Методы изготовления планарных интегрально-оптических волноводов в подложках

1. Кристаллохимическое описание стекол

2. Получение планарных волноводов методами диффузии

2.1 Твердотельная диффузия

2.2 Ионный обмен

2.3 Параметры диффузантов используемых при изготовлении волноводов

3. Имплантация ионов

3.1 Уменьшение концентрации носителей

3.2 Электрооптический эффект Заключение Список использованных источников

Технология нанесения тонких пленок довольно широко применяется при изготовлении волноводов из стекла, окислов металлов, полимеров и т. д., однако ее принципиально нельзя использовать для изготовления оптических волноводов из кристаллических материалов, например, полупроводников или сегнетоэлектриков, подобных LiNbO₃ и LiTaO₃. Обычно это связано с тем, что в результате распыления материала и последующего его осаждения на подложку, как правило, меняется стехиометрия (состав) испаряемого материала и его структура. Осажденные пленки имеют поликристаллическую структуру. Чтобы избежать подобных трудностей, было разработано несколько подходов для получения волноводов на основе кристаллических материалов без серьезного повреждения кристаллической решетки. Ряд методов использует внедрение атомов примесей, которые замещают некоторые атомы в решетке вещества, что приводит к увеличению показателя преломления этого вещества, т. е. к созданию волноводного слоя.

К методам, позволяющим сформировать волноводные пленки непосредственно в подложке, относятся диффузионные методы, имплантация ионов, уменьшение концентрации носителей и электрооптический эффект. Диффузионные методы широко используются при создании планарных и канальных волноводов в стеклах [1−4].

Целью работы является создание обзора по методам изготовления планарных интегрально-оптических волноводов в подложках.

1. Кристаллохимическое описание стекол

Физические свойства стекол зависят от их строения и состава. Для изготовления пассивных элементов ИОС в качестве подложек, как правило, используются стекла. Это обусловлено, в частности, относительной простотой изготовления оптических элементов и их простотой.

В основе кристаллохимического описания стекол лежат понятия ближнего и дальнего порядков в структуре веществ.

Ближний порядок в общем случае означает правильное расположение отдельных атомов относительно некоторого фиксированного атома.

Для оксидных стекол ближний порядок характеризует расположение атомов кислорода относительно катионов. Например, атомы кремния всегда окружены четырьмя атомами кислорода. Координационные группировки (SiO₄)^4- сохраняются в расплавленном, кристаллическом или стеклообразном состоянии диоксида кремния. Это означает, что в структуре стекла сохраняется ближний порядок в расположении анионов относительно катионов кремния, характерный для координационной структуры кристаллов.

Дальним порядком называется строго периодическое и последовательное расположение атомов или группировок из атомов в пространстве, которое обусловливает образование единой трехмерной решетки.

Если для кристаллических структур характерно наличие ближнего и дальнего порядков, то особенность строения стекол состоит в том, что в их структуре имеется ближний порядок, но отсутствует дальний порядок в расположении координационных групп атомов.

В основе структуры силикатного стекла, т. е. стекла, содержащего в качестве основного компонента кремнезем, лежат ионы (SiO₄)^4-, образующие тетраэдры, в центре которых располагается малый ион Si⁴⁺ радиусом 0,039 нм, а в вершинах находятся более крупные ионы O^2-, имеющие радиус 0,132 нм. Расстояние от центра тетраэдра до центра ионов O^2- составляет 0,162 нм, а между соседними ионами O^2- — 0,265 нм. На рисунке 1 представлен внешний вид такого тетраэдра.

Соединяясь друг с другом вершинами, эти тетраэдры образуют непрерывную в одном, двух или трех измерениях пространственную структуру. Взаимным расположением тетраэдров в структуре, их упорядоченностью определяются основные свойства материала.

Рисунок 1- Внешний вид тетраэдра (SiO₄)^4 —

Правильно упорядоченные тетраэдры образуют правильную кристаллическую решетку, характерную для кристаллического кварца (рисунок 2а), что предопределяет анизотропность его свойств. В то же время в кварцевом стекле (плавленом кварце) наблюдается неупорядоченное расположение тетраэдров (рисунок 2б) и изотропность свойств наряду с отсутствием ярко выраженной температуры плавления, присущей кристаллическим материалам.

Рисунок 2 — Кристаллическая решетка кристаллического (а) и плавленого (б) кварца

В общем случае в центре кислородных тетраэдров могут находиться и другие стеклообразователи (B, P, Ge), при этом стекла носят названия боратных, фосфатных или германатных.

