Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Элементная база интегральной оптики на основе золь-гель волноводов 12
1.1 Золь-гель технология 13
1.2 Параметры золь-гель пленок
1.2.1 Пленки sio2io2 16
1.2.2 Борофосфосиликатные пленки 17
1.2.3 Пленки на основе zro2 17
1.2.4 Влиянме параметров технологического режима на характеристики волноводов
1.2.5 Пористость золь-гель пленок 19
1.2.6 Исследование температурных зависимостей параметров пленок 22
1.3 Исследования температурной зависимости эффективного показателя преломления (эпп) 25
1.4 Экспериментальное определение температурной зависимости эффективного показателя преломления 28
1.5 Корректировка фазовых ошибок в волноводных матрицах мультиплексоров/демультиплексоров 31
1.6 лазеры с распределенными брэгговскими отражателями и распределенной обратной связью 38
ГЛАВА 2. Расчетные исследования температурной зависимости эпп планарных золь-гель волноводов 42
2.1 Исследование зависимости критических толщин мод от температуры 42
2.2 Исследование зависимости эпп от температуры волноводов с разными параметрами золь-гель пленки 47
2.3 Исследование температурного коэффициента эпп мод планарных оптических золь-гель волноводов 53
2.4 Зависимость парциальной мощности p2/p волны, распространяющейся в золь-гель пленке от параметров волновода 60
2.5 Выводы к главе 2 63
ГЛАВА 3. Температурные свойства канальных оптических волноводов на основе золь-гель материалов 65
3.1 Выбор параметров канальных золь-гель волноводов 67
3.2 Температурная зависимость эпп канальных золь-гель волноводов 68
3.3 Температурный коэффициент ЭПП 73
3.4 Выводы к главе 3 76
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование температурной зависимости эпп мод оптических золь гель волноводов 79
4.1 Метод оптического туннелирования 78
4.2 Изготовление образцов золь-гель пленок
4.3 Термоэлектрический модуль (элемент) пельтье 84
4.4 Экспериментальная установка и определение зависимости углов возбуждения мод от температуры 87
4.5 Определение температурных зависимостей эпп te1- и tm1-мод образцов золь гель волноводов 89
4.6 Анализ изменения показателя преломления призмы вывода с ростом температуры 93
4.7 Определение температурных зависимостей показателя преломления и толщины пленок образцов золь-гель волноводов 96
4.8 Выводы к главе 4 99
ГЛАВА 5. Применение температурных свойств планарных оптических золь-гель волноводов в устройствах интегральной оптики 101
5.1 Регистратор температуры 101
5.1.1 Регистратор температуры на призме 102
5.1.2 Регистратор температуры на дифракционной решетке 106
5.2 Ограничитель температуры 111
5.3 Расчетное исследование влияния температуры на основные параметры волноводной матрицы демультиплексора 117
5.4 Температурный сдвиг центральной длины волны 120
5.5 Одночастотные рбо- и рос-лазеры 125
5.6 Выводы к главе 5 128
Заключение 130
Спикок литературы 132
Список печатных работ
- Влиянме параметров технологического режима на характеристики волноводов
- Исследование зависимости эпп от температуры волноводов с разными параметрами золь-гель пленки
- Температурный коэффициент ЭПП
- Экспериментальная установка и определение зависимости углов возбуждения мод от температуры
Влиянме параметров технологического режима на характеристики волноводов
Главным образом все методы строятся для измерения ЭПП волноводной моды, возбужденной в волноводе, для разных температур системы. Как правило возбуждают волновод с помощью резонансного метода (метод ш-линий): с использованием или призмы, или решетки. В качестве источника излучения берется лазер. С увеличением температуры волновода происходит изменение угла возбуждения моды волновода р, так как величины показателей преломления материалов меняются, составляющих структуру волновода. Данный угол измеряется с помощью гониометра.
Нагревание образца можно осуществить несколькими методами: нагревание образца, помещенного в изолированную камеру, нагрев за счет проточной воды, нагретой до нужного температурного значения [14]; нагрев образца благодаря излучению лампы [12]; нагревание образца в термостате до максимальной температуры рабочей области измерений, а далее производят охлаждение [17]. Главным образом необходимо обеспечивать хорошую точность и удобство измерений величины ЭПП.
