CC BY
20
УДК 539.2
КОМПАКТНЫЙ ПЛАНАРНЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ МОДУЛЯТОР НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ
Сергей Львович Микерин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-66-55, e-mail: mikerinsl@iae.sbras.ru
Александр Иванович Плеханов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-31-74, e-mail: fractal@iae.nsk.su
Андрей Эдуардович Симанчук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-31-74, e-mail: simmk@yandex.ru
Александр Вадимович Якиманский
Институт высокомолекулярных соединений РАН, 199004, Россия, г. Санкт-Петербург, В. О. Большой пр., 31, доктор химических наук, зав. лабораторией, тел. (812)323-50-25, e-mail: yak@hq.macro.ru
Владимир Владимирович Шелковников
Новосибирский институт органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 9, доктор химических наук, зав. лабораторией, тел. (383)330-89-96, e-mail: vice@nioch.nsc.ru
Наталья Александровна Валишева
Институт физики полупроводников СО РАН, 630090, Российская Федерация, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 13, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-8807, e-mail:valisheva@isp.nsc.ru
Представлены электрооптические модуляционные свойства разработанных волновод-ных планарных модуляторов на основе оригинальных хромофорсодержащих термостойких полимерных систем, а также с использованием оригинального синтезированного хромофора.
Ключевые слова: электрооптические полимеры, радиофотоника, электрооптический модулятор, генерация второй гармоники, метод Teng-Man.
COMPACT PLANAR WAVEGUIDE MODULATOR BASED ON ELECTRO-OPTIC POLYMERS
Sergey L. Mikerin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)330-66-55, e-mail: mikerinsl@iae.sbras.ru
Alexander I. Plekhanov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Laboratory, phone: (383)333-31-74, e-mail: fractal@iae.nsk.su
Andrey E. Simanchuk
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Акаёеш1к Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)333-31-74, e-mail: simmk@yandex.ru
Alexander V. Yakimansky
Institute of Macromolecular Compounds RAS, 31, Bolshoy Prospect St., Saint-Petersburg, 199004, Russia, D. Sc., Head of Laboratory, phone: (812)323-50-25, e-mail: yak@hq.macro.ru
Vladimir V. Shelkovnikov
Institute of Organic Chemistry SB RAS, 9, Prospect Lavrentjeva St., Novosibirsk, Russia, 630090, D. Sc., Head of Laboratory, phone: (383)330-89-96, e-mail: vice@nioch.nsc.ru
Natalia A. Valisheva
Institute of Semiconductor Physics SB RAS, 13, Prospect Lavrentjeva St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-88-07, e-mail: valisheva@isp.nsc.ru
Electro-optic modulation properties of elaborated waveguide modulators based on original chromophore-doped thermal stable polymer systems, as well as using an original synthesized chromophore are presented.
Key words: electro-optical polymers, microwave photonics, electro-optical modulator, second harmonic generation, Teng-Man technique.
Введение
Достижения в области волоконно-оптических и микроволновых технологий располагают к взаимной интеграции для создания сверхширокополосных каналов передачи данных в оптическом диапазоне. Ключевыми элементами, которые позволяют реализовать объединение этих двух направлений, являются высокочувствительные компактные широкополосные электрооптические модуляторы. Для создания таких быстрых оптических модуляторов целесообразно вести поиск и исследования сред с высоким нелинейным откликом второго порядка. Наиболее перспективными с этой точки зрения являются хромофорсо-держащие полимеры, упорядоченные на стадии изготовления. Такие тонкопленочные материалы демонстрируют квадратичные оптические нелинейности на один-два порядка превышающие нелинейность неорганических кристаллических структур, что позволяет снизить рабочее напряжение модуляторов на порядок [1, 2]. Кроме того, частотная дисперсия показателя преломления полимерных структур намного меньше, чем у кристаллических аналогов, и позволяет оптическим и СВЧ-волнам распространяться синфазно, что особенно важно для расширения рабочей полосы.
