CC BY
111
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Валерий Игоревич Наливайко
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 1, старший научный сотрудник, тел. (383)333-302-92, e-mail: [email protected]
Антон Николаевич Покровский
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)333-30-92, e-mail: [email protected]
Марина Александровна Пономарева
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)333-30-92, e-mail: [email protected]
Олег Яковлевич Абель
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер, тел. 8-913-742-88-46, e-mail: [email protected]
Александр Николаевич Соснов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, заведующий кафедрой технологий оптического производства, тел. 8-913903-72-29, e-mail: [email protected]
Представлены схемы микросканеров в качестве переключателей оптических каналов. В качестве основного элемента микросканера предложена параболическая дифракционная отражательная линза, полученная голографическим способом в тонких слоях халькогенидных материалов.
Ключевые слова: микросканер, халькогенидные материалы, парабола.
USE OF CHALKOGENIDE MATERIALS FOR DECISION OF MODERN OPTICAL TECHNOLOGY PROBLEMS
Valery I. Nalivaiko
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1 Koptug str., Novosibirsk, 630090, senior researcher, laboratory of information technology, tel. (383)333-30-92, e-mail: [email protected]
Anton N. Pokrovsky
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1 Koptug str., Novosibirsk, 630090, programming engineer, laboratory of information technology, tel. (383)333-30-92, e-mail: anton.pokrovsky@gmail .com
Marina A. Ponomareva
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1 Koptug str., Novosibirsk, 630090, programming engineer, laboratory of information technology, tel. (383)333-30-92, e-mail: maponoma@gmail .com
Oleg Ya. Abel
The Siberian state geodetic academy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk, 630108, engineer, chair of technologies of optical production, tel. 8-913-742-88-46, e-mail: [email protected]
Aleksandr N. Sosnov
The Siberian state geodetic academy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk, 630108, managing chair of optical technologies, tel. (908)873-74-40, e-mail: [email protected]
Microscanner schemes as switches of optical channels are presented. As a basic element of microscanners the parabolic diffraction reflective lens received in the holographic way in thin layers of chalcogenide materials is suggested.
Key words: microscanner, chalcogenide materials, parabola.
Основу халькогенидных соединений составляют элементы VI группы периодической системы, а именно: S, Se и Te. Химические элементы в этих соединениях связываются друг с другом ковалентными связями, образуя кластеры размером в несколько ангстрем. Между собой кластеры удерживаются ван-дер-ваальсовыми силами. Разница между энергиями межмолекулярных взаимодействий внутри кластеров и между ними - порядка 102 или 103 раз, т.к. энергия ковалентных взаимодействий ~ 100 КДж/моль, а ванн-дер-ваальсовых -
0.1 ~ 1 КДж/моль. Этот класс материалов можно представить как условно аморфный, неоднородно упорядоченный, т.е. как некоторое промежуточное состояние вещества между аморфным и кристаллическим. Такое строение предоставляет множество возможностей по модификации материала,
изменению его структуры, стехиометрии и/или состава с помощью диффузии других элементов, облучения электромагнитными волнами [1].
Халькогенидные материалы известны и ограниченно применялись десятки лет. Всплеск интереса к ним в настоящее время обусловлен развитием современных технологий в ИК диапазоне излучения, таких, например, как создание неохлаждаемых приемников для ИК области спектра и распространением использования ИК области в гражданских, коммерческих применениях.
Тонкие слои халькогенидных материалов существенно отличаются от объемных материалов более рыхлой структурой и более выраженной наноструктурированностью, что связано с условиями их получения.
Наращивание толщины слоев во время напыления в вакууме происходит по “островковому” принципу, что приводит к образованию большей концентрации кластеров по сравнению с объемным стеклом. В результате поверхность слоев имеет игольчатую структуру с высотой пиков в несколько нанометров (рис. 1). Поэтому тонкие слои халькогенидных материалов, полученные напылением в вакууме, имеют динамический диапазон изменения оптических констант на порядок выше, чем объемные материалы. В частности, показатель преломления n = 2,5 на X = 0,63 мкм слоев состава As2S3 изменяется на 10 % при
экспонировании излучением до насыщения. Такие слои позволяют с помощью
селективного травления в растворах или ионного травления в вакууме получать
рельефные структуры на их поверхности с очень высоким пространственным разрешением.
О 100 200 300 400 500 600 700
X, нм
Рис. 1. Игольчатая структура поверхности слоя состава As2S3 на положке из оксидного стекла, полученного термическим напылением в вакууме
В этой статье мы покажем преимущества использования технологий с применением халькогенидных слоев. Одной из распространенных областей применения являются оптические коммуникации. В качестве примера рассмотрим схемы переключателей оптоволоконных каналов.
Свет, выходящий из оптоволокна 1, отражается от вогнутого зеркала 2, имеющего возможность линейно перемещаться на расстояние ДL (рис. 2а). В зависимости от положения зеркала 2 отраженный свет будет фокусироваться в точках 3 или 4, отдаленных друг от друга на дистанцию, значительно превышающую расстояние ДL, на которое мы можем перемещать отражатель.
