CC BY
586
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ
В.С. Серебрякова Научные руководители - д.т.н., профессор И.К. Мешковский, к.ф.-м.н., профессор В.Е. Стригалев
В статье дан обзор и проведен анализ технологий изготовления канальных волноводов на подложке из Ы№О3, а также рассмотрены конфигурации выполнения многофункциональных интегрально-оптических схем (МИОС) для волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). В ходе работы получены рекомендации для оптимизации параметров изготовления канальных световодов на ниобате лития, из проведенного сравнения технологий получения полосковых волноводов сделаны выводы о наилучшей конфигурации МИОС для ВОГ.
Введение
В связи с бурным развитием волоконно-оптических и интегрально-оптических технологий в 70 гг. XX века начали активно создаваться и использоваться волоконно-оптические датчики, и среди них волоконно-оптические гироскопы [1, 2]. В последнее время волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) постепенно вытесняют механические и кольцевые лазерные гироскопы. Очевидными преимуществами ВОГ являются надежность, широкий динамический диапазон и малая потребляемая мощность. Основным элементом таких гироскопов является многофункциональный интегрально-оптический элемент (МИОЭ).
МИОС состоит из канальных световодов, на которых изготовлены поляризатор, делитель и модулятор [3-9]. Особое значение имеет миниатюрность этих элементов, возможность монолитного интегрального исполнения, малое количество потребляемой ими энергии и их совместимость с волоконными световодами. К этой схеме пристыковываются входное и выходное оптическое волокно, но на месте соединения оптического волокна и канального волновода возникают потери оптической мощности из-за несогласованности параметров волокна и световода - потери на отражение, а также потери, вызванные несовпадением распределений модовых полей в волокне и канальном волноводе [10].
В настоящее время кристаллы ниобата лития (ЫЫЬО3) наиболее широко используются в интегральной оптике благодаря высоким значениям электрооптических коэффициентов, а также возможности промышленного роста кристаллов и производства пластин диаметром до 100 мм высокого качества [10, 11-19]. В основе большинства интегрально-оптических устройств лежит канальный световод. В настоящее время существует две основные технологии, используемые для формирования интегрально-оптического волновода на ниобате лития: титан-диффузионная и протон-обменная.
Целью данной работы является обзор используемых в ВОГ многофункциональных интегрально-оптических схем, сравнение технологий изготовления данных схем, а также анализ параметров МИОС для гироскопа.
1. Основные технологии изготовления канальных волноводов на подложке
ниобата лития
Одним из наиболее часто используемых материалов для создания интегрально оптических волноводов и элементов является ниобат лития. Ниобат лития относится к одноосным отрицательным оптическим кристаллам (пе < п0) с большим показателем преломления и большим электрооптическим коэффициентом (г33 = 30,8*10"12 м/В). В
зависимости от применения различные интегрально-оптические устройства могут формироваться на х-, у- и ъ-срезах кристалла [11, 13, 19, 20].
На этих кристаллах в последние годы удалось реализовать различные интегрально-оптические элементы и схемы. Интегрально-оптические фазовые модуляторы, изготовленные на подложках ниобата лития, в настоящее время широко применяются в волоконно-оптических гироскопах, датчиках электрического тока и других устройствах [1, 3-10, 12, 14, 18, 21-23].
Дадим обзор основных технологий изготовления канальных волноводов на подложке из ниобата лития, а также рассмотрим конфигурацию выполнения МИОС для волоконно-оптического гироскопа (ВОГ).
1.1. Титан-диффузионные волноводы
Титан-диффузионные волноводы являются наиболее часто используемыми волноводами в оптических интегральных схемах. Метод диффузии Т в ЫЫЬ03 широко освещен в литературе [10, 15, 16, 21, 24-28]. При создании оптического волновода принимаются во внимание следующие параметры:
• начальная ширина титановой полоски (Ж);
• начальная толщина титановой полоски (Н);
• температура, при которой происходит диффузия (Т);
• время диффузии (¿).
Рис. 1. Конфигурация полоскового Т1-диффузионного волновода на подложке ШЬО3 х-среза
Для х-среза кристалла, где свет распространяется вдоль оси у, а модулирующее напряжение прикладывается вдоль оси ъ (рис. 1), распределение показателя преломления в области диффузии выражается формулой [10, 15-16, 22, 26-27]:
п1о(X г ^ = + [(пЪе
"в,о
+ Ап
\2 „2 5 ) - ПЪ
лв,о ие,о
2
X
ехр
{] 2 ^ X )
' (I:
где
" Ж (, 22 У + ег/ ' Ж (л 2 г V
— 1+— 1 —11 - — |
_ 2^ 1 Ж _ Щ 1 Ж )_
' (I )=2 Ь
пе,о - необыкновенный и обыкновенный показатели преломления, х, г - направления по осям, йх - диффузионная ширина и глубина, пЪ - показатель преломления подложки, Ап5 - изменение показателя преломления на поверхности.