Как правило, большое число таких тетраэдров (многогранников) имеют общие вершины, занятые так называемыми мостиковыми ионами кислорода. Ионы кислорода, принадлежащие лишь одному полиэдру, называются немостиковыми ионами кислорода. В промежутках структурной сетки могут находиться некоторые положительные ионы (преобразующие сетку), например: Li⁺, Na⁺, K⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. Эти катионы, не способные самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку, называются модификаторами. Катионы модификаторов располагаются в свободных полостях структурной сетки, компенсируя избыточный отрицательный заряд сетки, обусловленный наличием немостиковых ионов кислорода. Кислородное окружение катионов модификаторов формируется в соответствии с их координационными требованиями. Прочность связи модификатор — кислород значительно ниже прочности связи стеклообразователь — кислород, поэтому модификаторы не образуют прочных координационных групп. Так, например, прочность связи кислорода с кремнием равна 443 кДж/моль, а прочность связи кислорода с натрием равна 84 кДж/моль, с калием — 54 кДж/моль. Ионы стеклообразователей, кислорода, щелочных и одновалентных металлов имеют следующие размеры:

Si⁴⁺ = 0,039 нм; Li⁺ = 0,068 нм; Cs⁺ = 0,165 нм;

B³⁺ = 0,020 нм; Na⁺ = 0,098 нм; Ag⁺ = 0,126 нм;

Ge⁴⁺= 0,044 нм; K⁺ = 0,133 нм; Tl⁺ = 0,149 нм;

P⁵⁺ = 0,035 нм; Rb⁺ = 0,149 нм; O^2- = 0,136 нм.

Структурная сетка натрийсиликатного стекла более рыхлая и менее связанная, чем сетка кварцевого стекла, в ней крупнее промежутки и полости, в которых располагаются ионы натрия (рисунок 3).

У плавленого кварца все ионы кислорода — мостиковые. Поэтому он имеет жесткую сетку. Атом кремния в кварце окружен четырьмя атомами кислорода, расположенными симметрично в вершинах тетраэдра. Тетраэдры не образуют в пространстве геометрически правильных соединений, характерных для решеток кристаллических модификаций кварца.

Рисунок 3 — Структурная сетка натрийсиликатного стекла Несмотря на это, плавленый кварц обладает довольно «плотной» структурой по сравнению со стеклами. Структуры кристаллического и плавленого кварца не являются плотноупакованными, так как тетраэдры соединяются вершинами, а не ребрами и не гранями. В кварцевом стекле имеются свободные структурные полости, ограниченные в пространстве мостиковыми ионами кислорода.

Если в структурную сетку SiO₂ ввести некоторое количество окиси металла, например Na₂O, то определенное число мостиковых ионов кислорода будет замещено таким же числом пар немостиковых ионов кислорода. Вследствие этого структурная сетка стекла становится менее прочной, степень сцепления сетки уменьшается, а сетка при этом разрыхляется. Это значит, что промежутки между тетраэдрами, а также «окна» между ними увеличиваются, что способствует довольно легкой диффузии ионов различных, чаще всего щелочных, металлов в стекло.

Наличие в стекле катионов щелочноземельных металлов (Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺), выполняющих, как и щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Tl), роль модификаторов, вызывает разрыв структурной сетки и увеличение в ней промежутков и «окон». При замещении щелочных катионов на щелочноземельные степень связности структурной сетки может несколько возрасти, так как щелочноземельные ионы, обладая более высоким зарядом, могут связывать отдельные кремнекислородные цепочки [5,6].

Как правило, многокомпонентные стекла с высоким содержанием оксидов щелочных металлов, и в особенности Na₂O, наиболее пригодны для формирования волноводов с помощью диффузионных процессов. Высокая подвижность ионов Na⁺ в матрице таких стекол обусловливает высокую скорость диффузии ионов (K⁺, Ag⁺, Li⁺ и т. д.), увеличивающих показатель преломления стекла, и создает предпосылки для формирования волноводов с большой глубиной световедущего слоя.

При изготовлении волноводов на стеклах часто в качестве подложки используется стекло от фотопластин, оно представляет собой натриевосиликатное многокомпонентное стекло, в состав которого входит:

7273% SiO₂; 1,52% Al₂O₃; 0,080,1% Fe₂O₃; 79% CaO; 34% MgO; 0,51% K₂O и 1415% Na₂O.

Большое содержание окиси натрия (Na₂O14%) позволяет получать высокие скорости диффузии и изготавливать глубокие волноводы со значительными изменениями показателя преломления. Однако в процессе варки этого стекла его спектральная характеристика ухудшается в результате попадания окрашивающих примесей.

Среди окрашивающих примесей наиболее распространен оксид железа, в той или иной концентрации содержащийся в составе всех кварцевых песков. Ионы железа содержатся в стекле в двухи трехвалентном состоянии. Влияние Fe₂O₃ и FeO на окраску стекла различно: Fe₂O₃ придает стеклу желтовато-зеленоватый или желтый оттенок, FeO синевато-зеленоватый или синий оттенок. Интенсивность окраски, которую вызывает двухвалентное железо, приблизительно в 15 раз сильнее, чем окраска трехвалентным железом. Даже невысокое содержание окислов железа (0,20,5%), что наблюдается у стекол, приводит к сужению спектра пропускания.

