CC BY
21
УДК 532.783
С.Г. Голубцов, С.Г. Орлов, С.И. Коняев ИЛФ СО РАН, Новосибирск
О МЕТОДАХ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР В ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛНОВОДАХ ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
S.G. Golubtsov, S.G. Orlov, S.I. Konyaev
Institute of Laser Physics Siberian Branch Russian Academy of Science (ILP SB RAS)
ABOUT OF THE METHODS FABRICATION PERIODIC STRUCTURES IN POLYMERIC WAVEGUIDES FOR TERAHERTZ RANGE
The questions of forming of periodic structures are conceded in polymeric terahertz waveguides.
Новый метод генерации терагерцового (ТГц) излучения в нанокомпозитах с жидкими кристаллами [1] представляет новые требования к полимерным волноводам для передачи ТГц излучения. Большие площади и угол расходимости излучения затрудняет ввод излучения в полимерные волноводы. Поэтому представляет значительный интерес сравнительный анализ эффективности ввода ТГц излучения, как в однородные полимерные волноводы, так и в волноводы с периодическими структурами на торце и вдоль его боковой поверхности как показано на рис. 1.
Известны методы стыковки стеклянных волноводов с лазерами, за счет создания микролинз на его торце.
В ТГц диапазоне размеры торцов полимерных волноводов намного больше длины волны (30-300 мкм) и превышает по площади десятки квадратных миллиметров.
Поскольку излучение в нанокомпозите представляет собой смесь рассеянного и прямого сигналов, эффективность его ввода в волновод будет зависеть от формы торца волновода.
При плоской форме торца волновода часть излучения часть излучения будет отражаться от него, а часть выходить в дальнейшем из волновода за счет вытекающих мод.
При периодических структурах на торце волновода открывается возможность уменьшить отражение от него и увеличить процент направляемых мод, как показано на рис. 2.
Для обеспечения согласования с апертурой ТГц волноводов в 0,25 [2], размеры микролинз 1, 2, 3 мм диаметром имеют фокусное расстояние f -3.813, 7.626, 11.538 мм соответственно.
Формирование периодической структуры на поверхности оптического волновода возможно различными методами, например с помощью оптической литографии, в частности рентгеновской или УФ.
Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0,4-5 нм.
а) волновод с периодической структурой на торце
б) ТГц волновод с перетяжками Рис. 1. Схема ввода ТГц излучения в полимерные волноводы
Рис. 2. Волновод с периодической структурой на торце, £ - фокусное
расстояние микроэлемента
Одним из преимуществ рентгеновской литографии является отсутствие влияния загрязнений на формирование дефектов рисунка, поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером. Кроме того,
вследствие низкого поглощения рентгеновского излучения рентгеновский толщину резист большой толщины может быть однородно экспонирован на всю, в результате чего в его объеме у окон формируются вертикальные стенки, точно повторяющие рисунок шаблона.
Уф литография аналогична рентгеновской литографии. Существует несколько методов УФ-литографии среди них такие как:
Контактная печать, где пластина кремния, покрытая резистом, находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным фотошаблоном.
- Метод бесконтактного экспонирования схож с методом контактной печати, за исключением того, что во время экспонирования между пластиной и шаблоном поддерживается небольшой зазор шириной 10-25 мкм. Этот зазор уменьшает (но не устраняет) возможность повреждения поверхности шаблона.
- Проекционная печать позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона.
Из полимерных соединений используемых в рентгеновской и УФ-литографии и волоконной оптике наиболее применяемыми являются ПММА и полистирол [3].
Из всех этих методов самым эффективным и точным является рентгеновская литография, так как с её помощью можно создать точную структуру глубиной от 100 мкм. Методы УФ-литографии из-за дифракционного рассеяния и малой глубины засветки имеет меньшее применение. Для придания сферической формы периодическим можно их нагреть до температуры плавления материала.
Также формирование периодических структур возможно с помощью перетяжек на волоконном волноводе.
Формирование перетяжек из ПММА и полистирола производилось нами методом разогрева и растяжения вплоть до 10мкм.
Ярко выраженную периодическую структуру можно получить при вытягивании волокна из раствора ПММА. Полученная «нить» имеет чередование «бусинок» и гладких участков или только «бусинок» в зависимости от скорости вытягивания и вязкости раствора.
Одним из применений получаемых такими методами периодических структур является использование в качестве приемника ТГц излучения. Оценить эффективность сбора можно произведя расчет по формуле Френеля [4] аппроксимировав элемент периодической структуры в виде набора наклонных поверхностей рассчитав по формуле:
р8Ьаг(х,г) := -2
вт
/
(х+2) -
авт
V_V
П1
--зт(х+ ъ)
п2
\\
/Л
1ап
(х+ г) -
авт
V_V
Ч
\ V
•зт(х+ г:)
2
вт
/
(х+ т) +
авт
V
П1
—зт(х+ ъ) п2
\\
/у.
1т
(
(х+ г:) +
авт
V
П1
—зт(х+ ъ) п2
У Л
2
2
2
2
где х падающии луч, z - угол поворота поверхности.
0.8
)0.6
0.4
0.2
/
Г I
80° 70° 60° 50° 40° 30° 20° 10° 0°
' /
/ /
; I
<
| I
/
\
20
40
60
80
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения от угла поворота поверхности
0
0
х
Рис. 4. Коэффициенты отражения от гофрированной и плоской поверхности
Р
Надо учесть, что даже при нормальном падении луча отражается 4-6 % энергии [5]:
^ п' + п ) где п'ип - показатели преломления сред.
Просчитав по формулам получаем, что гофрированная поверхность имеет больший коэффициент отражения, а равно и меньший световой сбор (без учета поглощения отраженных лучей), но меньшую зависимость от угла падения лучей на поверхность. Графическое построение показывает, что поглощение отраженных лучей будет иметь место при углах падения от 40 до 90 градусов уменьшая общие потери.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Перспективы использования систем с жидкими кристаллами и полимерными волноводами в терагерцовом диапазоне для информационных систем / Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, С.И. Трашкевич, А.В. Бритвин и др. // Сб. матер. IV Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2008». - Новосиб., 2008. - Т.4, ч.2. - C. 34-36.
2. О характеристиках полимерных волноводов и преобразователей для терагерцовых информационных систем / Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, С.И. Трашкеев и др.// Доклад на 15 междун.конф. «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж, 2009.
3. Мир электроники. ВЧ МЭМС и их применение./ В. Вардан, К. Виной, К. Джозе; перевод с английского под ред. Ю.А. Заболотной. - М.: Техносфера, 2004. - 525 с.
4. Оптико-электронные приборы / А. В. Павлов. - М.:Энергия,1974. - 359 с.
5. Мир физики и техники. Техническая оптика/ Г.Шрёдер, Х. Трайбер; перевод с немецкого Р. Е. Ильинского. - М.: Техносфера, 2006. - 424 с.
© С.Г. Голубцов, С.Г. Орлов, С.И. Коняев, 2009