Зависимость Ап5 от длины волны и толщины титановой пленки [10, 15, 22, 26] имеет вид
(А) =
"в,о
В0е о (А) + В1в,о (А) а
н
( \ав, о
н
у лв,о
где В(А) - дисперсионные коэффициенты, а - соответствующие коэффициенты для обыкновенного и необыкновенного луча:
В0в(X) = 0,385 - 0,430А + 0,171а2 , В1в = 9,130 + 3,850А - 2,490А2,
В0о (X) = 0,0653 - 0,0315А + 0,0071А2, В1о (X) = 0,4780 + 0,4640А - 0,3480А2, ае = 0,83, ао = 0,53, 0,6 < А(мкм) < 1,6 .
Диффузионные коэффициенты Дг и Дх, диффузионную ширину и глубину и йх, и глубину изменения профилей показателя преломления выражают формулой [10,
15, 22, 26]: Д = Д^Г-
й = 2 ДЛ , й =
ав
, I = х, г, где Дю - диффу-
зионные константы, Е,о - энергия активации, к - постоянная Больцмана. Эти величины приведены в таблице [10, 22].
в, о
Постоянная Значение
Дг0, мкм2/ч 5х109
Дх0, мкм2/ч 1,35х108
Его, эВ 2,60
Ехо, эВ 2,22
Таблица. Константы для ЫЫЬОз
Показатель преломления подложки пь в зависимости от длины волны (мкм) для
обыкновенного и необыкновенного лучей может быть вычислен [10] как
2 0 11768 2 2 0 099169 2
п2 = 4.9048----. -0.027169А2 , п2 = 4.5820----. -0.021950А2.
о 0.04750 -X2 в 0.044432 -X2
Типичные параметры для получения волноводов следующие:
• ширина титановой полоски от 3 до 10 мкм;
• толщина титановой полоски от 500 до 1200 А;
• температура, при которой происходит диффузия 950 - 1100 °С;
• время диффузии от 5 до 10 часов.
Выбранная толщина и ширина титановой пленки должна контролироваться с точностью до 0,1% в процессе изготовления для воспроизводимости параметров волноводов. При минимальной указанной температуре требуется длительное время диффузии, а при максимальной - более короткое время. Верхний предел температуры определяется ее значением в точки Кюри (примерно 1125°С), превышать который нежелательно, так как кристалл может деполяризоваться. Особое внимание при нагреве необходимо уделить процессу диффузии оксида лития из образца, так как это может привести к образованию планарного волновода для необыкновенной поляризации. Для уменьшения диффузии оксида лития из ниобата лития можно применять водяной пар. При относительной влажности 80% и температуре 1000°С волновод не образуется. Другим способом уменьшения диффузии лития является насыщение газовой атмосферы при диффузии оксидом лития путем ввода Ы в поток газа, прокачиваемого через печь, или добавление материалов в печь, выделяющих оксид лития при нагреве [17]. При этом ни один из существующих методов не позволяет полностью исключить диффузию оксида лития.
Для титановой полоски шириной Ж =7 мкм и толщиной Н=1000 А , Х=1,523 мкм, Т=1050°С и времени диффузии I =8,5 часов параметры полученного волновода будут
следующие: dx=4,00 мкм, dz=4,60 мкм, dx,0=6,23 мкм, dx,e=4,98 мкм, nbo=2,2125, nbe=2,1383, Ans0=0,00446, Anse=0,01217 [10]. При этом вносимые потери составляют 1 дБ/см.
При ширине полоски титана 5 мкм, толщине 800 А, температуре диффузии 1050°С, времени диффузии 6 часов размеры моды вдоль осей X и Z будут равны 5,145 и 7,22 мкм соответственно при длине волны 1550 нм. Потери на вводе при этом составляют 0,47 дБ [26].
Волноводы, полученные по данной технологии, имеют согласованную со стандартным одномодовым оптическим волокном числовую апертуру NA~0,11, однако они не могут выделять только одну из поляризаций [20]. Таким образом, для использования данной технологии при изготовлении МИОС необходимо изготавливать отдельный элемент - интегрально-оптический поляризатор.