Бесцветные силикатные стекла имеют высокое пропускание в видимой области и широкие полосы фундаментального поглощения в УФи ИК-областях. В ИК-области силикатные стекла пропускают излучение вплоть до 2,5 мкм. Типичный спектр пропускания силикатных стекол представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 — Типичный спектр пропускания силикатных стекол Край поглощения в ИК-области определяется содержанием остаточных групп ОН. Для обезвоженного стекла граница поглощения в ИК-области сдвигается до 44,5 мкм, а у кварцевого стекла достигает 5 мкм.

Спектральные характеристики стекол, содержащих примеси железа, ограничены в УФ- (= 400 нм) и в ИК-области. На длине волны = 1,1 мкм наблюдается сильная полоса поглощения, обусловленная наличием Fe⁺². Эта полоса с увеличением содержания железа углубляется и расширяется до = 700 нм.

Поскольку спектральная характеристика оптического волновода во многом будет определяться спектральной характеристикой стекла, выбранного в качестве подложки, то формирование качественных волноводов с широким спектром пропускания лучше проводить на оптических бесцветных стеклах, отличающихся высокой прозрачностью, оптической однородностью, бессвильностью и радиационной стойкостью. Среди них наиболее подходящими в качестве подложек при изготовлении элементов интегральной оптики с помощью диффузионных процессов являются кроны (К), содержащие до 7,2% Na₂O, крон-флинты (КФ) 6%, легкие флинты (ЛФ) 4,5%, а также легкие кроны (ЛК), содержащие до 16,2% K₂O.

Наиболее часто в качестве подложек ИОС используется отечественное оптическое стекло К8, имеющее показатель преломления n=1,515 на л=0,63 мкм. Стекло К8 по своему составу относится к боросиликатным стеклам, оно содержит 72% SiO₂, 8,15% В₂O₃, 10,45% К₂О, 7,2% Na₂О, 1,55% CaO, 0,4% MgO, 0,2% As₂O₃. По составу стекла видно, что оно содержит значительное количество щелочных ионов, которые могут быть заменены в матрице стекла на ионы серебра, что приводит к увеличению показателя преломления в соответствующих местах подложки. Стекло К8 имеет высокое пропускание в видимой и ближней ИК-областях в диапазоне л=0,32,5 мкм.

Из зарубежных стекол широко применяется стекло Corning Pyrex 7740, имеющее показатель преломления n= 1, 473 на л=0,598 мкм, и BK-7, аналог отечественного К8.

Стеклянная подложка, на которой формируются волноводы, должна быть плоской и гладкой, без дефектов поверхностного и приповерхностного слоя. Эти параметры подложек в основном определяются технологическими приемами, используемыми в процессе их изготовления.

2. Получение планарных волноводов методами диффузии

2.1 Твердотельная диффузия

Твердотельная диффузия (диффузия из тонких металлических или окисных пленок), как способ изготовления интегрально-оптических волноводов, нашла широкое применение в интегральной оптике.

Сущность метода твердотельной диффузии заключается в том, что на предварительно хорошо очищенную подложку наносится тонкий слой металла или его окисла. Затем подложка нагревается до температуры, близкой к температуре плавления или размягчения и выдерживается при этой температуре определенное время. В результате атомы напыленного материала диффундируют в подложку, изменяя ее показатель преломления. Для создания волноводного слоя необходимо использовать диффузанты, приводящие к увеличению показателя преломления подложки. Изменение показателя преломления волноводов пропорционально концентрации диффузанта, которая в свою очередь может быть определена из решения уравнения диффузии. Математическое описание диффузионных процессов было сделано в 1855 г. немецким ученым А. Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопроводности.

Уравнение, характеризующее скорость диффузии атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и градиенте их концентрации, носит название первого закона Фика.

(1)

где — вектор плотности потока атомов вещества; D — коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии; - вектор градиента концентрации диффундирующих атомов.

Коэффициент диффузии D определяет плотность потока атомов диффундирующего вещества при заданном градиенте концентрации. Так как диффузионный поток атомов вещества идет в направлении выравнивания перепада концентрации, то коэффициент диффузии D является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выравнять разность концентраций, и имеет размерность (см²/с). Эта скорость зависит только от подвижности диффундирующих атомов в матрице подложки. Коэффициент диффузии существенно зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше энергия диффундирующих атомов и их скорость в кристаллической решетке подложки. Эта зависимость выражается уравнением Аррениуса

(2)

где D₀ — постоянная, имеющая размерность (см²/с) и зависящая от структуры стекла, размеров и валентности диффундирующих ионов и других параметров, определяющих процесс диффузии, т. е. кажущийся коэффициент диффузии при Т, который не зависит от температуры и определяется экспериментально в каждом конкретном случае; Е — энергия активации, т. е. энергия, необходимая атому для диффузии; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Градиент концентрации С при объемной диффузии имеет три составляющих по координатным осям. Однако если глубина диффузии значительно меньше поперечных размеров площади, через которую она происходит, то мы вправе рассматривать процесс диффузии как одномерный, т. е. направленный нормально к поверхности подложки. При этом первый закон Фика примет вид

. (3)

Из закона сохранения массы следует, что изменение во времени C (x, t) равно отрицательному приращению потока J.