Нелинейно-оптический компонент в таких материалах представляет собой хромофор - органический комплекс с большой резонансной гиперполяризуемостью [1]. Полимерная матрица играет роль фиксирующего остова и определяет предельную концентрацию хромофора, адгезию к сопрягаемым поверхностям, предельную напряженность электрического поля при упорядочении и, что очень важно, термическую стабильность результирующей композиции. Ис-
пользование термо- и теплостойких полиимидов открывает новые возможности для электрооптических материалов с высокой температурной и временной устойчивостью нелинейного отклика.
В представленной работе рассматриваются результаты разработки и реализации технологии изготовления планарных электрооптических (ЭО) модуляторов на основе синтезированных оригинальных теплостойких полиимидов с ко-валентно присоединенным коммерческим красителем DR-13. Также представлены результаты применения оригинальных синтезированных оптически активных хромофоров.
Синтез полиимидов и хромофоров. Приготовление тонкопленочных электрооптических слоев. Синтез ряда оригинальных полиимидов c высокой температурой стеклования с ковалентным присоединением коммерческих красителей дисперсного типа DR (DisperseRed) и исследования их нелинейно-оптического отклика, а также вопросов его температурной стабильности, детально описаны в [3-6]. Один из этого ряда, полиимид (рис. 1, а) на основе 3,3'-дигидрокси-4,4'-диаминодифенилметана и 4,4'-(фенилен-1,3-диокси) ди-фталевого ангидрида с ковалентным присоединением хромофора DR13, использовался в настоящей работе.
Оригинальный синтезированный пиразолиновый хромофор5-PIP-NET (2-(5-Оксо-3-циано-1-этил-4-(4-(3-фенил-5-(2,3,5,6-тетрафтор-4-(пиперидин-1-ил^енил^^-дигидро-Ш-пиразол^ил^стирил^Ш-пиррол^^Щ-илиден)-малононитрил, (рис. 1, б) [7] для применения в модуляторе смешивался в соотношении 5/95 масс. % с аморфным поликарбонатом (Aldrich Chemistry).
а)
б)
Рис. 1. Структурные формулы: а) полиимид с DR-13; б) хромофор 5-PIP-NET
Тонкие пленки на подложках различного типа получались методом центрифугирования (около 600 об/мин) из растворов полимерных композиций. Для получения ЭО отклика пленочные структуры подвергались полингу: нагревались до температуры, близкой к температуре стеклования полимеров (150-180 °С), с помощью контактов к структуре прикладывалось электрическое поле напряженностью не менее 75-100 В на каждый мкм полной толщины структуры, которое удерживалось в течение 20 минут и затем до полного остывания.
Создание волноводных модуляторов. На кремниевую подложку толщиной 250 мкм наносился общий электрод (Ли/Сг). Далее последовательно наносились слои УФ-отверждаемого полимера (стандартный фоторезист Би-8): базовый (толщиной 2 мкм) и структурированный (1 мкм), который обрабатывался оптической литографией через маску. В целом эти слои составляли нижнюю обкладку оптической волноводной структуры, в которой были сформированы разные варианты волноводных каналов, как фазовых модуляторов, так и амплитудных (типа интерферометра Маха-Цандера). Активный полимер заполнял сформированные каналы, образуя световедущую сердцевину толщиной 1,5-2 мкм. Заключительный слой коммерческого УФ-отверждаемого полимера КОЛ 61 (5 мкм) использовался как верхняя обкладка волноводной структуры. Качество созданных структур оценивалось с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. После отбраковки каналов на подложке на поверхности верхней обкладки формировались управляющие электроды (Ли/Т1) над активными участками волноводов. Управляющие и общий электроды использовались для полинга полученных волноводных структур.
Результаты. Модулирующие свойства волноводных структур изучались при нулевых частотах управляющего напряжения (~ 1 кГц). Излучение одно-частотного лазера (длина волны 1,3 мкм) заводилось через торец волновод-ной структуры на сколотой подложке с помощью волокна с сохранением поляризации и концевой линзы, дающей перетяжку диаметром 2,5 мкм. В амплитудном модуляторе в волноводе возбуждалась ТМ или ТЕ мода; в фазовом модуляторе возбуждались оба типа мод. Выходное излучение регистрировалось фотодатчиком через микрообъектив и поляризатор (при фазовой модуляции).