1.2. Протонно-обменный волновод
Другим базовым методом формирования оптических волноводов в кристаллах ниобата лития, наряду с диффузией титана из пленок, является протонный обмен (ПО). Данный метод заключается в том, что ионы лития в ниобате лития замещаются на протоны (ионы водорода). В результате данного процесса увеличивается необыкновенный показатель преломления, и в области обмена формируется волноводный слой с большой разницей показателей преломления [11-13, 29-30]. На формирование протонно-обменного волновода влияют три фактора:
• температура источника протонов;
• кислотность источника протонов, т.е. концентрация протонов, доступных для замещения ионов лития в ниобате лития (тип кислоты, в которой проводится ПО);
• время диффузии.
В качестве источников протонов применяются бензойная, серная, стеариновая кислоты, при этом получается ступенчатый профиль показателя преломления [29]. Температура смеси (T) в зависимости от используемой кислоты изменяется от 150 до 250°С, время диффузии (t) - от 5 минут до 5 часов, при этом наблюдается увеличение необыкновенного показателя преломления примерно на 0,118 и уменьшение обыкновенного на 0,05 [30]. Следовательно, волноводы, полученные этим методом, могут поддерживать распространение только одной поляризационной моды. При этом у данного типа волноводов наблюдается временная нестабильность показателя преломления, увеличение потерь (до 1,5 дБ/см) и уменьшение электрооптических коэффициентов [11,
19].
При стыковке волновода с оптическим волокном большая разность показателей преломления волокна и полоскового волновода приводит к обратным отражениям. Для уменьшения потерь на стыке оптическое волокно-волновод применяется отжиг про-тонно-обменного (ОПО) световода [11-12, 18-19].
Глубину эффективно-обменного слоя можно вычислить по следующему закону [2]: d = 2yjDpEt, где DPE - коэффициент диффузии, t - время протонно-обменной диффузии. Ширина канала предполагается равной ширине открытой части маски при протонном обмене. В результате отжига протоны перераспределяются внутри подложки в условиях нормальной атмосферы при температуре порядка 300°С. Отжиг восстанавливает электрооптические коэффициенты и уменьшает оптические деформации и потери. Хорошо подобранные параметры отожженного протонного обмена существенно влияют на получение высококачественных волноводов. Отжиг позволяет получить вместо неструктурированной Р-фазы кристаллическую а-фазу с хорошими электрооптическими свойствами [11].
Распределение необыкновенного показателя преломления (х-срез) для отожженных протонно-обменных волноводов при линейной зависимости между изменением показателя преломления и концентрацией ионов водорода может быть вычислено по формуле [2]:
пх (С) = п„ +Апх (С),
где пх - необыкновенный показатель преломления подложки ЫЫЬОз, С - нормированная концентрация протонов водорода, Апх (С) - показатель преломления, изменяющийся от концентрации [2] по закону Апх(С) = АпрхЕ [1 - ехр(-оС)] ,
АпрЕ - максимальный показатель преломления, полученный в результате ПО, 0<С<1 и
а =11. Если принять максимальную концентрацию СНмах=0,16, то Апх (С) =0,05С.
Зависимость показателя преломления от длины волны (дисперсия) для отожженного ПО, вычисленная по методу конечных элементов [2], имеет вид
пх (А) = пзх +Апх (С)
0,78912 + ,°-°6293 + 0,048^2
V А,2 - 0,07852
Обычно отжиг протонно-обменного световода проводят при температуре от 350 до 400°С в течение от 1 до 5 часов. В результате отжига протонно-обменного световода профиль показателя преломления из ступенчатого становится более плавным, увеличивается временная стабильность показателя преломления, уменьшаются потери до 0,5 дБ/см [11, 19].
При использовании чистой бензойной кислоты при температуре 175°С и времени диффузии 20 мин получается протонно-обменный волновод глубиной 0,25 мкм для х-среза. При отжиге полученного волновода глубиной 0,25 мкм и шириной 4,1 мкм при 360°С в течение 30 мин размеры моды вдоль осей X и Ъ получаются равными 1,9 и 5,1 мкм соответственно при длине волны 807 нм [12, 19].
При проведении ПО из бензойной кислоты при Т=190°С (коэффициент диффузии для х-среза ^0ре=0,09188 мкм2/ч, ширина маски 6 мкм) эффективная глубина канала будет 0,3 мкм. Для отжига требуется температура порядка 360°С, коэффициент диффузии при этом будет ^а=0,92 мкм2/ч для х-среза [2].
Для получения пластин без нарушенного поверхностного слоя существует технология химико-механической обработки пластин, включающая в себя несколько стадий - шлифовку, двухстадийную химическую обработку, химико-механическую полировку. Сочетание таких методов дает в результате поверхность пластин ниобата лития, свободную от микротрещин, заполированного аморфного слоя, скрытых царапин. При такой обработке все диффузионные процессы имеют кинетику, характерную для монокристаллов ниобата лития, не зависящую от образца к образцу.