(4)

откуда следует второй закон Фика

. (5)

Второй закон Фика определяет скорость изменения концентрации диффундирующих атомов в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. В случае, если С мало, а D является постоянной величиной, второй закон Фика принимает вид

. (6)

Это уравнение имеет несколько решений в зависимости от граничных условий. На практике чаще всего рассматриваются два случая диффузии: диффузия из ограниченного источника и диффузия из неограниченного источника внедряемых атомов. При проведении диффузии из ограниченного источника, что наблюдается при твердотельной диффузии из тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность подложки, поверхностная концентрация диффузанта меняется с течением времени. При этом начальные условия таковы:

при 0 x d

при x d. (7)

С учетом этих начальных условий решение уравнения второго закона Фика имеет вид

(8)

где Q — общее количество внедренных в подложку атомов в любой момент времени.

Это уравнение представляет собой функцию распределения (закон) Гаусса и показывает распределение концентрации диффузанта в зависимости от глубины и времени (рисунок 5).

Рисунок 5 — Распределение концентрации диффузанта по глубине при проведении диффузии из ограниченного источника Функция распределения n (x) для случая малых толщин напыляемых пленок d₀ описывается решением уравнения

(9)

Толщина диффузионного слоя определяется из уравнения

. (10)

Примерами изготовления волноводов твердотельной диффузией являются получение волноводных слоев диффузией свинца и серебра в стекла, а также титана в ниобат лития [9,12].

В качестве подложек в процессе изготовления волноводов диффузией свинца и серебра в стекла используются хорошо отполированные оптические стекла К8, стекло от фотопластин, БК, ЛФ и т. д.

Тонкие пленки свинца (25−60 нм) наносятся методом термического напыления на поверхность стеклянной пластины. Затем стеклянная пластина помещается в печь, где прогревается до 500 °C. При этой температуре пленка свинца окисляется на воздухе.

Поскольку скорость диффузии окиси свинца в стекле очень мала, то время диффузии составляет в стекле К8 обычно 100−250 часов, при этом n? 0, 14−0,05, а толщина h? 0,5−4 мкм, потери в волноводе лежат в пределах 10−0,7 дБ/см. Потери в волноводах при небольших временах диффузии обусловлены наличием окисной пленки свинца на поверхности подложки, и рассеянию света в ней. Если время диффузии таково, что пленка окиси свинца полностью продиффундировала в подложку, потери становятся незначительными.

Применение тонкой пленки серебра, в качестве источника ионов при твердотельной диффузии позволяет получать волноводы с n? 0,08−0,01, толщиной h? 2−20 мкм, с потерями 5−1 дБ/см. При применении в качестве диффузанта серебра, потери в волноводах обусловлены в основном появлением коллоидной окраски, и изготовить волноводы с потерями менее 1 дБ/см довольно трудно. Температура подложки лежит в пределах 450−500 °С. Время изготовления — от нескольких минут до нескольких часов.

Твердотельной диффузией титана в подложки LiNbO₃ можно изготовить волноводы с n? 0,01−0,004, толщиной h? 3−10 мкм и потерями — 0,5 — 0,2 дБ/см. Процесс происходит при температуре 900−1000 °С.

2.2 Ионный обмен

Один из наиболее простых методов изготовления планарных градиентных волноводов в стеклах — диффузия из расплава соли или ионный обмен. При погружении стеклянной пластины в ванну, содержащую расплав соли М⁺А^?, происходит ионный обмен между ионами металла М⁺ соли и некоторыми наиболее подвижными ионами стекла. Как правило, такими ионами являются ионы Li⁺, Na⁺, K⁺. Поэтому волноводы при помощи ионного обмена формируются в стеклах, имеющих в своем составе Na₂O, K₂O или Li₂O. В обменном процессе принимает участие не менее 60%, а иногда и более 90% ионов Na⁺, входящих в состав натрийсиликатных стекол. Как только ионы М⁺ проникают из расплава соли М⁺А^? в поверхностный слой стекла, они начинают углубляться, меняясь местами с ионами Na⁺ стекла [8, 10, 11].

Данный вид диффузии (диффузии из неограниченного источника) имеет место в том случае, если стеклянная подложка приводится в соприкосновение с расплавом соли, содержащим диффундирующие ионы, и при этом наиболее подвижные ионы стекла обмениваются на ионы расплава (ионный обмен). Под неограниченным (постоянным) источником понимают такое состояние системы, когда количество атомов, уходящих из приповерхностного слоя подложки в ее объем, равно количеству атомов, поступающих в приповерхностный слой. Таким является источник с бесконечно большим содержанием атомов, которые в нем имеют существенно более высокие скорости, чем в подложке. Начальное и граничное условия в этом случае записываются следующим образом:

C (x, t) = 0 при x 0, t = 0,

C (0, t) = C_s при x = 0, t 0, (11)

C (, t) = 0 при x, t 0.

Здесь x — расстояние, измеряемое вглубь от поверхности подложки; x = 0 — координата поверхности, через которую происходит диффузия; C_s — приповерхностная концентрация диффундирующих атомов, поддерживаемая постоянной в течение всего процесса; C (x, t) — концентрация атомов на любой глубине подложки и в любое время; t — время диффузии.