Рис. 2. Две схемы микросканеров для переключения оптоволоконных каналов:
В предложенном примере принципиально важными параметрами являются скорость перемещения отражателя, его масса, форма и технологичность изготовления.
Если требования к быстродействию должны быть определены в единицы микросекунд, то исполнительным устройством для предполагаемого перемещения могут служить пьезоактуаторы, скорости перемещения у которых зависят от частоты колебаний, так что любая закрепленная на них масса снизит их резонансную частоту и соответственно - скорость.
Что касается формы зеркала, то для компенсации астигматизма целесообразно отражать выходящий из волокна свет с помощью внеосевых парабол. Необходимость изготовления внеосевых параболических зеркал и закрепление таких отражателей на пъезоактуаторе представляется если и возможным, то дорогостоящим и не технологичным.
На практике целесообразно применять оптические схемы (рис. 2б), в которой разнесены функции фокусировки света на выходе оптоволокна 1, обладающего определенной угловой апертурой, и пространственного разделения световых потоков при различных линейных смещениях ДL отклоняющего элемента 5. Для этого в оптическую схему может быть добавлено ещё одно зеркало 8. Можно также изготовить длиннофокусную линзу на торце волокна, используя халькогенидные слои в качестве фоторезиста. Халькогенидные слои в этом качестве обладают такими преимуществами по сравнению с полимерами, как высокие технологичность и долговечность. Технологичность халькогенидного материала в полной мере проявляется в случае формирования полутоновой линзы методом имплантации серебра (Ag). в халькогенидный слой с помощью его облучения со стороны противоположного конца волокна. Для реализации этого метода на выходной торец волокна напыляется тонкий халькогенидный слой, а сверху - пленка Ag. После индуцированной светом диффузии серебра в ХСП, не диффундированный остаток Ag удаляют в растворе НЫС3. Такая полутоновая или градиентная тонкая линза должна быть длиннофокусной или коллимирующей, а отражающий элемент 5, сформированный по закону внеосевого параболоида для компенсации астигматизма, может иметь небольшой радиус кривизны, который будет определять чувствительность системы к угловому смещению оптического пучка.
Предлагаемое нами решение состоит в замене параболы из объемного стекла плоской дифракционной линзой. Для этого необходимо нанести на рабочую поверхность актуатора отражательную голографическую линзу из халькогенидного материала, например, состава As2S3 или As2Sе3 и придать ей отражающие свойства напылением слоя алюминия (А1). Линза должна отражать определенную длину волны по закону внеосевой параболы. Масса нанесенных слоев пренебрежимо мала и не должна существенно влиять на скорость передвижения актуатора, что решает вопрос изменения резонансной частоты.
В настоящее время технология изготовления плоских дифракционных линз в халькогенидных слоях имеет достаточно широкие возможности. Халькогенидные слои позволяют получать дифракционные элементы с
максимумом интенсивности не только в первом, но и в более высоких порядках дифракции [2]. Способы получения дифракционной оптики могут быть как голографические, так и с помощью автоматизированных лазерных систем -лазерных фотопостроителей.
Исходя из условия необходимости получения короткофокусной линзы (f = 10 мм), нами был выбран голографический способ записи. Угол между точечными источниками лазерного излучения (X = 0,53 мкм) составлял 600. После экспонирования интерференционной картиной халькогенидного слоя проводилось селективное травление поверхностного рельефа. Время селективного травления выбиралось для получения максимума эффективности в первом порядке дифракции (рис. 3).
Рис. 3. Плоская внеосевая параболическая линза диаметром 5 мм в слое As2S3
толщиной 5 мкм
На рельефную поверхность наносился отражающий слои А1. В настоящее время проводятся измерения оптических параметров полученных
дифракционных линз.
Выводы:
1. Представлены схемы оптических микросканеров, которые могут быть использованы в качестве переключателей оптоволоконных каналов.
2. Показана возможность применения халькогенидных слоев для получения плоских дифракционных внеосевых параболоидов.
3. Предложен способ изготовления плоских градиентных микролинз на торцах оптоволокна на основе фотодиффузии Ag в халькогенидные слои.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Nalivaiko V.I. Materials for Optical Information Recording on the Base of Subnanostructured Chalcogenide Films // Proc. of the XVI International Synchrotron Radiation Conference, Novosibirsk, July 10 - 14.- 2006. - p. 26.
2. Наливайко В.И., Покровский А.Н. Получение глубокого фазового профиля в аморфных слоях халькогенидных стеклообразных полупроводников // Сб. материалов VII Международного научного конгресса «Гео-Сибирь-2011». Том 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Часть 2. СГГА. Новосибирск. - 2011. - С. 83-91.
© В.И. Наливайко, А.Н. Покровский, М.А. Пономарева, О.Я. Абель, А.Н. Соснов, 2012