Для изготовления интегрально-оптических схем, в которых необходимо выделение поляризации, используется как раз технология ПО. Благодаря физическим механизмам протонного обмена в кристалле формируется волноводный канал, поддерживающий распространение только необыкновенной линейной поляризации (направленной вдоль оптической оси кристалла), поскольку только для данной поляризации происходит увеличение показателя преломления. Для другой, перпендикулярной составляющей поляризации, показатель преломления наоборот уменьшается, что приводит к ее утечке из волноводного канала. Для протонно-обменных волноводов характерно высокое значение коэффициента инстинкции. Однако из-за большого изменения необыкновенного показателя преломления (~0,02) данные волноводы имеют большую числовую апертуру КЛ~0,3, что более чем в два раза превышает апертуру стандартного од-номодового волокна и усложняет ввод/вывод излучения из волокна в интегрально-
оптическую схему [20]. Поэтому для эффективного использования интегрально-оптических схем, изготовленных по технологии протонного обмена, они должны быть использованы со специальным оптическим волокном, имеющим большую числовую апертуру.
Из проведенного анализа видно, что технология ПО обладает важнейшими достоинствами и преимуществами перед методом диффузии Т в ниобат, такими как проведение процессов при низких температурах, низкая стоимость и доступность технологического оборудования, простота технологических операций [11-13, 18-19, 23, 29-30]. Однако протонообменные световоды характеризуются сложным структурно-фазовым многообразием. При формировании а-фазных волноводов традиционным методом ПО с последующим отжигом в слое первичного протонного замещения из-за протекающих в процессе отжига многочисленных фазовых переходов формируются различные дефекты, вызывающие дополнительное светорассеяние [11-12, 18-19]. В связи с этим актуальным является разработка методов формирования протонообменных волноводов, имеющих улучшенную структуру поверхности, меньшее светорассеяние и более высокий показатель преломления в волноводной области. Но на сегодняшний день более производительной и отработанной остается все-таки технология диффузии титана.
2. Многофункциональная интегрально-оптическая схема
Разработка топологического рисунка МИОС определяется потребностями будущего применения прибора. Наиболее востребованным сегодня является интегрально-оптический фазовый модулятор, объединенный на одном кристалле с другими функциональными элементами, входящими в состав волоконно-оптического интерферометра [20]. В соответствии с принципом работы интерферометрического ВОГ с замкнутой петлей обратной связи МИОС должна выполнять следующие базовые функции [1]:
1. обеспечивать ввод оптического излучения из одномодового оптического волокна;
2. обеспечивать выделение заданной линейной поляризации входного оптического излучения и подавление нежелательной второй поляризации;
3. обеспечивать деление входного излучения на два независимых канала;
4. осуществлять независимую фазовую модуляцию отдельных каналов;
5. обеспечивать вывод промодулированного излучения в оптическое волокно с сохранением поляризации.
Таким образом, внутри МИОС можно выделить несколько базовых элементов, выполняющих различные функции: поляризатор, оптический разветвитель, двухка-нальный электрооптический модулятор. Кроме того, в качестве отдельного узла можно выделить области стыковки интегрально-оптической схемы с оптическим волокном.
Сопоставим технологии ПО и диффузии титана с точки зрения создания отдельных элементов такой МИОС.
2.1. Элементы МИОС, изготовленные по технологии термической диффузии титана
Оптические волноводные структуры на основе кристаллов ЫЫЬОз по технологии термодиффузии тонких пленок титана дают оптические потери меньше 1 дБ/см.
Основные этапы изготовления оптической волноводной структуры - следующие.
• Приготовление кристаллической подложки: определение ориентации монокристалла ЫЫЬ03, вырезка образца в заданной кристаллографической ориентации, осуществление глубокой полировки поверхности образца, на которой будет создаваться волновод.
• Разработка и изготовление фотошаблонов для канального волновода и для управляющих электродов. Фотошаблоны используются на технологических этапах с применением фотолитографии.
• Изготовление фотолитографической маски заданной ширины (8 мкм) для напыления полоски титана на полированную поверхность образца.
• Напыление слоя титана толщиной 100 нм.
• Вымывание фоторезиста, в результате чего на поверхности образца остается полоска титана шириной 8 мкм.
• Проведение термической диффузии титана. Условия диффузии - 1000°С на воздухе в течение 20 часов. В результате диффузии у поверхности образца образуется канал с повышенным показателем преломления, который используется в качестве оптического волновода. Поперечное сечение канала составляет 10 мкм в ширину и 3 мкм в глубину, что обеспечивает одномодовый режим, т. е. распространение одной фундаментальной моды.
