Способ изготовления оптического волноводного устройства

 

Изобретение относится к технологии изготовления оптических волноводов, а именно светопроводящих каналов, и может быть использовано для создания оптических процессоров для ЭВМ, оптических усилителей и/или генераторов для оптоволоконной связи, а также для изготовления элементов трехмерной памяти. Изобретение направлено на упрощение технологии, снижение потерь проходящего по волноводам светового потока и расширение спектрального диапазона, а также на уменьшение размеров, повышение плотности и устранение ограничений в конфигурации создаваемого рисунка. Способ включает преобразование оптических свойств материала заготовки облучением, при этом для облучения используют пучки ускоренных частиц, а исходно прозрачный материал заготовки преобразуют в непрозрачный или менее прозрачный. Облучение производят через шаблон или маску, или перемещением пучка частиц, или перемещением заготовки относительно пучка. В качестве ускоренных частиц используют электроны, протоны, ионы гелия, атомы водорода или гелия, а в качестве материала заготовки используют многоатомные соединения металлов и/или полупроводников с кислородом, водородом, азотом, фтором. 15 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления оптических волноводов, а именно светопроводящих каналов, и может быть использовано для создания оптических процессоров для ЭВМ, оптических усилителей и/или генераторов для оптоволоконной связи, а также для изготовления элементов трехмерной памяти.

Известен способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике путем модификации структуры диэлектрика (см. описание к патенту РФ 2150135, G 02 В 6/13, 2000 [1]). Для реализации способа из прозрачного диэлектрика - алмаза, кварца, сапфира, стекла - изготавливают плоскопараллельную пластину и фокусируют на выбранной ее области воздействующее излучение фемтосекундного лазера с помощью аксикона. В результате на пути прохождения излучения превышается пороговая интенсивность ионизации диэлектрика и возникает плазма. В результате чего происходит очень быстрый, сильный нагрев (до 10⁶ К) области фокусировки, занятой плазмой, и, следовательно, здесь развивается огромное давление (порядка 10⁸ бар). В этих экстремальных условиях температуры и давления после прохождения импульса происходит модификация структуры вещества диэлектрика (что подтверждено экспериментально). Вследствие чего вдоль линии фокусировки аксикона образуется светопроводящий канал с измененным показателем преломления. Продольный и поперечный размеры канала определяются геометрией фокусировки (углом при вершине аксикона), энергией импульса и параметрами материала диэлектрика. Недостатками известного способа являются сложность его реализации и ограниченность применения, обусловленная тем, что с его помощью можно формировать только прямолинейные каналы.

Известен способ изготовления оптического волноводного устройства, раскрытый в описании к патенту РФ 2151412, G 02 В 6/138, 2000 [2]. Для изготовления оптического волноводного устройства на поверхности стеклянной подложки формируют первый слой оболочки, поверх которого формируют металлический слой. Путем избирательного травления металлического слоя создают металлический шаблон для формирования в нем волноводной жилы. Затем в металлическом шаблоне формируют слой оптического полимера. Слой оптического полимера в свободных от металла участках металлического шаблона подвергают облучению ультрафиолетовым светом со стороны нижней поверхности подложки, что меняет его свойства. Волноводную жилу формируют путем удаления оставшейся части слоя оптического полимера, за исключением его облученной части, и металлического слоя. Поверх первого слоя оболочки и волноводной жилы формируют второй слой оболочки. Недостатком известного способа является сложность его реализации, поскольку процесс содержит много стадий, требует значительных количеств дорогостоящих расходных материалов и при этом не обеспечивается высокая плотность размещения оптических элементов на структуре, изготовленной этим способом.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления плоских оптических волноводных структур, известный из описания к патенту США 5896484, НКИ 385/132, 1999 [3] . Известный способ осуществляется следующим образом. На подложку наносят кварцевое покрытие, а затем материал заготовки, в качестве которого используют германосиликат (кремний с добавкой окиси германия), предварительно насыщенный водородом. Затем заготовку облучают ультрафиолетовым светом, либо сканируя по заданной траектории по поверхности заготовки сфокусированным лучом, либо освещая заготовку через трафарет с выполненным в нем рисунком. В результате в материале заготовки в областях, подвергнутых облучению, происходит преобразование его оптических свойств. В данном случае изменяется показатель преломления и таким образом в заготовке, имеющей один показатель преломления, формируются каналы с заданной топологией, имеющие иной показатель преломления.

