Способ изготовления планарного волноводного поляризатора света
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.
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 Тg стекла, где Tg температура стеклования. Такая ионообменная обработка приводит к созданию диффузионных сжимающих напряжений ( 
) Напряжения за счет эффекта фотоупругости увеличивают ПП 
n C (где С= С1+С2 для ТЕ поляризации, и С 2С2 для ТМ-поляризации, С1 и С2 фотоупругие постоянные). Такие поверхностные слои обладают двойным лучепреломлением 
n nТМm-nТЕm (где nTEm и nТМm эффективные ПП для ортогональных поляризаций света для различных номеров волноводных мод-m). Целенаправленное изменение двойного лучепреломления 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 ( ) 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 (n). Двойное лучепреломление и напряжения связаны между собой оптическим коэффициентом напряжений n ( x ) B ( 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=400оС в течение 0,5-4 ч. В результате обмена Na
Красп+ 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 
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 ( 
) 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 
где IТМ интенсивность излучения, выходящего из волновода для ТМ поляризации (сигнал) IТЕ интенсивность рассеянного света для ТЕ поляризации (шум) L длина селектора. Для длины волны 0,63 мкм поляризационная эффективность составила 
100-110 дБ/см, для длины волны 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 360оС С и Т 400оС в течение 0,25-4 ч и при температуре Т 490оС в течение 1-3 мин. В результате обмена ионов разного радиуса Na
Красп в поверхностных слоях стекла образовался волновод. Измерение эффективных ПП проводилось на длинах волн Не-Ne ( 0,63 мкм) и Не-Сd ( 0,44 мкм) лазеров. На фиг. 2,3 представлены зависимости эффективных ПП на длине волны 0,63 мкм от времени обработки при Т 400оС и Т=490оС соответственно. Обнаружено, что для времени обработки от 15 до 45 мин при Т=400оС (фиг.2) и для времени обработки от 1 мин 10 с до 1 мин 20 с при Т= 490оС (фиг.3) по волноводу распространялась одна мода ТМ поляризации. Прирост ПП для нее составлял nTM 5 10-4 для Т 400оС и nТМ 2 10-4 для Т 490оС ПП для ТЕ поляризации соответствовал ПП подложки ns=1,6868), т.е. мода ТЕ поляризации по волноводу не распространялась. На фиг. 4 представлена зависимость эффективных ПП на длине волны 0,44 мкм от времени обработки при Т=360оС. Обнаружено, что для времени обработки от 30 до 60 мин по волноводу также распространялась только одна мода ТМ поляризации. Прирост ПП для нее составлял nТМ 2 10-4 Таким образом, созданные волноводы на натриевотитаногерманатном и натриевогерманосиликатном стеклах могут выполнять функции поляризатора, для видимого диапазона длин волн 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.
Формула изобретения
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.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000
Извещение опубликовано: 20.10.2000