• Полировка торцевых поверхностей для ввода оптического излучения в волно-водную структуру.
Шагами, наиболее критически влияющими на качество изготовляемых оптических волноводов, являются полировка поверхности кристаллической подложки, точность толщины и равномерность напыления тонких металлических пленок, подбор режима термодиффузии.
Изготовленные по приведенной выше технологии волноводные структуры имеют очень высокое оптическое качество и очень низкий уровень внутренних оптических потерь (< 1 дБ на длине волны 1550 нм). Исследования профиля поперечного сечения волновода в видимом свете (670 нм) и модового состава распространяющегося светового излучения в диапазоне длин волн ВОЛС (1550 нм) подтверждают, что изготовленный оптический волновод имеет профиль поперечного сечения 10*3 мкм и обеспечивает одномодовый режим на длинах волн в диапазоне 1500-1600 нм.
При изготовлении МИОС методом термической диффузии титана необходимо также изготовить тонкопленочный поляризатор. Для этой цели на поверхность канального волновода наносится тонкая пленка металла, что кардинально изменяет граничные условия распространения света по волноводному каналу. При правильном подборе комплексного показателя преломления металла можно добиться условий, когда ТМ-мода с поляризацией, перпендикулярной металлической пленке, вытекает из волновода [20].
Для нанесения металлических пленок обычно используется технология магне-тронного напыления. На образец напыляется металлическая пленка (обычно это титан или алюминий толщиной 100 нм), которая поэтапно стравливалась. Таким образом, создается возможность определить коэффициент выделения поляризации, отнесенный к единице длины пленки. Для контроля входной поляризации используют волоконно-оптический поляризационный контроллер. Металлический поляризатор имеет потери на единицу длины 0,07 дБ*мм-1. При больших размерах поляризатор на основе одно-компонентной пленки алюминия имеет более высокое отношение коэффициента выделения к потерям. Требования по коэффициенту выделения поляризации, предъявляемые к МИОС, составляют более 40 дБ, что требует поляризатор длиной более 10 мм для чистого алюминия.
Для деления входного излучения на два канала в интегрально-оптической схеме используется разветвитель. Для титан-диффузионной технологии чаще всего используется конфигурации Х-ветвителя [10, 21]. Для получения максимальной однородности коэффициента деления интенсивности между каналами во всем спектральном диапазоне работы схемы расстояние между связными волноводами в ветвителе должно быть минимально, оно ограничивается снизу разрешением литографических операций. Однако Х-ветвитель более сильную зависимость от длины волны, а, следовательно, предъявляет более высокие требования к изготовлению фотолитографического шаблона [1, 20]. Поскольку коэффициент деления сильно зависит от технологии изготовления оп-
тических волноводов, геометрические параметры 3дБ ветвителя не могут быть определены только на основании теоретических расчетов. Коэффициент деления ветвителя зависит от длины взаимодействия. Оптимальная длина взаимодействия при изготовлении 3дБ ветвителей по технологии термической диффузии титана составляет 0,83 мм при радиусе кривизны расходящихся волноводных каналов 100 мм [21, 22].
Одними из главных элементов многофункциональной интегрально-оптической схемы является фазовый электрооптический модулятор, принцип работы которого основан на электрооптических свойствах ЫЫЬ03. В линейном электрооптическом эффекте присутствие электрического поля индуцирует изменение показателя преломления материала и впоследствии изменяет скорость распространения излучения. Тонкопленочные металлические электроды наносятся на поверхность подложки и используются для подвода модулирующего электрического сигнала к оптическому кристаллу [1, 20]. В простейшем варианте пара электродов расположена по обе стороны от канального волновода (рис. 2). Функция преобразования модулятора имеет вид [20]:
Дф = цП—, V,
где ДФ - изменение фазы, V - напряжение на электродах, Уп - полуволновое напряжение (напряжение, требуемое для изменения фазы на п).
электроды
V
волновод
Рис. 2. Интегрально-оптический фазовый модулятор
свет
Для осуществления эффективной фазовой модуляции необходимо, чтобы в процессе изготовления оптических волноводов не происходило деградации электрооптических характеристик ниобата лития, вызванных возникновением различных дефектов [3, 4]. Используя величины эффективных электрооптических коэффициентов для двух собственных поляризаций и зная точную ориентацию главных кристаллографических осей, можно определить г33 ~ 31*10"12 м/В и г13 ~ 9*10"12 м/В. Отсюда видно, что при изготовлении волноводов не происходит деградации электрооптических свойств. Таким образом, для изготовления требуемой конфигурации МИОС можно использовать подложки длиной 50 мм х-среза, который позволяет использовать максимальный электрооптический коэффициент г33 [1].
