Введение к работе
Актуальность темы. Интегрально-оптические (ИО) устройства в настоящее время находят широкий спектр применений в области опто-электронной обработки информации и оптической связи. Стекло представляет собой наиболее популярный материал для изготовления пассивных компонентов ИО схем в силу его относительно низкой стоимости, очень хорошей прозрачности, высокой устойчивости к оптическим повреждениям и доступности. Ионный обмен является ведущим технологических процессов изготовления стеклянных волноводов, поскольку обеспечивает существенную гибкость в выборе технологических параметров изготовления волноводных структур, является достаточно простым и вполне пригодным для крупномасштабного серийного производства.
Теоретическое моделирование ионообменной технологии необходимо для решения многих насущных задач: проектирования самого процесса изготовления одномодовых волноводных структур, конструирования различного рода компонентов ИО схем, оптимизации волноводных характеристик и т.п.
Для реализации данной задачи необходимо наличие прогнозируемого технологического процесса изготовления волноводов с заданными оптико-физическими свойствами, поскольку стеклянные ионообменные волноводы, будучи пассивными структурами, не допускают возможности электрооптической юстировки с целью компенсации погрешностей изготовления.
Для получаемых в результате ионного обмена градиентных волноводов существенной задачей является определение максимального приращения показателя преломления Ли волновода и его эффективной глубины d, поскольку без учета данных параметров невозможно моделировать вол-новодные процессы в ИО схемах. Указанные параметры (An, d) должны быть связаны с основными технологическими параметрами изготовления волновода, что требует построения полуэмпирических соотношений связи между технологическими и волноводными параметрами ионообменных волноводов.
Исходя из этого, разработка научно обоснованной полуэмпирической методики прогнозирования технологических условий изготовления ионообменных волноводных структур с требуемыми волноводными характеристиками представляет собой весьма актуальную задачу интегральной оптики.
Цель работы. Проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований, связанных с разработкой полуэмпирической методики определения характерных параметров оптических градиентных ионообменных волноводов, установлением йрвжи стехнологическими па-
3 | БИБЛИОТЕКА і
раметрами и прогнозированием технологического режима изготовления волноводов с требуемыми оптико-физическими свойствами.
Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:
-
сформировать и исследовать различные серии опытных образцов градиентных оптических волноводов на основе термического ионного обмена из расплава солей AgNCb и NaNOs в стеклянные подложки К8 и КФ4 при определенных технологических условиях;
-
выполнить численное моделирование профильной функции оптических ионообменных волноводов для определения точек поворота вол-новодных мод и реконструкции профиля показателя преломления градиентных волноводов;
-
проанализировать задачу численного восстановления эффективной глубины d и максимального приращения показателя преломления An планарных фадиентны'х волноводов и возможные методы ее решения;
-
разработать методику численной реконструкции параметров (An, d) градиентных волноводов, обеспечивающую минимизацию среднеквадратичной погрешности между расчетными и эмпирическими значениями эффективных показателей преломления мод;
-
разработать методику определения полуэмпирических соотношений связи между технологическими и волноводными параметрами ионообменных волноводов и численную аппроксимацию соответствующих зависимостей для волноводов с градиентным профилем, полученных ионным обменом из расплавов солей AgN03+NaN03 в стеклянные подложки К8, КФ4 и ТСМ;
6) исследовать оптимальные технологические параметры ионооб
менных AgT:K8 и А+:КФ4-волноводов, обеспечивающие одномодовый
режим функционирования;
-
сформулировать алгоритм проектирования технологического процесса изготовления ионообменных волноводов с требуемыми волноводными характеристиками;
-
выполнить численный анализ вносимых потерь в различных пассивных волноводных структурах ИО схем с рекомендациями по выбору параметров пассивных элементов и контролю соответствующих технологических погрешностей.
Научная новизна. Основными новыми научными результатами исследований являются:
-
Численная реконструкция профиля показателя преломления планарных градиентных ионообменных Ag+:K8 и А+:КФ4-волноводов на основе модификации инверсного ВКБ-метода.
-
Формулировка в самом общем виде задачи численного восстановления эффективной глубины d и максимального приращения показателя
преломления Aw планарных градиентных волноводов и анализ возможных методов ее решения.
-
Методика численной реконструкции параметров (Aw, d) градиентных волноводов, обеспечивающая минимизацию среднеквадратичной погрешности между расчетными и экспериментальными значениями эффективных показателей преломления волноводных мод и ее программная реализация.
