Введение к работе
J\ .Актуальность темы диссертации. Многослойные планарные оптические волноводы являются основой для построения элементов и функциональных устройств интегральной оптики. В настоящее время одной из основных тенденций развития интегральной оптики является объединение на одной подложке интегрально-оптических и электронных элементов и устройств в единую функциональную схему. Задача сопряжения оптических и электронных элементов на одной подложке, представляющей собой, как правило, поглощающий свет монокристаллический полупроводник (GaA3, Si и т.п.), решается с помощью использования многослойных волноводных структур,.состоящих из четырех и более слоев. Основным требованием, предъявляемым к таким многослойным волноводам, является обеспечение как можно более низких оптических потерь на рабочих длинах волн, а также совместимость технологии их изготовления с технологическими методами формирования электронных элементов и схем.
Наряду с этим, многослойные волноводные системы с поглощающими слоями могут находить другие применения, в частности, использоваться в качестве планарн,тх поляризационных фильтров. При использовании таких поляризаторов в интегрально-оптических схемах обработки сиг :алов они могут обеспечивать развязку (разницу затуханий мод ортогональных поляризаций) 40-6С дБ.
Для решения указанных выше задач необходима разработка методов расчета характеристик многослойных волноводных структур с поглощением, отработка технологии их изготовления и создание методик измерения их параметров, поиск новых конструктивных решений отдельных функциональных элементов с цельп приближения их характеристик к оптимальным.
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование некоторых типов многослой :ах пленарных оптических волноводных систем с поглощаюздии слоями, отработка технологических процессов их изготовления, разработка экпериыенталь-ных методов определения параметров таких волноводных структур, пои ; материалов и оптимальных схемных решений с целью уменьшения потерь волноводных мод в структурах на поглощаю-
цих подложках и увеличения развязки между модами ортогональных поляризаций.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие оригинальные результаты:
-
Дисперсионные уравнения многослойных пленарных волноводов, включающих изотропные или одноосные анизотропные диэлектрические, полупроводниковые или металлические, в том числе поглощающие, слои, представлены в виде рекуррентных соотношений, имеющих единый инвариантный вид независимо от профиля распределения показателей преломления по слоям волновода, что существенно упрощает расчет дисперсионных характеристик.
-
Показано, что а многослойных волноводах на полупроводниковых подложках волноводные йоды в определенных интерзалах толщин слоев могут становиться вытек ющими. Найдено условие, позволяющее определять границы этих интервалов.
-
Разработана технология изготовления четырехслойных пленочных оптических волноводов с малыми потерями на основе структуры Sl/SL0o. Впервые методом реактивного высокочастотного распыления получены пленарные волноводные структуры на кремниевых подложках, обладающие потерями менее 0,5 дБ/сн на длине волны Х= 633 нм.
-
На основе волноводной системы Al/SlOp/TupO^/SlOp впервые экспериментально реализован пленарный интегрально-оптический поляризатор, пропускающий моду TEQ с коэффициентом затухания 2 дВ/сы и поглощающий моду ТМ0 с коэффициентом затухания более 1900 дБ/см при XQ= 633 ни.
-
Предложено, а также теоретически и экспериментально показано, что на основе многослойного пленочного волновода на поглощающей полупроводниковой подложке с использованием искусственной отрицательной анизотропии слоистой среды можно создать эффективный интегрально-оптический поляризатор, пропускающий тц -волну и поглощающий ТЕ-волны. Впервые получена и экспериментально исследована тонкопленочная система d-Sl/13 периодов(Та205/3102)/А1203/воэдух, пропускающая Т110-волну с коэффициентом затухания менее Э дБ/см и поглощающая волны ТЕ поляризации с коэффициентом эатухания более 300 дБ/см на длине волны \Q= 633 ни.
5. Предложен и экспериментально продемонстрирован эллип-сометрический метод определения коэффициентов затухания волно-водных мод в пленарных оптических волноводах с большими, порядка 102 - Ю4 дБ/см, потерями. Получены простые расчетные формулы, связывающие коэффициенты затухания ыод с эллипсоыет-рическими параметрами.
Практическая ценность. Использование полученных в работе рекуррентных дисперсионных соотношений, затканных в единой инвариантном виде, в значительной степени упрощает процедуру численных расчетов дисперсионных характеристик различных многослойных систем.
Разработанная эллипсометрическая методика определения потерь волноводных мод с высоким коэффициентом затухания может быть использована для экспериментального определения поляризационных характеристик интегрально-оптических поляризаторов.
Разработанная в диссертационной работе волноводная методика определения оптических характеристик диэлектрических пленок на поглощающих свет полупроводниковых подложках позволяет с высокой точностью определять толщину и показатель преломления достаточно толстчх (оптической толщиной несколько длин волн) пленок.
Предложенная в работе конструкция многослойного поляри-
оаЦЛишіиі \j ціилЬіра па nui лицаищсуі пилу ирчлзидлі'тиоун иОДлилілс
с использованием искусственной отрицательной анизотропии многослойной слоистой среды позволяет создавать эффективные поляризационные фильтры, пропускающие моды TU поляризации и поглощающие ТЕ-волны.
..пробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 8, 9 и 10 конференциях молодых ученых Университета дружбы народов им. П.Луыумбн (Москва, 1985-198? гг.), на Всесоюзной школе-семинаре "Волоконная и интегральная оптика" (Киев, 1988), межвузовской конференции "Вычислительная физика и математическое моделирование" (Волгоград, 1988), VIII региональной семинаре "Оптические и оптоэлектроннне методы и устройства обработки информации" (Краснодар, 1990), на I Всесоюзной конфе-
ренции по интегральной оптике (Ужгород,1991), на 2 Всесоюзной научно-технической конференции "Оптические сети связи"(Владимир, 1991).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержит /ОS страниц машинописного текста, 7 таблиц, 36 рисунков. Список цитируемой литературы содержит Р% наименований.