Многофункциональная интегрально-оптическая схема, выполненная по технологии диффузии титана, имеет вид четырехполюсника (рис. 3). Особенностью данной схемы является использование Х-ветвителя, точность изготовления шаблона составляет 0.5 мкм. Схема имеет два равноценных входа, входное волокно пристыковывается к одному из входов, другой вход является резервным. На входе и выходе интегрально-оптической схемы канальные волноводы подходят к краю подложки под углом ~ 7 град, что позволяет свести к минимуму обратные отражения от областей стыковки с оптическим волокном. На входе ветвителя специально выделяется область длиной 10 мм для напыления тонкопленочного поляризатора. Область двухканального электрооптического модулятора, в которой формируется система электродов, имеет длину 30 мм, что должно обеспечивать полуволновое напряжение менее 10 В [21].
Оптические волноводы
Управляющие электроды
А В
С
и
Поляризатор
Кристаллическая подложка
Рис. 3. Структурный вид МИОС по технологии диффузии титана
2.2. Элементы МИОС, изготовленные по технологии протонного обмена
В отличие от технологии термической диффузии титана, технология протонного обмена является низкотемпературной.
Основные этапы изготовления оптической волноводной структуры методом ПО -следующие.
• Изготовление фотолитографического шаблона с заданной топологией.
• Формирование на поверхности подложки фотолитографической маски (материалы титан, алюминий, оксид кремния) с помощью стандартных методов фотолитографии.
• Напыление тонкой пленки металлического алюминия (50-100 нм) на поверхность подложки и формирование алюминиевой маски после удаление фоторезиста. В результате получаются незапыленные полоски шириной 5, 6, 8 и 10 мкм.
• Проведение протонного обмена в расплаве чистой бензойной кислоты через сформированную алюминиевую маску (ПО в течение 8 часов при 350°С с предварительным плавлением компонентов смеси стеариновой кислоты и стеарата лития (р=0,75%) в течение 1 часа при 350°С.
• Удаление алюминиевой маски с поверхности подложки методами «мокрого» химического травления.
• Отжиг сформированного канального волновода (при температуре 400°С в течение 3 часов) для снижения оптической неоднородности и уменьшения сильного рассеяния.
• Полировка торцевых поверхностей для ввода оптического излучения в волно-водную структуру.
Шагами, наиболее критически влияющими на качество изготовляемых оптических волноводов, являются температура и время протонного обмена, температура и время последующего отжига.
Если из технологического процесса исключить этап отжига, то наименьшие оптические потери на длине волны 1550 нм наблюдаются для канальных волноводов с шириной канала 10 мкм и составляют ~ 15 дБ. Данная величина не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к многофункциональной интегрально-оптической схеме [29]. Использование технологии низкотемпературного протонного обмена с последующим отжигом позволяет сохранять электрооптические характеристики подложки и имеет несколько степеней свободы для управления технологическим процессом: это концентрация расплава бензойной кислоты, служащей источником протонов; температура расплава; время проведения протонного обмена; температура и время последующего отжига. В результате можно получить на подложках ЫКЬ03 канальных волноводов с оптическими потерями меньше 0,5 дБ/см [11].
Четкое соблюдение именно этих критических параметров технологического процесса позволяет получать достоверные воспроизводимые результаты при изготовлении волноводных структур с малыми внутренними оптическими потерями и максимально согласованные со стандартным оптическим волокном 8МБ-28. Около 20% энергии теряется за счет отражения от торцов волновода. Кроме того, потери при вводе излучения из волокна с сохранением поляризации в 3,5 раза превышают потери для ввода из стандартного телекоммуникационного волокна, что связано с худшим согласованием мод.
Одной из наиболее важной характеристикой возможности использования протон-но-обменных волноводов для создания интегрально-оптических модуляторов является эффективный электрооптический коэффициент. Измерение эффективного электрооптического коэффициента волновода позволяет определить пригодность волновода для реализации схемы фазового модулятора и оценить полуволновое напряжение для определённой конфигурации электродов. Для 8 мкм и 6 мкм протонно-обменных волноводов величина эффективного электрооптического коэффициента составляет около 28 пм/В. Таким образом, можно сделать вывод об отсутствии или незначительной деградации эффективного электрооптического коэффициента в волноводах по сравнению с объёмным кристаллом (32 пм/В).
Для деления входного излучения на два канала в интегрально-оптической схеме используется разветвитель. На сегодняшний день чаще всего в МИОС, выполненных по технологии ПО, используются ветвители У-типа [12, 23]. Однако У-ветвитель имеет большие внутренние потери, так как коэффициент деления таких ветвителей зависит от симметрии волноводов. С уменьшением угла расхождения двух плеч ветвителя резко уменьшаются вносимые элементом потери.