При этих условиях решение уравнения второго закона Фика имеет вид

(12)

где — переменная интегрирования.

Второй член в квадратных скобках представляет собой выражение функции ошибок, поэтому последнее уравнение можно записать следующим образом:

(13)

(14)

где erfc — символ, означающий дополнение функции ошибок до единицы.

Эта формула описывает распределение концентрации диффузанта в подложке в зависимости от глубины проникновения и времени процесса в случае, если диффузия проводится из неограниченного источника. Графическое представление этого распределения приведено на рисунке 6.

Рисунок 6 — Распределение концентрации диффузанта по глубине при проведении диффузии из неограниченного источника Максимальное значение приповерхностной концентрации C_s ограничивается предельной концентрацией наиболее подвижных ионов стекла, участвующих в процессе ионного обмена (Li⁺, Na⁺, K⁺), в случае проведения диффузии из неограниченного источника, т. е. из расплава соли. Если же диффузия проводится из металлической пленки, то C_s будет ограничиваться пределом растворимости диффундирующих ионов в матрице стекла. Поскольку химический состав в приповерхностном слое стекла изменяется в процессе ионного обмена, то и показатель преломления стекла в этом месте также претерпевает изменение c n.

2.3 Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов

Ионный обмен дает возможность ввести в матрицу стекла различные ионы, однако для целей интегральной оптики используются лишь некоторые из них, а именно: Ag⁺, K⁺, Li⁺, Cs⁺, Rb⁺, Tl⁺. Являясь одновалентными ионами, они легко проникают в стекло, обмениваясь с ионами Na⁺, и могут быть использованы при изготовлении интегрально-оптических волноводов в натриевосиликаных стеклах.

Применяемые в процессе ионного обмена соли M⁺A^?, как правило, являются нитратами (AgNO₃, KNO₃, LiNO₃, CsNO₃, RbNO₃, TlNO₃). Нитраты солей имеют низкую температуру плавления, а их высокие окислительные свойства способствуют дополнительной очистке стеклянных подложек в процессе ионного обмена.

В зависимости от типа стекла и вида обменных ионов величина n может меняться в пределах от 0,001 до 0,22. Глубина проникновения ионов может составлять величину от долей микрометра до 200 и более микрометров.

Величину изменения показателя преломления можно варьировать в широких пределах путем применения ионного обмена смеси солей M⁺A^? и соли натрия (NaNO₃).

Широкое использование стекол от фотопластин, различного рода покровных и предметных стекол для микроскопов, как правило, диктуется не только высоким содержанием окиси натрия в их составе (N₂O 14%), но и хорошей полировкой поверхности, получаемой в процессе изготовления стекла, а также их доступностью.

Единственным, но, пожалуй, существенным недостатком, которым обладают волноводы, сформированные ионным обменом в расплавах AgNO₃ и AgNO₃ + NaNO₃, является коллоидная окраска, неизбежно возникающая в процессе диффузии и восстановления ионов Ag⁺ в стекле. Полностью избавиться от коллоидной окраски не удается, её можно только уменьшить, снизив концентрацию ионов Ag⁺ в смеси расплавов AgNO₃ + NaNO₃, либо температуру ионообменного процесса. Волноводы, изготовленные ионным обменом в расплавах AgNO₃ и AgNO₃ + NaNO₃, имеют большое затухание света (более 1 дБ/см), низкие пороги оптического пробоя, низкую термои фотохимическую устойчивость.

Наряду с AgNO₃ при изготовлении волноводов ионным обменом широко применяется KNO₃. Волноводы, формируемые ионным обменом Na⁺ K⁺, не обладают коллоидной окраской и имеют очень малые потери (< 1 дБ/см). Однако изменение показателя преломления у таких волноводов n = 0,0080,01, что бывает не всегда достаточно при изготовлении волноводных структур с малыми радиусами закругления. Излучение, распространяющееся в таких волноводах, переизлучается в подложку, обусловливая тем самым большие оптические потери на поворотах и изгибах.

Волноводы с высоким значением n, свободные от коллоидной окраски, могут быть получены в процессе ионного обмена Tl⁺ Na⁺. Поскольку радиус иона Tl⁺ значительно больше замещаемого иона Na⁺, скорость диффузии его невысока. Время ионного обмена достигает нескольких часов при температуре 400 510 С. Значения изменения показателя преломления сформированных волноводов достигают n = 0,10,15. Однако из-за высокой токсичности солей таллия формирование волноводов ионным обменом из расплава не получило широкого применения.

Применение Cs⁺ в качестве иона-диффузанта также позволяет получать волноводы с большим изменением показателя преломления (до 0,04). Поскольку подвижность Cs⁺ в стеклах низка, то получение волноводов большой толщины затруднено. Для цезиевых и таллиевых волноводов характерна форма профиля показателя преломления близкая к ступенчатой.