Недостатками известного способа являются сложность реализации, заключающаяся в необходимости насыщения водородом материала заготовки, однородного распределения которого по объему достичь достаточно трудно, а кроме того, достигаемая разность показателей преломлений невелика, что приводит к потерям через стенки сформированных волноводов проходящего по ним светового потока и ограничивает спектр длин волн, для которых такие волноводы можно использовать, поскольку в волноводах, основанных на разнице показателей преломления волноводного канала и покрытия, прохождение светового потока по каналу обеспечивается за счет полного внутреннего отражения, которое зависит от длины волны (см. Физический энциклопедический словарь. - М.: "СЭ", 1983, с. 562 [4]).

Заявляемый в качестве изобретения способ изготовления оптического волноводного устройства направлен на упрощение технологии, снижение потерь проходящего по волноводам светового потока и расширение спектрального диапазона, а также на уменьшение размеров, повышение плотности и устранение ограничений в конфигурации создаваемого рисунка.

Указанный результат достигается тем, что способ изготовления оптического волноводного устройства включает преобразование оптических свойств материала заготовки облучением, при этом для облучения используют пучки ускоренных частиц, а исходно прозрачный материал заготовки преобразуют в непрозрачный или менее прозрачный.

Указанный результат достигается тем, что в качестве ускоренных частиц используют электроны, протоны, ионы гелия, атомы водорода или гелия.

Указанный результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используют многоатомные соединения металлов и/или полупроводников с кислородом, водородом, азотом, фтором.

Указанный результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используют оксиды металлов или полупроводников, а в качестве оксидов металлов или полупроводников используют оксиды меди, железа, вольфрама, германия.

Указанный результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используют гидриды металлов, а в качестве гидридов металлов используют гидрид лантана или эрбия.

Указанный результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используют нитриды металлов или полупроводников, а в качестве нитридов металлов или полупроводников используют нитрид галлия или кремния.

Указанный результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используют фториды металлов, а в качестве фторидов металлов используют фторид кальция.

Указанный результат достигается тем, что используют слой материала заготовки толщиной 1-100 нм.

Указанный результат достигается тем, что заготовку выполняют из нескольких последовательно создаваемых слоев различных материалов, каждый из которых последовательно преобразует свои оптические свойства под воздействием одного вида частиц.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются: - использование для облучения пучков ускоренных частиц; - преобразование исходно прозрачного материала заготовки в непрозрачный или менее прозрачный; - использование в качестве ускоренных частиц электронов; - использование в качестве ускоренных частиц протонов; - использование в качестве ускоренных частиц ионов гелия; - использование в качестве ускоренных частиц атомов водорода или гелия; - использование в качестве материала заготовки многоатомных соединений металлов и/или полупроводников; - использование в качестве материала заготовки оксидов металлов или полупроводников; - использование в качестве оксидов металлов или полупроводников, оксидов меди, железа, вольфрама кобальта, никеля, германия;
- использование в качестве материала заготовки гидридов металлов;
- использование в качестве гидридов металлов гидридов лантана или эрбия;
- использование в качестве материала заготовки нитридов металлов или полупроводников;
- использование в качестве нитридов металлов или полупроводников нитрида галлия или кремния;
- использование в качестве материала заготовки фторидов металлов;
- использование в качестве фторидов металлов фторида кальция;
- использование слоя материала заготовки толщиной 1-100 нм;
- выполнение заготовки из нескольких последовательно создаваемых слоев различных материалов, каждый из которых последовательно преобразует свои оптические свойства под воздействием одного вида частиц.

