CC BY
1УДК 62 Стороженко А.Д., Никитин В.А.
Стороженко А.Д.
магистрант, напр. «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Кубанский государственный университет (г. Краснодар, Россия)
Никитин В.А.
к.т.н., доц.
Кубанский государственный университет (г. Краснодар, Россия)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГЛУБЛЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
Аннотация: в статье рассматривается метод изготовления заглубленных оптических канальных волноводов методом электростимулированной миграции ионов. Большое место в работе занимает описание установки для заглубления канальных волноводов по предлагаемому методу. В статье освещается ионный обмен как метод создания волноводной структуры. Устанавливаются критерии проведения ионного обмена.
Ключевые слова: диффузия, ионный обмен, вакуумное напыление, фотолитография, канальный волновод.
Способ изготовления относится к интегральной оптике, а именно к способам изготовления заглубленных оптических волноводов методом электростимулированной диффузии ионов.
Известен способ изготовления заглубленных оптических волноводов [1]. Предварительно на подложку напыляют алюминиевый катод. Алюминиевый тигель, с помещённой в него солью Л§КО3, размещают внутри печи. К тиглю подключают термопару для измерения температуры. Поверх тигля размещают подложку. Катод подключается на подложку с той стороны, где нанесён
алюминиевый слой. Анод подключается к самому тиглю. Подложка удерживается с помощью вакуума. После достижения рабочей температуры тигель переворачивают. Расплав начинает контактировать с поверхностью подложки.
Недостатком является отсутствие способов контролирования попадания расплава в вакуумный насос. Нет уплотнения между подложкой и тиглем, что может вызвать утечку расплава и привести к короткому замыканию. Трудность реализации для массового производства волноводов. Использование вакуумного оборудования.
Известен способ изготовления заглубленных оптических волноводов [2]. Подложки размером 50x25x1 мм были вырезаны из Corning 7740. Стеклянную подложку зажимали между двумя частями керамического тигля. Одна часть оставалась неподвижной, вторая прижималась к подложке с помощью пружины. Для уплотнения использовался тефлон. Две части тигля электрически изолированы друг от друга, за исключением стеклянной пластины. Платиновые электроды были помещены в расплав KNO3 в каждой из половин тигля, и к стеклянным образцам был приложен электрический потенциал таким образом, что постоянный ток составлял от 0,001 до 0.01 А/см2.
Наиболее близким аналогом является технология формирования заглубленного волновода [3]. Подложка зажимается между двумя частями ёмкости для расплава, в свою очередь между подложкой и частями емкости помещаются тефлоновые прокладки, которые химически устойчивы и являются диэлектриками. Вся эта конструкция зажимается между двумя стальными пластинами, которые стягиваются крепёжными винтами. Следующим шагом, этот держатель помещается в печь, свободное пространство которой заполняется песком для плавного изменения температуры. В ёмкость из нержавеющей стали помещается соль KNO3. Рабочая температура составляла 385 °С. Величина прикладываемого внешнего напряжения варьировалась от 5,3 до 52,1 В/мм. Время проведения диффузии составляло от 2 до 20 мин. Части электрически
изолированы друг от друга, а средой, разделяющей расплав выступает подложка, в которой впоследствии и происходит заглубления волноводных сред.
Явным недостатком данной конструкции является сложность её изготовления, извлечения готового изделия из держателя. В конструкции используется тефлон, выделяющий при температуре 400 °С ядовитый газ фтор. Также выбор соли ККОз приводит к огромным механическим напряжениям в стекле. Обмен ионов №+ на ионы К+, приводит к растрескиванию стекла вокруг волноводов, что наблюдается особенно часто в процессе механической обработки торцов подложки.
Технической задачей изобретения является разработка метода крупномасштабного серийного производства заглубленных оптических канальных волноводов.
Существенным отличием от прототипа является то, что подложка зажимается между двумя пластинами из нержавеющей стали с помощью болтов. Для уплотнения используется паронит. После держатель помещается в тигель из нержавеющей стали.
Такая конструкция позволяет поместить в тигель несколько держателей, что увеличивает количество производимых интегрально-оптических волноводных структур. Также предлагаемая конструкция позволяет удобнее извлекать подложку, чем в прототипе.
Из уровня техники неизвестны такие методы изготовления заглубленных оптических канальных волноводов. Следовательно, заявляемое устройство удовлетворяет критерию «новизна».
На рисунке 1 изображена схема установки для проведения электростимулированной миграции ионов.
Установка включает муфельную печь с системой терморегулирования, блок питания с защитой от короткого замыкания и систему контроля электрического тока в процессе диффузии.