Поскольку спектральная характеристика оптического волновода во многом будет определяться спектральной характеристикой стекла, выбранного в качестве подложки, то формирование качественных волноводов с широким спектром пропускания лучше проводить на оптических бесцветных стеклах, отличающихся высокой прозрачностью, оптической однородностью, бессвильностью и радиационной стойкостью.

Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов ионным обменом и твердотельной диффузией в стеклянных подложках, представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов в стеклянных подложках

3. Имплантация ионов и бомбардировка протонами

оптический волновод диффузия стекло Известно, что некоторые материалы изменяют свой показатель преломления под действием бомбардировки ионами Ar⁺, He⁺, Ne⁺, Li⁺ с энергией от 7,5 кэВ до 2 МэВ. Однако, только кварцевое стекло изменяет свой показатель преломления в сторону увеличения в результате бомбардировки, Этот эффект успешно был использован рядом авторов для изготовления волноводов в кварцевом стекле. Путем имплантации ионов Li⁺ в кварцевом стекле получены волноводы с показателем преломления n=1,493 и потерями 1,8 дБ/см. Плотность ионов составила 10¹⁵ ионов/см³. Имплантация осуществлялась при температуре 220 °C. После дополнительного отжига при температуре 300 °C в течение 1 часа волноводы имели n=1,468 и потери до 0,2 дБ/см на л=0,63 мкм. Установлено, что термическая обработка волноводов незначительно изменяет показатель преломления волновода, но существенно уменьшает потери, что связано с отжигом возникающих в результате бомбардировки центров окраски и рассеяния.

Волноводы в кварце могут быть сформированы имплантацией ионов от гелия до висмута с энергией от 150 кэВ до единиц МэВ при плотности ионов 10¹⁶ ионов/см3 в течение нескольких часов. Однако при изготовлении канальных волноводов ионной имплантацией встает вопрос о материале для маски.

В качестве маскирующего слоя можно использовать золотую пленку, толщиной I мкм. Золото наносился на поверхность плавленого кварца путем термического вакуумного напыления, а затем в золотой пленке фотолитографией вытравливается конфигурация будущего волновода. Такая маска довольно эффективна и полностью предохраняет подложку от проникновения бомбардирующих ионов.

Изменение показателя преломления зависит от интегрального (по времени) потока энергии и в зависимости от имплантированных ионов может достигать 3% и выше, при этом потери в волноводах шириной 5 мкм на л=640 нм были менее 1 дБ/см.

В большинстве случаев после проведения ионной имплантации необходимо провести отжиг материала подложки при повышенных температурах для удаления наведенных дефектов кристаллической решетки и для стимулирования замещения введенными ионами собственных ионов материала. После отжига волноводы, полученные таким методом, обладают почти такими же характеристиками, что и волноводы, полученные методом диффузии. Однако имплантационный метод представляет большие возможности для управления распределением концентрации введенных примесных атомов благодаря изменению энергии и дозы ионов с целью получения заданного профиля. В процессах диффузии всегда приходят либо к гауссовому профилю распределения примесных атомов, либо к профилю, описываемому дополнительной функцией ошибок в зависимости от типа источника диффузии. Примером волновода, изготовленного методом имплантации замещающих атомов примесей, является волновод с наложенной полоской, в котором была использована имплантация ионов Ве⁺ для получения проводимости р⁺-типа в полоске, наложенной на эпитаксиальный плоский волновод nтипа. Метод имплантации замещающих атомов примеси был также использован для изготовления волноводов на основе CdTe, GaP и ZnTe.

Помимо воздействия, связанного с замещением атомами примеси, ионную имплантацию можно также использовать для таких волноводов, в которых увеличение показателя преломления достигается в результате нарушений в структуре кристаллической решетки материала подложки, вызываемых ускоренными ионами, не принимающими участия в замещениях атомов.

Третий тип оптических волноводов можно получить методом ионной имплантации в некоторых полупроводниках, в которых могут возникать центры для захвата электрических носителей. Облучение протонами можно использовать для генерации повреждений в кристаллической решетке, приводящих к образованию компенсирующих центров, с целью получения области со сравнительно низкой концентрацией носителей в подложке, обладающей относительно большой концентрацией носителей. Показатель преломления в области с более низкой концентрацией носителей несколько больше, так как свободные носители обычно уменьшают показатель преломления. Имплантированные протоны сами непосредственно не являются причиной заметного увеличения показателя преломления; его изменение связано с захватом носителей ловушками, которые понижают концентрацию носителей.

Ионной имплантацией и бомбардировкой протонами можно получать заглубленные волноводы, имеющие низкие потери в таких материалах как кварц и LiNbO₃. Однако высокая стоимость и сложность оборудования, ограничивают применение этих способов на практике. На рисунке 7 представлена упрощенная блок-схема установки для ионной имплантации.

1 — источник ионов; 2 — ускоритель ионов; 3 — масс-сепаратор; 4 — стигматор; 5 — система формирования профиля пучка; 6 — система сканирования луча; 7 — мишень-подложка.