Общие потери излучения на ввод-вывод и распространение в созданных модуляторах не превысили 19 дБ. Амплитудный модулятор на основе поли-имида с БЯ13 продемонстрировал (рис. 2, а) параметр Ь-Уп = 36 см-В (произведение длины активной части волновода на полуволновое напряжение, которое соответствует изменению управляющего напряжения при переходе модулятора между состояниями открыто/закрыто). Фазовый модулятор на основе хромофора 5-Р1Р-КЕТ показал сравнительно низкий параметр Ь-Уя = 87 см-В (рис. 2, б).
а) б)
Рис. 2. Осциллограммы интенсивности модулированного несущего излучения на фоне управляющего сигнала треугольной формы: а) амплитудный модулятор на основе полиимида с БЯ-13; б) фазовый модулятор на основе поликарбоната с 5-Р1Р-КЕТ.
Заключение. Синтезированы оригинальные хромофорсодержащие поли-имиды и хромофор, разработаны технологические подходы, подобраны материалы для создания фазовых и амплитудных планарных модуляторов на их основе. Созданы компактные волноводные модуляторы, демонстрирующие параметр L-V лучше 40 см-В и низкие оптические потери.
Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Спектроскопия и оптика» (http://ckp-rf.ru/ckp/3046/) при частичной поддержке РНФ (грант 16-13-10156).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Dalton L. R., Steier W. H., Robinson B. H., Zhang C., Ren A., Garner S., Chen A., Londergan T., Irwin L., Carlson B., Fifield L., Phelan G., Kincaid C., Amend J., Jen A. From molecules to opto-chips: organic electro-optic materials // J. Mater. Chem. -1999. - V. 9. -P.1905-1920.
2. Dalton L. R., Sullivan P. A., and Bale D. H. Electric Field Poled Organic Electro-optic Materials: State of the Art and Future Prospects // Chem. Rev. - 2010. - V. 110. - P. 25-55.
3. Nosova G. I., Abramov I. G., Solovskaya N. A., Smirnov N. N., et. al. Synthesis and photophysical properties of soluble polyimides and polyquinazolones containing side-chain chalcones or azo chromophores // Polym. Sci. Ser. B3 - 2011. - V. 53, No. 1-2. - P. 73.
4. Yakimansky A. V., Nosova G. I., Solovskaya N. A., Smirnov N. N., Plekhanov A. I., Simanchuk A. E., Gorkovenko A. I. Dispersion of quadratic nonlinearity of polarized films of chromophore-containing polyimides in the range of resonance absorption // Chem. Phys. Lett. -2011. - V. 510, No. 4-6. - P. 237-241.
5. Gorkovenko A. I., Plekhanov A. I., Simanchuk A. E., Yakimanskii A. V., Smirnov N. N., Solovskaya N. A., Nosova G. I. Nonlinear optical properties of chromophore-containing polyimides with covalently attached dyes // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2014.-V. 50, No. 1. - P. 96-101. - DOI: 10.3103/S8756699014010129.
6. Gorkovenko A. I., Plekhanov A. I., Simanchuk A. E., Yakimanskiy A. V., Nosova G. I., Solovskaya N. A., and Smirnov N. N. Temperature dependence and the dispersion of nonlinear optical properties of chromophore-containing polyimide thin films // J. Appl. Phys. - 2014. -V. 116.— P.223104. — DOI: 10.1063/1.4904194.
7. Полифтортриарил-пиразолины как доноры в синтезе потенциальных электрооптиче-ски активных хромофоров / К. Д. Ерин, И. Ю. Каргаполова, Н. А. Орлова, В. В. Шелковников // Сборник тезисов докладов (Ш:У-9): Объединённая международная конференция по органической химии «Байкальские чтения-2017» (Иркутск, 27 августа—2 сентября 2017 г.). — C. 129.
© С. Л. Микерин, А. И. Плеханов, А. Э. Симанчук, А. В. Якиманский,
В. В. Шелковников, Н. А. Валишева, 2018