В работе [14] авторы использовали золь-гель волноводы с дифракционной решеткой связи, которая представляла собой гофрированную структуру, изготовленную на поверхности подложки.
Экспериментальная установка приведена на рис.1.8. Образец плоского волновода, который состоял из стеклянной подложки с гофрированным участком, который был покрыт волноводным золь-гель слоем. Над дифракционной решеткой связи помещали кювету, имеющую сечение в виде полуцилиндра, через которую протекали потоки нагретой жидкости. Температуру жидкости в кювете измеряли с помощью термопары (никель-хром-никель), которая помещалась в одной из трубок исходной кюветы. Чтобы точно регулировать температуру системы, авторы разработали специальный теплообменник. Нагревание водяного резервуара производилось благодаря джоулева тепла, электрический ток нагревал резервуар с жидкостью до 93C. Поток воды циркулировал с помощью использования насоса. Точность расчета температуры при экспериментах составила ±0,2C.
В работе [12] сначала изготавливались образцы планарных золь-гель волноводов на основе ZrO2 и затем методами фотолитографии и травления сформировывали канальные волноводы гребневого типа.
Источником широкополосного (450–1700 нм) излучение вводилось в волноводную систему благодаря волоконному световоду, пристыкованого к полированному торцу канального волновода. Излучение, проходя через волновод, выводили из волноводной системы таким же способом и направляли в оптический анализатор спектра (рис.1.9). Нагревали волноведущего слоя с помощью галогеновой лампы мощностью 250 Вт и расположили ее на расстоянии около 10 см от поверхности структуры. Температуру мерили с использованием электронного термометра, который контактировал с поверхностью исследуемого образца. Рабочая область измерения температуры составляла 20–150C.
Чтобы получить зависимости ЭПП от температуры образцов оптических волноводов, изготовленных по золь-гель технологии на основе SiO2iO2, авторы в работе [17] используют экспериментальную установку, где излучение He-Ne лазера с помощью призмы связи вводили в волноведущий слой, и измеряли резонансный угол возбуждения мод. Волноводную структуру помещали в печь, благодаря которой увеличивали температуру от 20 до 100C. Температура в процессе эксперимента контролировали с использованием термистора, щуп которого приводили в контакт с волноводным слоем.
Проведенный обзор методов исследования характеристик золь-гель волноводов позволяет привести следующие выводы: 1. Возбуждали волновод благодаря либо узкополосному источнику излучения (лазера), либо широкополосного. 2. Метод возбуждения имел резонансный характер с использованием лазера (дифракционная решетка или призма), либо с помощью состыкованного с торцом волновода волокна при использовании источника широкополосного излучения. 3. Методика нагревания образца. Выбором какого-либо метода нагрева обуславливает основными свойствами методики, к которым относятся следующие: а) рабочая область изменения температуры; б) измерение при стабилизированных значениях величины температуры в выбранной рабочей области температур, шаг измерений и время установления необходимой температуры; в) проводится измерения при непрерывном изменении температуры, проведение измерений по структуре – нагревание до максимума температуры рабочей области, а далее процесс остывания (или проводить сразу измерения в ходе нагрева до максимума температуры), шаг измерений, скорость изменения температуры; г) время для достижения необходимого значения температуры; д) промежуток времени, необходимой для измерений при фиксированной температуре и общее время измерений во всей рабочей области температур; е) схема метода определения величины температуры структуры в момент измерения ЭПП и точность получаемых результатов. Таким образом, для более тщательных исследований температурной зависимости ЭПП лучше всего получать как можно большую рабочую область температур, достаточно высокую скорость измерения, но при этом необходимо обеспечивать хорошую точность измерения температуры и ЭПП.
Исследование зависимости эпп от температуры волноводов с разными параметрами золь-гель пленки
ЭПП волноводных мод был рассчитан с помощью дисперсионных уравнений (2.1), (2.2), определяющих связь между ЭПП для соответствующей моды, толщиной волноводного слоя, показателями преломления сред, формирующих волновод с учетом их температурной зависимости, и длиной волны.