Рисунок 7 — Блок-схема установки для ионной имплантации

3.1 Уменьшение концентрации носителей

В полупроводниках любые свободные носители действуют «отрицательно» на показатель преломления, т. е. они, уменьшают его значение по сравнению с тем значением, которое имел бы полностью обедненный носителями полупроводниковый материал. Таким образом, если каким-то способом удалить носители из определенной области подложки, то в ней показатель преломления будет иметь большее значение по сравнению с окружающей средой, и она может действовать как волновод.

Волноводы на основе уменьшения концентрации носителей были получены при облучении протонами как на основе GaAs, так и на основе GaP. В общем случае после облучения материала протонами с дозой, большей 10¹⁴ см^-3, оптические потери составляют более 200 дБ/см. Однако после отжига при температурах до 500 °C потери можно снизить до 3 дБ/см и менее. На рисунке 8 приводятся типичные кривые отжига радиационных дефектов, полученные для образцов из GaAs, имплантированных протонами с энергией 300 кэВ. после отжига, проведенного с целью уменьшения поглощения излучения на радиационных дефектах.

— замещение = 610¹⁸ носитель/см³, доза = 210¹⁵ протон/см²;

— замещение = 210¹³ носитель/см³, доза = 310¹⁴ протон/см².

Рисунок 8 — Потери в волноводах, изготовленных методом облучения протонами.

Результаты приведены в единицах коэффициента б экспериментальных потерь, определяемого из формулы

где I₀ — интенсивность излучения в начальной точке, z=0.

Оставшиеся потери в основном связаны с поглощением излучения на свободных носителях на «хвосте» моды, распространяющемся в подложку.

Кроме GaAs и GaP, в качестве материалов для получения волноводов методом протонного облучения можно использовать ZnTe и ZnSe. Этот метод эффективен для материалов как п-, так и р-типов проводимости, предполагая, что действие обусловлено глубокими энергетическими уровнями ловушек, а не сравнительно неглубокими энергетическими уровнями акцепторов или доноров. Волноводы, получаемые методом протонного облучения, используются в обычном диапазоне прозрачностей материала подложек. Поэтому, например, волноводы для работы на длине волны л=0,63 мкм можно изготовить из GaP, а не из GaAs. А волноводы для работы на длинах волн л=1,06мкм, 1,15 и 10,6 мкм были изготовлены из GaAs и GaP.

3.2 Электрооптический эффект

GaAs и Ga_(1-x)Al_xAs обладают достаточно сильно выраженным электрооптическим эффектом, выражающимся в том, что присутствие электрического поля приводит к изменению у них показателя преломления. Из этого следует, что если на подложку из GaAs нанести металл в виде полоски, подобно тому как это делают для получения контакта для барьера Шоттки (рисунок 9), и подать обратное напряжение смещения, то электрическое поле в обедненном слое приведет к значительному изменению показателя преломления, которое обусловит формирование волноводного слоя с показателем преломления п₂, большим показателя преломления n₁ подложки.

К счастью, очень просто получить барьер Шоттки на полупроводниковых соединениях GaAs и Ga_(1-x)Al_xAs. Почти любой металл, за исключением серебра, если его просто без термообработки нанести на материал n-типа, образует на этих материалах барьер Шоттки, а не омический контакт. При подаче на барьер Шоттки обратного напряжения смещения образуется обедненный носителями слой, как при p-n-переходе. Показатель преломления света в этом слое больше показателя преломления материала подложки, что обусловливается двумя механизмами.

Во-первых, он увеличивается за счет обеднения слоя носителями электричества. Во-вторых, увеличение показателя преломления вызывается присутствием электрического поля. Изменение показателя преломления для конкретной ориентации кристаллической решетки, представленной на рисунке 9, и для волны ТЕ дается следующим выражением:

где n — показатель преломления материала в отсутствие электрического поля, V — величина приложенного напряжения, t_g — толщина обедненного слоя, a r₄₁ — компонента электрооптического тензора, соответствующая выбранной ориентации кристалла и электрического поля.

Рисунок 9 — Схема волновода на основе электрооптического эффекта.

Электрооптический эффект является анизотропным, и, следовательно, другие типы ориентации не обязательно приводят к такому же изменению показателя преломления. Например, для случая такого кристалла, ориентированного, как на рисунке 9, но для волны ТМ (с вектором Е, поляризованным в направлении х), изменение показателя преломления равно нулю. Поэтому при проектировании волноводов на электрооптическом эффекте следует учитывать как ориентацию кристаллической решетки подложки, так и поляризацию направляемой волны.

Толщина волновода, т. е. толщина обедненного слоя, зависит от концентрации носителей материала подложки, а также от величины приложенного электрического поля. Если предположить разумной концентрацию носителей материала подложки порядка 10¹⁶ см-³, а напряжение смещения V равным 100 В, т. е. максимально возможным, чтобы избежать лавинного пробоя полупроводника, то получим толщину обедненного слоя t_g=3,6 мкм. Такой результат основан на использовании показателя преломления, которое следует из выражения для n, составляет n = 8,310-⁴, при этом для GaAs используются значения n = 3,4 и n³r₄₁ = 610-¹¹ м/В.