Муфельная печь состоит из двух независимых нагревателей, один из которых представляет собой вольфрамовую спираль, намотанную на кварцевую
трубу (1), второй нагреватель (2) имеет плоскую поверхность и осуществляет подвод тепла снизу. Поддержание температуры в заданных пределах достигается с помощью хромель-алюмелевой термопары (3), находящейся в непосредственной близости с расплавом, и терморегулирующего устройства (4). Терморегулирующее устройство было выполнено на базе регулирующего милливольтметра МР-64-02. Источником внешнего стимулирующего напряжения служит универсальный источник питания Б5-50 (5).
В пароните (9) вырезано отверстие 30х30х3 мм. В него зажималась подложка (6) из стекла К8. Также в пароните было вырезано отверстие для катода (8) из меди. Для лучшего контакта катода с подложкой, на её противоположную сторону наносится слой из алюминия. Совмещённые слои из паронита зажимались между пластинами 10х10х0,8 см из нержавеющей стали (7) с помощью болтов. Для дополнительной изоляции от расплава использовался силиконовый герметик. Анод из платины (10) и держатель подложки (рисунок 2) помещается в тигель из нержавеющей стали (11). Для изоляции катода и анода использовалась термостойкая диэлектрическая трубка (12).
Рисунок 1. Схема установки для проведения электростимулированной
миграции ионов.
Рисунок 2. Составные части держателя подложки.
Преимуществом заявляемого метода изготовления канальных волноводов от прототипа является то, что в качестве уплотнителя используется паронит, что увеличивает диапазон температур проведения ионного обмена. Предлагаемая конструкция позволяет помещать несколько держателей в тигель, что увеличивает количество производимых волноводных структур. Предлагаемая конструкция позволяет точнее контролировать время диффузии, т.к. можно извлечь подложку из расплава сразу после проведения процесса заглубления.
Печь выходит на рабочую температуру 330 °С. После достижения рабочей температуры в тигель заливают расплав соли КаЫ03. Величина стимулирующего напряжения составляла 290 В. Электростимулированная миграция проводилась в течение 60 мин. при этом электрический ток изменялся в пределах от 3,3 до 7,2 мА. После окончания процесса заглубления подложка оставалась в печи ещё на 10 мин., чтобы избежать растрескивания. После последующего остывания на воздухе подложка извлекалась из держателя. Стравливался слой алюминия в 0,25 % растворе КОН. Проводилась обрезка, шлифовка и полировка торцов подложки.
Для исследования изготовленных интегрально-оптических разветвителей необходимо ввести в них оптическое излучение. Наиболее эффективно можно
ввести свет в канальный волновод, сфокусировав его на торце волновода. Для этого торцы волноводов должны быть полированными без скосов и сколов.
Полировка торцов волноводов разветвителя проводилась с использованием специального приспособления, позволявшего добиться высокой степени перпендикулярности торцов к оптической оси волноводов. После того как стеклянная подложка была зажата в этом устройстве, ее торцы шлифовались, а затем полировались [4]. Внешний вид торца интегрально-оптического заглубленного разветвителя представлен на рисунке 3.
Из рисунка 3 видно, что торец волновода имеет фактически круглую форму поперечного сечения, кроме того, сам волновод оторван от поверхности стекла на 5 мкм.
5 МКМ
J IVI <—
9 мкм
Рисунок 3. Размеры выходного излучения канального волновода после электростимулированной миграции ионов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Blahut, M. Investigation of usability of the selected types of glass in planar waveguide technology / M. Blahut, A. Opilski, R. Rogozinski // Optica Applicata/ -1992 № 22. - Q 3-4;
2. Mahmoud Abou-El-Leil. Model for Ion-Exchanged Waveguides in Glass / Mahmoud Abou-El-Leil, F. Leonberger // Journal of the American Ceramic Society. -1988. - № 71. - Q 497-502;
3. Yip, G. L. Characteristics of optical waveguides made by electric-field-assisted K+-ion exchange / G. L. Yip, P. C. Noutsios, K. Kishioka // OPTICS LETTERS. -1990 № 14. - С. 789-791;
4. Дроздова, К.А. Исследование интегрального смесителя на основе многомодовой интерференции излучения / К.А. Дроздова, В.А. Никитин, А.Д. Стороженко // Актуальные вопросы современной науки. Международная научно-практическая конференция. Выпуск 3. - Уфа: НИЦ Вестник науки, 2023. - С. 148-158
Storozhenko A.D., Nikitin V.A.
Storozhenko A.D.
Kuban State University (Krasnodar, Russia)
Nikitin V.A.
Kuban State University (Krasnodar, Russia)
METHOD FOR MANUFACTURING BURNED OPTICAL WAVEGUIDES
Abstract: the article discusses a method for manufacturing buried optical channel waveguides using the method of electrically stimulated ion migration. A large place in the work is occupied by the description of the installation for deepening channel waveguides using the proposed method. The article highlights ion exchange as a methodfor creating a waveguide structure. Criteria for conducting ion exchange are established.
Keywords: diffusion, ion exchange, vacuum deposition, photolithography, channel waveguide.