Был проведен расчет зависимости показателя преломления и толщины золь-гель пленок TiCh-SiCh от температуры после экспериментального определения пэффтЕ\(Т) и пэффтм\(Т), с помощью термоэлектрического модуля Пельтье. Результаты экспериментально полученных зависимостей п2(Т) и h(T) аппроксимированы полиномами (1.5) и (1.6).
Показатель преломления, температурный оптический коэффициент и коэффициент линейного расширения плавленого кварца, который использовался в качестве материала подложки, имели значения 1,4575, -0,3 10–5 (С)–1 и 0,4 10–6 , соответственно [16].
Расчет ЭПП ТЕї- и ТМі- мод в зависимости от температуры окружающей среды был проведен для волноводов с различными параметрами, которыми были показатель преломления золь-гель пленки щ и толщина пленки h. Выбор значений показателя преломления пленки n2 для расчетов (1,48, 1,55 и 1,8) был обусловлен возможностью их реализации в рамках системы TiO2 - SiO2 при использовании соответствующей технологии изготовления пленок (выбор соотношения компонент растворов, содержащих TiO2 и SiO2, температуры отжига пленок и др.).
Диапазон изменения толщины пленки h был определен с помощью дисперсионных уравнений (2.1), (2.2) путем расчета значений критической толщины пленки, при которых возникает волноводное распространение соответствующих мод. Для работы в диапазоне существования ТЕ1- и ТМ1- мод необходимо провести расчет критических толщин для ТЕ1-, ТМ1- и ТЕ2- мод, откуда определялся интервал изменения h. Расчеты проводились для ТЕ1-, ТМ1- и ТЕ2- мод при фиксированных показателях преломления пленки и двух значений температур: 20 и 100 С (табл. 2.1).
Несмотря на то, что для ВОЛС используются источники излучения с длиной волны 1,55 мкм, в настоящей работе все расчеты проводились для длины волны 0,6328 мкм, соответствующей длине волны излучения He – Ne лазера, который служил источником возбуждения волн в волноводах при экспериментальных исследованиях. Значения критической толщины для =1,55 мкм сдвигаются в сторону меньшей толщины пленки.
С учетом полученных расчетных значений критической толщины пленки волновода определялся диапазон изменения h для обеспечения работы волновода в одномодовом режиме (ТЕ1- и ТМ1-мода) при выбранных показателях преломления пленки и длины волны.
Далее была проведена серия расчетов зависимости ЭПП от температуры для ТЕ1- и ТМ1-волноводных мод, где – либо h, либо n2 являлись параметрами.
Исследование зависимости ЭПП от температуры для ТЕ1- и ТМ1-волноводных мод проводилось для нескольких значений параметра h: 0,22, 0,25 и 0,34 мкм. При этом показатели преломления пленки n2 имели значения: 1,48, 1,55 и 1,8.
Анализ полученных результатов показал, что для всех указанных значений толщины пленки и показателей преломления 1,48 и 1,55 характер зависимости ЭПП (Т) был одинаков: ЭПП монотонно уменьшался с увеличением температуры для обеих мод и линии графиков были выпуклые. Типичная зависимость ЭПП (Т) для h = 0,5 мкм и n2 = 1,55 приведена на рис.2.5. Интересные зависимости ЭПП (Т) наблюдались для показателя преломления пленки n2 = 1,8. При значениях толщины пленки от 0,34 до 0,50 мкм зависимость ЭПП (Т) характеризовалась выпуклой кривой. На рис.2.6 а, б приведены зависимости ЭПП (Т) для толщины пленки равной 0,5 мкм. При дальнейшем увеличении толщины пленки характер зависимости совпадал с описанным выше для n2=1,55, т.е. линии на графиках для ТЕ1 и ТМ1 мод - выпуклые, а степень выпуклости возрастала с увеличением толщины пленки.