Исследования оптических характеристик волноводов, изготовленных по технологии протонного обмена, показали, что данная технология может быть использована для изготовления многофункциональной интегрально-оптической схемы. Такая МИОС имеет вид трехполюсника (рис. 4).
волноводы
(Г
Подложка Ы№Ю3
Стыкуемое Управляющие электроды волокно
Рис. 4. Структурный вид МИОС, выполненной по технологии ОПО
При изготовления МИОЭ на подложках ЫЫЬ03 по технологии ПО очень важным преимуществом волноводов является увеличение показателя преломления необыкновенного луча [30]. В результате в таких волноводах распространяются только моды одной поляризации. Поэтому нет необходимости использовать в ВОГ поляризатор, который является источником дополнительных потерь. Коэффициент поляризационной экс-тинкции для света прошедшего МИОЭ достигает экстремально высоких значений - более 60 дБ. Такая высокая степень поляризации автоматически дает принципиальную возможность для достижения более высокой точности у ВОГ [1].
Заключение
В ходе данной работы проведен анализ основных технологий изготовления канальных волноводов на подложке ниобата лития х-среза. Автором отдается предпочтение технологии протонного обмена для получения волноводов наилучшего качества с высокими электрооптическими свойствами. Однако данная технология на сегодняшний день сопряжена с рядом практических трудностей реализации. В связи с этим актуальным является разработка методов формирования протонообменных волноводов, имеющих улучшенную структуру поверхности, меньшее светорассеяние и более высокий показатель преломления в волноводной области. Хотя в настоящее время более производительной и отработанной остается технология диффузии титана.
Из сравнения технологий получения полосковых волноводов сделаны выводы о наилучшей конфигурации МИОС для ВОГ в зависимости от метода формирования световода на подложке. Выявлены и оптимизированы основные технологические этапы изготовления требуемой топологии МИОС для ВОГ. Очевидными являются преимущества МИОС, изготовленной по технологии ПО, так как в данной конфигурации исключается элемент, выполняющий функцию поляризатора, что уменьшает собственные потери МИОС, а, следовательно, увеличивает точность ВОГ.
Литература
1. Lefevre H. The Fiber-Optic Gyros. - Artech House: 1993. - 313 p.
2. Franco M. A. R., Passaro A. Finite Element Analysis of Anisotropic Optical Waveguide with Arbitrary Index Profile // IEEE Transactions on Magnetics. - 1999. - Vol. 35. - № 3.
- P.1546-1549.
3. Binh L.N. Lithium niobate optical modulators: Devices and applications // J. of Crystal Growth. - 2006. - Vol. 288. - P. 180-187.
4. McMeekin S., De La Rue R.M., Johnstone W. The transverse electrooptic modulator (TEOM): fabrication, properties, and applications in the assessment of waveguide electrooptic characteristics // IEEE J. of Lightwave Technology. - 1992. - Vol. 10. - № 2. - P. 162-168.
5. Kondo J., Aoki K., Kondo A., Ejiri T. High-Speed and Low-Driving-Voltage Thin-Sheet X-Cut LiNbO3 Modulator With Laminated Low-Dielectric-Constant Adhesive // IEEE Photonics Technology Letters. - 2005. - Vol. 17. - № 10. - P. 2077-2079.
6. Gorman T., Haxha S. Thin Layer Design of X-Cut Lithium Niobate Electrooptic Modulator With Slotted SiO2 Substrate // IEEE Photonics Technology Letters. - 2008. - Vol. 20.
- № 2. - P. 111-113.
7. Wang T.-J., Chung J.-S. Electrooptically Wavelength-Tunable Polarization Converter Utilizing Strain-Optic Effect on X-Cut LiNbO3 // IEEE Photonics Technology Letters. -2004. - Vol. 16. - № 10. - P. 2275-2277.
8. Aoki K., Kondo J., Kondo A., Mori T. High-Performance Optical Modulator With a Wide Center Electrode and Thin X-Cut LiNbO3 Substrate // IEEE Photonics Technology Letters. - 2004. - Vol. 16. - № 12. - P. 2610-2612.
9. Aoki K., Kondo J., Kondo A., Mori T. 40-Gbs X-Cut LiNbO3 Optical Modulator With Two-Step Back-Slot Structure // IEEE Photonics Technology Letters. - 2002. - Vol. 20.
- № 12. - P. 2110-2114.
10. Franco M.A.R., Passaro A., Neto F.S. Modal Analysis of Anisotropic Diffused-Channel Waveguide by a Scalar Finite Element Method // IEEE Transactions on Magnetics. -1998. - Vol. 34. - № 5. - P. 2783-2786.