-
Результаты численной реконструкции параметров (Aw, d) и полуэмпирические соотношения связи между технологическими и волновод-ными параметрами для волноводов с градиентным профилем, полученных ионным обменом из расплавов солей AgN03, AgN03+NaNC>3 в стеклянные подложки К8, КФ4, ТСМ.
-
Методика построения различных полуэмпирических соотношений связи между технологическими и волноводными параметрами ионообменных волноводов в стеклах и их программная реализация.
-
Формулировка научно обоснованного алгоритма проектирования технологического процесса изготовления ионообменных волноводов в стеклах с требуемыми волноводными характеристиками.
7) Результаты численного расчета вносимых оптических потерь в
различных пассивных волноводных структурах ИО схем, сформирован
ных на основе канальных ионообменных Ag+:K8 и Ад+:КФ4-волноводов,
позволяющие оценивать геометрические, технологические и волноводные
параметры, с помощью которых обеспечиваются требуемые размеры схе
мы, допустимый уровень вносимых потерь и контроль соответствующих
технологических погрешностей.
Практическая полезность результатов работы состоит в возможности применения разработанных методик, результатов расчетов и подготовленных программ для следующих практических задач:
-
численного восстановления характерных параметров градиентных ионообменных волноводов;
-
определения полуэмпирических зависимостей между волноводными и технологическими параметрами;
-
проектирования технологических режимов изготовления волноводов с требуемыми оптико-физическими свойствами;
-
выбора оптимальных параметров пассивных волноводных компонентов ИО схем, обеспечивающих требуемые размеры схемы, допустимый уровень вносимых оптических потерь и контроль соответствующих технологических погрешностей изготовления.
-
проектирования фотошаблонов различных волноводных структур ИО схем.
Результаты проведенных исследований в течение ряда лет активно использовались при проведении научно-исследовательских работ в рамках
хоздоговорных работ кафедры оптоэлектроники Кубанского государственного университета (КубГУ) для прогнозирования параметров технологического процесса изготовления ионообменных волноводов с требуемыми волноводными характеристиками, а также при проектировании фотошаблонов различных волноводных структур в ЙО схемах.
Применяемые в диссертации методы анализа ИО волноводных структур используются в спецкурсе «Волноводная оптоэлектроника» и соответствующем лабораторном компьютерном практикуме, изучаемых студентами физико-технического факультета (КубГУ).
На защиту .выносятся следующие положения:
-
Практическая реализация численной реконструкции градиентного профиля показателя преломления планарных оптических ионообменных Ag+:K8 и Ад+:КФ4-волноводрв.
-
Физико-математическая модель численного восстановления эффективной глубины d и максимального приращения показателя преломления An планарных ионообменных Ag+:K8 и Ад+:КФ4-волноводов с градиентным профилем показателя преломления и результаты численной реконструкции параметров (An, d) для указанных волноводов.
Ъ,. Методика построения лолуампирических соотношений связи между технологическими- и волноводными параметрами ионообменных Ag+:K8 и .Ag+:KФ4-вoлнoвoдoв и результаты численной аппроксимации данных соотношений связи.
-
Методика определения технологических параметров градиентных ионообменных Ag+:K8 и Ag+:KФ4-вoлнoвoдoв, обеспечивающих одномо-довый режим функционирования волноводов.
-
Алгоритм проектирования технологического процесса'изготовления ионообменных волноводов в стеклах с требуемыми волноводными характеристиками. ,
-
Методика численного анализа параметров пассивных компонентов ИО схем, обеспечивающих допустимый уровень вносимых оптических потерь в схеме и контроль соответствующих технологических погрешностей изготовления волноводных структур.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах физико-технического факультета и кафедры оптоэлектроники КубГУ, на I-Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Ленинград, 1988), на Всесоюзной научно-технической конференции «Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах» {Тбилиси, 1988), на Координационном совещании социалистических стран по физическим проблемам оптоэлектроники (Баку, 1989), на XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'91) (Санкт-Петербург, 1991), на III—V Всероссийских научно-технических конференциях с междуна-
родным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 1996-1998), пі Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования «К 850-летию города Москвы, столицы России» (Москва, 1997).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы" в 19
работах. ' "'
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 180 печатных страниц, 48 рисунков, 7 f аб-лиц, список литературы, включающий 240 наименований, и 20 приложений, содержащих таблицы экспериментальных и расчетных Данных и распечатки отдельных программ численного расчета.