Характер зависимости резко менялся для пленок малой толщины (равной или меньшей 0,34 мкм), причем поведение кривых для ТЕ1- и ТМ1-мод резко различалось. Так для ТЕ1-моды зависимость ЭПП (Т) при толщине пленки 0,34 мкм описывалась выпуклой линией (как и в предыдущих случаях), а для ТМ1-моды – вогнутой. При уменьшении толщины пленки до 0,25 мкм ТЕ1-моде соответствовала почти линейная зависимость от температуры, что отражено на рис.2.7 а, а для ТМ1-моды зависимость ЭПП (Т) имела минимум, примерно, при 70С (рис. 2.7 б), после чего ЭПП возрастал по мере дальнейшего увеличения температуры. При уменьшении толщины пленки, например, до h = 0,22 мкм зависимости ЭПП (Т) для ТЕ1-моды соответствовала уже вогнутая линия, а для ТМ1-моды минимум сдвигался в сторону меньших температур ( 55С).
Уменьшение ЭПП при увеличении температуры и выпуклая форма характеристик (рис. 2.5) и (рис. 2.6) отражает тот факт, что проявляется превалирующее влияние отрицательного ТОК материала пленки. Это следует из приведенной в работе [29] расчетной зависимости ЭПП (Т) для двух случаев: учет отрицательного ТОК материала при независимой от температуры толщины пленки и учет изменения толщины пленки от температуры при фиксированном показателе преломления пленки.
При малой толщине пленки (рис. 2.7) проявляется влияние фактора, обусловленного зависимостью толщины пленки от температуры, и этот вклад в ЭПП положительный, а влияние отрицательного ТОК материала пленки ослабевает. Экстремум характеристики соответствовал равному вкладу двух факторов, а последующий рост ЭПП (Т) обусловлен большим влиянием на ЭПП положительного фактора, т.е. увеличения толщины пленки от температуры, что приводило к увеличению ЭПП.
Температурный коэффициент ЭПП
При увеличении n2 характеристика также убывающая и представляется вогнутой линией, имея экстремум при Tэкст = 83 С, после которого характеристика становится возрастающей (рис. 3.2,б,в). Вогнутый характер зависимости означает нарастание влияния второго фактора (положительного), связанного с термическим расширением пленки. Минимум зависимости соответствует равному вкладу обоих факторов, а её возрастающий характер при дальнейшем увеличении температуры говорит о превалирующем влиянии уже положительного фактора. Характер зависимости для LЕ11-моды аналогичен. Однако минимум зависимости сдвинут в область более высоких температур. Для канального волновода приподнятого типа при всех рассмотренных значениях n2 зависимость nэфф(Т) имеет экстремумы для обеих мод.
Для волноводов всех типов с увеличением соотношения ширины и толщины w/h температура Tэкст., соответствующая равному вкладу обоих факторов, смещается в область больших значений температур. Так для гребневого волновода с увеличением ширины волновода от h0/2 до 2h0 минимум зависимости сдвигается в сторону повышенных температур, примерно на 15С. Характер зависимости nэфф(Т) для волноводов с шириной w от h0/8 до 10h0, подтвердил эту тенденцию. При очень больших значениях ширины канальный золь-гель волновод становится эквивалентен планарному волноводу толщиной h0. Такое поведение характеристик связано с распределением поля волны по средам, составляющим волновод, а именно, с долей мощности, распространяющейся в объёме с отрицательным ТОК. Чем больше эта доля, тем при большей температуре происходит выравнивание влияния двух факторов, т.е. достигается Tэкст.
Представляет интерес положение экстремума температурной зависимости, соответствующей нулевому ТК ЭПП (Tэкст), в зависимости от геометрии волновода. На рис 3.3 представлены результаты расчета Tэкст от w/h для волновода погруженного типа. Возрастающий характер зависимости говорит, о том, что жесткая конкуренция двух факторов с возрастанием ширины проявляется при более высоких температурах.
Как видно из рис. 3.3, при одинаковом изменении соотношения w/h температура экстремума для LE11- моды растет быстрее, чем для LM11-моды канального волновода. Это объясняется большей концентрацией поля волны в объёме пленки для LE11- моды. При увеличении w/h локализация поля в объёме пленки также увеличивается и отрицательный фактор работает более эффективно, чем положительный, а значит и температура экстремума растет с большей скоростью.