Преобразование оптических свойств материала заготовки путем перевода выбранных областей из прозрачного состояния в непрозрачное или менее прозрачное позволяет снизить потери в сформированных волноводных структурах и расширить спектральный диапазон используемого оптического излучения, т.к. на границе раздела "прозрачный материал - непрозрачный" отражение от границы раздела происходит независимо от длины волны (в отличие от полного внутреннего отражения).

Использование для облучения пучков ускоренных частиц позволяет обеспечить преобразование оптических свойств материала заготовки путем перевода из прозрачного состояния в непрозрачное или менее прозрачное, что является следствием взаимодействия ускоренных частиц с веществом заготовки.

Как было установлено экспериментально, в качестве ускоренных частиц, обеспечивающих преобразование оптических свойств материала заготовки, могут быть использованы пучки электронов, протонов, ионов гелия, а также атомов водорода и гелия.

Материал заготовки может быть выбран из числа известных прозрачных оксидов, гидридов, нитридов и фторидов металлов или полупроводников. В перечисленных материалах под воздействием ускоренных частиц происходит изменение химического состава материала, а именно - в облученных участках этих материалов остаются только атомы металлов или полупроводников за счет селективного удаления атомов кислорода, водорода, азота или фтора.

При этом для каждого вида частиц и обрабатываемого ими материала экспериментально подбираются режимы обработки - плотность пучка, скорость частиц в пучке, время экспозиции и т.п., а также пары "вид частиц - вид материала", обеспечивающие наиболее эффективное преобразование оптических свойств.

Использование заготовок толщиной 1-100 нм позволяет обеспечить достижение дополнительного технического результата - повышение плотности размещения оптических элементов создаваемой волноводной структуры.

В частности, если взять слой материала заготовки толщиной, например, 10 нм, то можно, с одной стороны, обеспечить преобразование оптических свойств на всю толщину слоя, а используя сфокусированные пучки частиц или облучение через трафарет, получить облучаемые участки шириной 10 нм и заданной длины и конфигурации и с промежутками между облучаемыми областями в 10 нм. В результате получается планарная волноводная структура, имеющая разделительные непрозрачные слои размером 10•10 нм и соответственно волноводные каналы размером 10•10 нм.

Используя предлагаемый способ, можно изготавливать не только планарные структуры, но и объемные, многослойные. Для этого заготовку выполняют из нескольких слоев различных материалов, каждый из которых последовательно преобразует свои оптические свойства под воздействием ускоренных частиц.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами реализации и чертежом, на котором схематично представлены отдельные стадии технологического процесса.

Пример 1. В общем случае способ изготовления оптического волноводного устройства осуществляется следующим образом.

На подложку 1, которая может быть выполнена из кремния, алюминия или двуокиси кремния, наносят слой материала заготовки 2 требуемой толщины. В качестве материала заготовки используют прозрачные оксиды, гидриды, нитриды или фториды металлов или полупроводников.

Затем слой материала заготовки облучают пучком ускоренных частиц, в качестве которых используют электроны, протоны, атомы водорода, атомы и ионы гелия. Облучение может осуществляться через шаблон 3 с заданным рисунком, через маску, нанесенную на заготовку или перемещением сфокусированного пучка частиц по поверхности заготовки определенной траектории или перемещением заготовки относительно неподвижного сфокусированного луча.

Под воздействием ускоренных частиц в тех областях 4 заготовки 1, которые подверглись облучению, происходит необратимое изменение химического состава материала заготовки, влекущее за собой изменение оптических свойств - переход из прозрачного состояния в непрозрачное или менее прозрачное. В результате получается планарная волноводная структура, которая содержит волноводные оптические каналы с заданной топологией, разделенные непрозрачными перегородками, и которая может использоваться как самостоятельное волноводное устройство или составная часть его.