Самым значительным преимуществом электрооптического волновода по сравнению с волноводами описанных ранее типов является то, что его можно ввести в действие электрическим способом и поэтому использовать в качестве переключающих и модулирующих элементов. Изменяя приложенное напряжение смещения, можно изменить не только показатель преломления волноводной области, но и толщину волновода, создавая, таким образом, для определенной моды желаемые условия либо до отсечки, либо после отсечки.

Металлическая пластинка для контакта Шоттки может иметь форму прямой или изогнутой узкой полоски. В таком случае под полоской при напряжении смещения выше уровня отсечки образуется прямоугольный канальный волновод.

При помощи электрооптического эффекта получают волноводы в ниобате лития (LiNbO₃; n=2,204−2,210; r₃₃=30,810^-12 м/В). Например, модулятор разрывного типа (рисунок 10).

1 — титандиффузионные канальные волноводы; 2 — управляющие электроды.

Рисунок 10 — Модулятор разрывного типа При приложении электрического напряжения к управляющим электродам 2 в разрыве канальных волноводов 1 индуцируется область с повышенным показателем преломления, обладающая волноводными свойствами, и излучение беспрепятственно передается из одного канала в другой. При снятии напряжения большая часть излучения преобразуется в подложечные моды, не доходя до второго волновода, т. е. теряется в подложке. Таким образом можно управлять интенсивностью излучения на выходе модулятора создавая или разрушая канальный волновод в разрыве канальных волноводов 1.

Заключение

На основании выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1 Диффузионные методы позволяют получать планарные и канальные волноводы как в стеклах, так и монокристаллах LiNbO₃ и LiTaO₃.

2 Диффузия ионов, увеличивающих показатель преломления подложки, может проводиться из ограниченного (из металлической пленки) и из неограниченного источника (из расплава соли), при этом профили волноводов будут отличаться друг от друга.

3 Диффузионными методами можно создавать волноводы с минимальными потерями (менее 1 дБ/см).

4 Применяемые в процессе ионного обмена соли M⁺A^?, как правило, являются нитратами (AgNO₃, KNO₃, LiNO₃, CsNO₃, RbNO₃, TlNO₃).

5 В зависимости от типа стекла и вида обменных ионов величина n может меняться в пределах от 0,001 до 0,22. Глубина проникновения ионов может составлять величину от долей микрометра до 200 и более микрометров.

Список использованных источников

1 Введение в интегральную оптику / Под ред. М. Барноски. — М.: Мир, 1977. — 367с.

2 Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира. — М.: Мир, 1978. — 344с.

3 Унгер Х.- Г. Планарные и волоконные оптические волноводы / Х.- Г. Унгер — М.: Мир, 1980. — 656с.

4 Хансперджер Р. Интегральная оптика, теория и технология / Р. Хансперджер. — М.: Мир, 1985. — 379с.

5 Химическая технология стекла и ситаллов / Под ред. Н. М. Павлушкина. — М.: Стройиздат, 1988. — 432 с.

6 Аппен А. А. Химия стекла / А. А. Аппен. — Л.: Химия, 1970. — 352 с.

7 Броудай И. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. / И. Броудай, Дж. Мерей — М.: Мир, 1985. — 496 с.

8 Исследование планарных волноводов, полученных в оптических стеклах методом ионообменной диффузии из расплавов TlNO₃ и KNO₃ / К. А. Ланда, Г. Т. Петровский, А. В. Мишин, С. А. Гуменный // Физика и химия стекла. — 1985. — Т.11. — № 5. — С. 542−546.

9 Исследование оптических свойств диффузионных волноводов на стеклах / B. C. Дорош, И. А. Одувалина, E. Б. Хотнянская, Н. А. Яковенко // ЖТФ. — 1983. — Т.53. — № 9. — С. 1854−1856.

10 Ramaswamy R. V. Process optimization of buried Ag — Na ion-exchanged waveguides: theory and experiment / R. V. Ramaswamy, H. C. Cheng, R. Srivastava // Appl. Opt. — 1988. — Vol.27. — № 9. — P. 1814−1819.

11 Kishioka К. Determination of diffusion parameter values in K ion exchange waveguides made by diluted KNO₃ in soda-lime glass / К. Kishioka // IEICE Trans. Electron. — 1995. — Vol. E78-C. — № 10. — P. 1409−1418.

12 Элементы волноводной оптоэлектроники для устройств функциональной обработки цифровой информации / В. П. Гладкий, В. А. Никитин, В. П. Прохоров, Н. А. Яковенко // Квантовая электроника. — 1995. — T. 22. — № 10. — C. 1027−1033.

13 Никитин В. А. Электростимулированная миграция ионов в интегральной оптике / В. А. Никитин, Н. А. Яковенко. — Краснодар, Из-во КубГУ, — 2003. — 154 с.

14 Никитин В. А. Физические технологии оптоэлектроники: лабораторные работы по спецкурсу / В. А. Никитин, Н. А. Яковенко. — Краснодар: Кубанский гос. ун-т, — 2005. — 134 с.