При больших значениях ширины w, когда канальный золь-гель волновод можно считать эквивалентным планарному с толщиной h0, экстремум зависимости nэффLE11(T) выходит за рамки исследуемого диапазона температур от 0 – 100 С и зависимость nэффLE11(T) имеет в данной области температур чисто убывающий характер, а зависимость nэффLM11(T) – экстремум при любых выбранных значениях соотношения w/h при более низких температурах, что хорошо согласуется с результатами для планарных оптических золь-гель волноводов и обусловлено различием распределения поля волны в поперечном сечении волновода для рассмотренных мод. Характер зависимости аналогичен для всех типов рассмотренных волноводов.
Однако, для канального волновода гребневого типа с n2 = 1,8 при малых значениях ширины w на зависимости Tэкст (w/h) наблюдается минимум (при w/h 0,2 для LE11- и w/h 0,1 для LM11-моды), который также связан с распределением поля волноводных мод в сечении волновода (рис. 3.4). При ширине w = 0, канальный волновод соответствует планарному с толщиной, равной боковой области l (рис. 3.1, г), а с появлением канала (w 0) максимум распределения поля мод смещается в сторону покровного слоя. В этом случае доля мощности в золь-гель материале пленки сначала уменьшается (при увеличении w/h от 0 до 0,2 для LE11-моды и от 0 до 0,1 для LM11-моды), а затем растет. При некоторой ширине канала доля мощности полей мод в золь-гель материале волновода количественно равна доле мощности для планарного волновода толщиной l. Дальнейшее увеличение w приводит к росту этой мощности в золь-гель материале и, соответственно, к увеличению влияния отрицательного ТОК материала, что приводит к сдвигу экстремума в сторону повышенных температур.
Поскольку при создании конкретных устройств на основе золь-гель канальных волноводов важным фактором является температурный коэффициент ЭПП, был проведен анализ зависимости ТК ЭПП от температуры для различных типов волноводов.
Температурная зависимость ТК ЭПП (dnэфф/dT) была рассмотрена для трех значений показателя преломления золь-гель материала n2 = 1,55, 1,65, 1,8. Анализ полученных результатов показал, что для случая с n2 = 1,55 гребневого, внедренного и погруженного типов, dnэфф/dT имеет отрицательное значение для обеих мод. Однако, у всех трех типов канальных волноводов dnэфф/dT с ростом температуры для LE11-моды увеличивается по модулю, а для LM11-моды – уменьшается (рис. 3.5) аналогично зависимости ТК ЭПП для планарных волноводов, поскольку для LE11-моды зависимость ЭПП (Т) представляет собой выпуклую линию, а для LM11-моды – вогнутую.
Рис. 3.5. Зависимость ТК ЭПП LE11- и LM11-мод от температуры канального волновода внедренного типа с параметрами n2 = 1,55 и h0 = 0,27 мкм и шириной канала: 1 – w = 0,5h0; 2 – w = h0; 3 – w = 2h0.
Увеличение относительной ширины канального волновода приводит к увеличению по модулю ТК, что связано с ростом доли мощности волны в канальном волноводе на основе материала с отрицательным ТОК. Из рис. 3.6 видно, что для LE11-моды температурный коэффициент ЭПП по модулю примерно на порядок больше, чем для LМ11-моды, что также связано с распределением поля волны в волноводе.
Для случая показателя преломления золь-гель материала n2 = 1,8 зависимости dnэфф/dT от температуры имели почти линейный характер. Для всех рассмотренных значений ширины канального волновода (0,5h0, h0 и 2h0), зависимости ТК ЭПП пересекают ось температур, что означает равенство двух факторов, влияющих на температурную зависимость. При температуре, меньшей точки пересечения ТК отрицателен, при большей – положителен (рис. 3.6).
Экспериментальная установка и определение зависимости углов возбуждения мод от температуры
В данной работе использовалась полиномиальная аппроксимация и регрессия, с помощью программы Wolfram Mathematica 9. В интерфейсе программы существует функция регрессии Fit которая позволяет получить наиболее точную аппроксимацию исходных данных [35]. Ошибки аппроксимации малы по сравнению с экспериментальными ошибками, различие от исходных данных составляет не более чем в 3 порядка.