Пример 2. Способ реализовывался по общей схеме с использованием электронов в качестве частиц для облучения материала заготовки. Для его реализации в вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливаются несколько подложек из монокристаллического кремния размером 5•5•0,4 мм, на которые нанесен слой материала заготовки требуемой толщины. Вакуумная камера откачивалась сначала форвакуумным и турбомолекулярным насосом, а затем ионным до давления 10^-9 торр. В качестве источника электронов использовалась электронная пушка с термокатодом из вольфрама. На пути электронного пучка устанавливался шаблон, в качестве которого использовалась пластина кремния толщиной 0,4 мм и размером 50•50 мм с изготовленными в ней рядами отверстий диаметром 100 нм и сквозными прорезями в виде линий шириной 100 нм и длиной 3 мм и расстоянием между ними 300 нм. После откачки включалась электронная пушка и устанавливался ее рабочий режим, обеспечивающий преобразование оптических свойств материала заготовки. Режимы для каждого вида материала и толщины заготовки подбирались экспериментально, некоторые из параметров, обеспечивающих достижение результата, приведены в табл. 1.

Пример 3. Способ осуществлялся, как описано в примере 2, но с использованием ионов водорода и гелия и с использованием вместо электронной пушки (пример 2) соответствующего источника ионов. Некоторые параметры реализации способа приведены в табл. 2 для ионов водорода и в табл. 3 для ионов гелия.

Пример 4. Способ осуществляется, как описано в примере 2, но для облучения использовались пучки ускоренных атомов водорода или гелия, которые получали нейтрализацией пучков ускоренных ионов (протонов и ионов гелия) с помощью электронов.

Технологические параметры процесса для автоматов водорода и атомов гелия аналогичны условиям, приведенным в табл. 2 и 3, т.к. пучки атомов получали путем нейтрализации электронами пучков ионов гелия и водорода.

Пример 5. При изготовлении трехмерных волноводных устройств способ реализуется следующим образом. На подложку наносят первый слой материала заготовки, который подвергается облучению пучком ускоренных частиц для образования соответствующей волноводной структуры заданной топологии. Затем на первый слой наносятся второй слой материала заготовки, который после нанесения также подвергается облучению пучком ускоренных частиц. Но при этом вид частиц и их технологические параметры (энергия частиц, плотность в пучке, время экспозиции и т.д.) подбираются таким образом, чтобы преобразование оптических свойств происходило только во втором, верхнем слое материала заготовки. Затем аналогичным образом наносят третий слой и т.д.

В результате получают трехмерную структуру оптического волноводного устройства с требуемой топологией.

Формула изобретения

1. Способ изготовления оптического волноводного устройства, включающий преобразование оптических свойств материала заготовки облучением пучком ускоренных частиц через шаблон или маску, или перемещением сфокусированного пучка частиц по поверхности заготовки по определенной траектории, или перемещением заготовки относительно неподвижного сфокусированного луча, при этом исходно прозрачный материал заготовки преобразуют в непрозрачный или менее прозрачный.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют электроны.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют протоны.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют ионы гелия.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют атомы водорода или гелия.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала заготовки используют многоатомные соединения металлов и/или полупроводников с кислородом, водородом, азотом, фтором.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве материала заготовки используют оксиды металлов и/или полупроводников.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве оксидов металлов и/или полупроводников используют оксиды меди, железа, вольфрама, кобальта, никеля, германия.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве материала заготовки используют гидриды металлов.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в качестве гидридов металлов используют гидрид лантана или эрбия.

11. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве материала заготовки используют нитриды металлов и/или полупроводников.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в качестве полупроводников используют нитрид галлия или кремния.

13. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве материала заготовки используют фториды металлов.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что в качестве фторидов металлов используют фторид кальция.

15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют слой материала заготовки толщиной 1 - 100 нм.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заготовку выполняют из нескольких последовательно создаваемых слоев различных материалов, каждый из которых последовательно преобразует свои оптические свойства под воздействием одного вида частиц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4