11. Korkishko Y.N., Fedorov V.A., Feoktistova O.Y. High-temperature proton-exchange as an efficient method for fabrication of low-loss LiNbO3 waveguides // SPIE. - 2000. - Vol. 3936. - P. 147-154.
12. Charczenko W., Januar I., Mickelson A.R. Modeling of proton-exchanged and annealed channel waveguides and directional couplers // J. Appl. Phys. - 1993. - Vol. 73. - № 7. -P. 3139-3148.
13. Armenise M.N. Fabrication techniques of lithium niobate waveguides // IEE Proceedings.
- 1988. - Vol. 135. - № 2. - P. 85-91.
14. Gheorma I.-L., Savi P., Osgood R. M. Thin Layer Design of X-Cut LiNbOs Modulators // IEEE Phototics Technology Letters. - 2000. - Vol. 12. - № 12. - P. 1618-1620.
15. Fouchet S., Carenco A., Daguet C. Wavelength dispersion of Ti induced refractive index change in LiNeO3 as a function of diffusion parameters // J. of Lightwave Technology. -1987. - Vol. LT-5. - № 5. - P. 700-707.
16. Korotky S.K., Minford W.J., Buhl L.L. Mode size and method for estimating the propagation constant of single-mode TiLiNeO3 strip waveguides // IEEE J. of Quantum Electronics. - 1982. - Vol. QE-18. - № 10. - P. 1796-1801.
17. Zhang De-L., Zhuang Yu-R., Hua P.-R., Pun E.Y.B. Simulation of Ti diffusion into LiNbO3 in Li-rich atmosphere // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 101- № 013101. - P. 1-11.
18. Salacova L., Spirkova J., Ondracek F. Stady of anomalous behaviour of LiTaO3 during the annealed proton exchange process of optical waveguide's formation - comparison with LiNbO3 // Optical Materials. - 2007. - Vol. 29. - P. 913-918.
19. Nekvindova P., Spikova J., Cervena J., Budnar M. Annealed proton exchanged optical waveguides in lithium niobate: differences between the X- and Z-cuts // Optical Materials.
- 2002. - Vol. 19. - P. 245-253.
20. Тамир Т. Волноводная оптоэлектроника. - М: Мир, 1996. - 574 с.
21. Chakraborty R., Biswas J.C., Lahiri S.K. Analysis of directional coupler electro-optic switches using effective-index-based matrix method // Optics Communications. - 2003. -219.- P. 157-163.
22. Franco M.A.R., Passaro A., Nancy M. A Design Study of a TiLiNb03 Traveling-Wave Electrooptic Modulator by the Finite Element Method // SBMO/IEEE Proceedings. -1999. - P. 158-162.
23. Xie X., Saida T., Huang J., Fejer M.M. Shape optimization of asymmetric Y-junction for mode multiplexing in proton-exchange lithium niobate waveguides // SPIE. - 2005. - Vol. 5728. - P. 360-365.
24. McCaughan L., Murphy E.J. Influence of temperature and initial titanium dimensions on fiber-TiLiNeO3 waveguide insertion loss at A=1,3 p,m // IEEE J. of Quantum Electronics.
- 1983. - Vol. QE-19. - № 2. - P. 131-135.
25. Popescu V.A. Determination of propagation constants in a TiLiNbO3 optical waveguide by using finite element and variational methods // Optical Communications. - 2005. -250. - P. 274-279.
26. Franco M.A.R., Vasconcellos L.C., Machado J.M. Coupling efficiency between optical fiber and TiLiNeO3 channel waveguide // Telecommunications. - 2004. - Vol. 07. -№ 01. - P. 54-59.
27. Rahman B.M.A., Davies J.B. Finite-Element Solution of Integrated Optical Waveguides // J. of lightwave technology. - 1984. - Vol. LT-2. - № 5. - P. 682-687.
28. Gorman T., Haxha S. Design Optimization of Z-Cut Lithium Niobate Electrooptic Modulator With Profiled Metal Electrodes and Waveguides // IEEE J. of Lightwave Technology. - 2007. - Vol. 25. - № 12. - P. 3722-3729.
29. Pun E.Y.B., Loi K.K., Zhao S.A., Chung P.S. Experimental studies of proton-exchanged lithium niobate waveguides using cinnamic acid // Appl. Phys. Lett. - 1991. - Vol. 59. -№ 6. - P. 662-664.
30. Ramponi R., Marangoni M., Osellame R. Wavelength dependence of the ordinary and extraordinary index change in LiNbO3 proton-exchange waveguides // SPIE. - 2002. -Vol. 4640. - P. 1-8.
