Научная статья на тему 'Использование халькогенидных материалов для решения задач современных оптических технологий'

Использование халькогенидных материалов для решения задач современных оптических технологий Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
477
110
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МИКРОСКАНЕР / ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ПАРАБОЛА / MICROSCANNER / CHALCOGENIDE MATERIALS / PARABOLA

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Наливайко Валерий Игоревич, Покровский Антон Николаевич, Пономарева Марина Александровна, Абель Олег Яковлевич, Соснов Александр Николаевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Наливайко Валерий Игоревич, Покровский Антон Николаевич, Пономарева Марина Александровна, Абель Олег Яковлевич, Соснов Александр Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

USE OF CHALKOGENIDE MATERIALS FOR DECISION OF MODERN OPTICAL TECHNOLOGY PROBLEMS

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.

Текст научной работы на тему «Использование халькогенидных материалов для решения задач современных оптических технологий»

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: nalivaiko@iae.nsk.su

Антон Николаевич Покровский

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)333-30-92, e-mail: anton.pokrovsky@gmail.com

Марина Александровна Пономарева

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)333-30-92, e-mail: maponoma@gmail.com

Олег Яковлевич Абель

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер, тел. 8-913-742-88-46, e-mail: olegabel@gmail.com

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: alegreat@yandex.ru

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: nalivaiko@iae.nsk.su

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: olegabel@gmail.com

Aleksandr N. Sosnov

The Siberian state geodetic academy, 10 Plahotnogo, Novosibirsk, 630108, managing chair of optical technologies, tel. (908)873-74-40, e-mail: alegreat@yandex.ru

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.