой сверхтонких пленок, в том числе и потери за счет многократных отражений между отдельными сверхтонкими пленками.

10 — функциональный слой изготовляется в контролируемых условиях; — увеличивается в - 1,5 — 2,0 раза эффективность ввода и вывода светового излучения.

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

20 Формула изобретения

Способ изготовления оптического планарного волноводного функционального элемента, включающий формирование на подложке волноводных слоев с разными по25 казателями 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

30 улучшения качества функционального элемента, вначале формируют на водорастворимой подложке часть функционального слоя по толщине, затем на нем формируют пассивный оптический волноводный слой с

35 входными и выходными оптическими волокнами, фиксируют на пассивном оптическом волноводном слое нерастворимую подложку, растворяют водорастворимую подложку и наращивают функциональный слой до тре40 буемой толщины.