Зависимости (рТЕ{T) и (рТм(T) на большом интервале температур являются возрастающими функциями, однако, на диапазоне от 0 до 15 С имеет место убывающая зависимость. Таким образом, на промежутке от 15 до 20 С наблюдается локальный экстремум. Также на высоких температурах (Т 60 С) крутизна зависимостей уменьшается. Для ТМ1-моды образца В5 при температуре выше 60 С возбуждение пропадало, это говорит о том, что мода переходит в закритический режим.
Определение температурных зависимостей эффективного показателя преломления ТЕ1- и ТМ1-мод образцов золь-гель волноводов
С помощью формулы (4.7) был проведен расчет зависимостей эффективного показателя преломления ТЕГ и ТМі-мод образцов волноводов (таблица 4.3).
При расчетах подложка нагревалась до температур выше 100 С, поэтому необходимо было учитывать температурный оптический коэффициент плавленого кварца, согласно литературным данным [36]:
Ошибки измерений ЭПП образцов составляют: Апэфф = ±4х Ю-4. Обычно устройства интегральной оптики создают на основе плавленого кварца, у которого ТОК мал. С помощью методов аппроксимации данных таблицы 2.3, построены зависимости ЭПП мод образцов волноводов: А3 (рис. 4.8), В6 (рис. 4.9), В5 (рис. 4.10). Рис. 4.8. Зависимости ЭПП мод от температуры образца А3 (3х-кратное нанесение).
Зависимости ЭПП мод от температуры образца В5 (однократное нанесение). Важным параметром температурных характеристик является температурный коэффициент, который определяет степень изменения изменяющейся величины с ростом температуры. Для зависимостей ЭПП от температуры внешней среды температурный коэффициент определяется отношением приращения ЭПП к изменению температуры: ТК ЭПП = . (4.10) На изображенных зависимостях образцов A3, В6 и для TE1-моды образца В5 можно выделить три характерные области с разным значением температурного коэффициента эффективного показателя преломления (ТК ЭПП): от 0 до 20 С; от 20 С до 90С; от 90 до ПО С. ТК ЭПП TM1-моды образца В5 практически равен нулю, т.к. возбуждение данной моды происходит вблизи критического режима. Данные ТК ЭПП образцов представлены в таблице 4.4.
Сравнительно большой отрицательный ТК ЭПП для ТЕ1-моды объясняется значительной концентрацией поля волны в золь-гель пленке, обладающей большим отрицательным значением ТОК. Для TM1-моды концентрация поля волны в пленке меньше за счет увеличения доля мощности волны в подложке, материал которой характеризуется очень малым отрицательным термооптическим коэффициентом.
В проводимых исследованиях использовали призму на основе ТФ-5. С помощью элемента Пельтье основание призмы нагревается до той же температуры, что и у пленка. Благодаря устройству термопары экспериментально было установлено - призма, в области попадания лазерного луча, имеет температуру, равную комнатной и находящуюся на некотором расстоянии от основания. Т. о. в объеме данной призмы наблюдается градиент температуры, что приводит, соответственно, к появлению градиента показателя преломления.
В некоторой области и выше призма, с углом основания апр, имеет показатель преломления равный щ и комнатную температуру Т0. Разобьем оставшуюся область до основания на Участей равной толщины h. Каждый полученный объем имеет показатель преломления щ и температуру ТІ. TV-ый объем будет иметь показатель преломления п и температуру Тм, равную температуре пленки (рис. 4.11). Луч при прохождении внутри призмы, преломляется и попадает на границу областей 0-1 под некоторым углом к нормали в0, дальше луч в объеме 1 опять испытывает преломление и попадает на границу 1-2 под углом относительно нормали в1 и снова в 2 преломляется (рис. 4.12) и т.д. В TV-ой области многократно преломленный луч попадает на границу призма-волновод под углом к нормали вм. Для определения эффективного показателя преломления обязательно нужно определить угол N. Найдем выражение для определения величины этого угла, решив оптико-геометрическую задачу: