2
СОДЕРЖАНИЕ
стр,
ВВЕДЕНИЕ .....................................................5
ГЛАВА I; МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ РЕЛЬЕФОВ В СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУРАХ .................................................. ; . ; 22
IЛ. Экспериментальная установка для исследования поверхностных световых волн в тонкопленочных волноводах • 22
1*2. Методики и установки для формирования и исследования волноведущих каналов в оптических волокнах из халькогенидных стеклообразных полупроводников. 25 1.3; Установки и методики формирования и исследования изотропных и анизотропных дифракционно-решетчатых структур и волноводных голограмм. 36
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВЫХ РЕЛЬЕФОВ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ ИЗ ХАЛЬКОГЕЩЦНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ................................................; ; 46
2.1; Формирование фазовых рельефов в оптических волокнах на основе халькогенидных стеклообразных
полупроводников . • • ........................; ; 46
2.2; Поляризационные свойства волноведущих каналов в
оптических волокнах ИК диапазона. 54
2.3; Исследование чувствительного элемента датчика малых перемещений в оптическом волокне из халь-когенидного стеклообразного полупроводника 60
- 3 -
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОЛНОВОДНЫХ ГОЛОГРАММ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕЩЦНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ОРГАНИЧЕСКИХ ФОТОХРОМ-НЫХ МАТЕРИАЛОВ.......................................... . ; . .67
3.1. Взаимодействие поверхностных световых волн на фокусирующих голографических структурах в тонкопленочных волноводах из халькогенидных стеклообразных полупроводников ; ; ; ; ; 67
3;2; Экспериментальное исследование свойств голографических решетчатых структур, сформированных поверхностными световыми волнами в планарном волноводе . 74 3.3; Экспериментальное исследование влияния параметров планарных волноводов на эффективность неколлинеар-ной брэгговской дифракции ......................... ••••;; 82
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ БРЭГГОВСКОЙ ДШРАКЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВЕТОВЫХ ВОЛН В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ВОЛНОВОДАХ НА АНИЗОТРОПНЫХ ДИФРАКЦИОННО-РЕШЕТЧАТЫХ СТРУКТУРАХ. ; . . 90
4Л; Анализ неколлинеарного взаимодействия и преобразования поверхностных световых волн в тонкопленочных волноводах на анизотропных фазовых дифракционно-решетчатых структурах. 90
4;2; Исследование изотропной неколлинеарной брэгговской дифракции поверхностных световых волн на анизотропных дифракционно-решетчатых структурах в тонкопленочных волноводах 96
4;3; Исследование анизотропной неколлинеарной брэгговской дифракции поверхностных световых волн
- 4 -
на анизотропных дифракционно-решетчатых структурах в тонкопленочных волноводах ................... .106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................. 115
ЛИТЕРАТУРА
125
5
ВВЕДЕНИЕ
В разработке элементной базы интегральной и волоконной оптики в настоящее время достигнуты значительные успехи* Достаточно полно изучены дисперсионные характеристики планарных и цилиндрических оптических волноводов, а также распределение полей и световые потоки, создаваемые в них поверхностными световыми волнами [1-Ш. Исследована возможность создания на основе фазовых рельефов различных функциональных элементов для волноводных систем обработки и передачи информации - как пассивных /линз, призм, волноводных каналов, дифракционных решеток, ответвителей, поляризаторов и т;д;/, так и активных /источников, модуляторов, управляемых дефлекторов, детекторов излучения и т.д./ [1-3,12-20]. Много внимания уделяется поискам материалов, пригодных для создания на их основе широкого класса функциональных элементов интегральной оптики, их интеграции на единой подложке, а также методам формирования волноводных структур и функциональных элементов волноводной обработки информации в данных материалах С21,221; В настоящее время для создания широкого класса устройств волноводной обработки и передачи информации наиболее перспективными считаются монокристаллические пленки полупроводниковых соединений АПВ* и АиЧ [23,24], пленки аморфных полупроводников [24], органических материалов [25], сегнето-электрических кристаллов 1261. Особое место в оптических системах волноводной обработки и передачи информации занимают светочувствительные волноводные структуры - такие, как халъкогенидные стеклообразные полупроводники [27] и органические фотохромные материалы [ 28]; Интерес к ним вызван в первую очередь их хорошими волноводными качествами [24,29,30], а также возможностью
6
формирования на их основе оптическими методами различных интегрально-оптических элементов [1-3,20,31-34].
При создании сложных функциональных схем в системах оптической обработки и передачи информации приборы интегральной оптики будут работать совместно с волоконными линиями, которые могут быть использованы как для соединения отдельных блоков, так и для реализации приборов на их основе /фильтров с временным согласованием, линий задержки и накопления сигналов и т.д./ [35,36]; Поэтому для практической реализации таких схем необходимо решить проблему эффективного оптического сочленения планарных волноводов друг с другом и с волоконными световодами [18,20,21,29,30,33,34]. Указанной проблеме посвящено большое число работ, в том числе обзорного характера [37,38]. В них изложены общие принципы оптической совместимости планарных и цилиндрических волноводов и основные методы связи - такие, как непосредственное возбуждение в торец и метод оптического туннелирования. Однако эффективных методов согласования до сих пор не разработано, что особенно остро чувствуется при создании волоконно-оптических линий связи, когда возникает необходимость в согласовании многомодовых световодов с интегрально-оптическими элементами обработки информации, которые, как правило, формируются в одномодовых канальных или планарных волноводных структурах.
Как показали исследования последних лет, волоконные световоды вполне способны заменить существующие коаксиальные кабельные системы связи и обеспечить скорость передачи данных в ближнем ИК диапазоне 50Мбит/с при использовании многомодовых волокон [39]; Минимальное затухание в оптичес-
7
ких волокнах, достигнутое в настоящее время, составляет 0,04 дБ/км и получено на длине волны 1,55мкм в кварцевом волокне, изготовленном методом осаждения из газовой фазы [40]. Скорость передачи информации по волоконным световодам ограничивается уширением импульсов, обусловленным материальной и мо-довой дисперсиями [41], а также деполяризацией излучения [42], вызванной наличием двулучепреломления, возникающего в результате различных технологических несовершенств волокна, а также в процессе работы /эллиптичность сечения сердцевины или оболочки, различия в коэффициентах их термического расширения, внешние давления, изгибы, микротрещины/ и снимающего вырождение между ортогонально-поляризованными модами [431; Как показали исследования [44-46], оптимизация профиля показателя преломления, использование маломодовых и одномодовых волокон позволяют снизить модовую дисперсию. Материальная дисперсия может быть устранена выбором длины волны лазерного излучения. Так, например, для кварцевых волокон точка "нулевой11 дисперсии лежит в области 1,27-1,32мкм [46];
Создание одномодовых волоконных световодов, способных сохранять линейную поляризацию излучения на значительных длинах, является весьма актуальной задачей [43-51]; Подобные одномодовые волоконные световоды могут найти широкое применение в различного рода оптических приборах: волоконных датчиках вращения [52], гидрофонах, приборах для измерения силы тока [53] и др;, а также при создании волоконно-оптических приборов в совокупности с интегрально-оптическими элементами. При решении этой задачи возможны два противоположных подхода. Первый предполагает создание одномодовых волоконных световодов с малой эллиптичностью сердцевины и обо-
8
лочки, малой их концентричностью и малой разностью коэффициентов термического расширения сердцевины и оболочки и т;д; При использовании этого подхода получены одномодовые волоконные световоды с длиной биения состояния поляризации 140м в видимой области спектра [54]. Второй подход, напротив, предполагает создание одномодовых волоконных световодов с сильным двулучепреломлением таким образом, чтобы возможно сильнее разнести постоянные распространения ортогонально-поляризованных мод и уменьшить тем самым связь между ними. В этом случае влияние различных воздействий на волоконные световоды - таких, как изгибы при намотке на барабан, сдавливание и скручивание при изготовлении кабеля и т.п. - значительно ослабляется по сравнению с одномодовыми волоконными световодами первого типа [48-51]. При втором подходе получены одномодовые волоконные световоды с длиной биения состояния поляризации 0,75мм в видимой области спектра [55].
Возможность достижения предельно низких оптических потерь и малой материальной дисперсии оптических волокон в ИК диапазоне делает весьма перспективным их применение для волоконно-оптических линий связи. При этом, как показывают оценки, расстояние мевду ретрансляторами может составлять величину ТОО-ЮООкм [56,57]. Важным является и то, что одномодовые оптические волокна ИК диапазона могут иметь диаметр сердцевины порядка нескольких десятков микрон, что упрощает проблему их стыковки, в том числе и с элементами интегральной оптики. Поэтому в последнее время интенсивно ведутся исследования по поиску новых материалов для оптических волокон, прозрачных в диапазоне 2-15мкм [57-59]. Одним из наиболее перспективных материалов для волоконно-оптических линий
- 9 -
связи являются халькогенидные стеклообразные полупроводники [58-61], которые обладают высокой прозрачностью в среднем ИК диапазоне и высокотехнологичны при вытяжке волокон [56,57]. При этом большое разнообразие возможных составов этого класса бескислородных стекол позволяет получать световоды с оптимальными оптическими свойствами для каждого конкретного их применения. Как показывают оценки [62], потери в стеклах
Аз'Э и Ав- Эе в диапазоне длин волн 5-6мкм могут
«•?
быть снижены до величины /2-ЗЛКГ^дБ/км. Кроме того, наличие эффекта оптической записи, на основе которого возможно формирование оптическими методами пассивных интегрально-оптических элементов в тонких пленках из данных материалов, позволяет ожидать, что оптическая запись будет иметь место и в оптических волокнах из данных материалов. Причем их пригодность в смысле формирования в них фазовых рельефов во многом будет определяться технологией их изготовления. В зависимости от условий синтеза и закалки можно получать аморфные структуры, различающиеся молекулярным составом, способом укладки молекулярных цепей, сеток и т.д. [63-66]. Таким образом, от скорости и температуры закалки оптических волокон из халькоге-нидных стеклообразных полупроводников будет зависеть их чувствительность к излучению и величина их возможных фотоинду-цированных изменений оптических констант [65]. Согласно проведенным исследованиям состава поверхности массивных стекол и пленок, поверхностный слой их обеднен халькогеном. Причем, как показано в [66], при экспонировании излучением лазера с длиной волны, примерно равной ширине запрещенной зоны, происходит некоторое выравнивание стехиометрии. Однако работ по изучению процессов формирования и по исследованию оптической
10
записи фазовых рельефов в оптических волокнах из халькогенид-ных стеклообразных полупроводников ранее не проводилось, хотя элементы на основе волноведущих каналов и дифракционных решеток, а также их комбинаций позволили бы в ряде случаев обойти либо решить ряд остростоящих перед интегральной и волоконной оптикой задач, например, таких как стыковка интегрально-оптических элементов обработки информации с волоконными линиями связи, увеличение информационной емкости волоконно-оптических линий связи, создание одномодовых градиентных волоконно-оптических трактов с оптимальными в зависимости от вида передаваемой по ним информации параметрами, и таким образом перейти к уровню более сложной интеграции элементов обработки и передачи информации, т.е. к созданию монолитных систем повышенной информационной емкости, надежности, экономичности и компактности;
Достижения в развитии оптических методов обработки информации, совершенствование источников оптического излучения, разработка элементов управления излучением и реверсивных сред позволяют вплотную подойти не только к проектированию отдельных узлов оптических систем обработки и передачи информации, но и сделать первые шаги по пути создания монолитных интегрально-оптических схем £33,34,67,683 и практической реализации интегрально-оптических процессоров различного функционального назначения в целом £69-773. Так, показана возможность, используя различные комбинации интегрально-оптических модуляторов и переключателей, производить основные логические операции процессоров либо при помощи планарных линз и акустических модуляторов осуществлять Фурье-анализ оптических сигналов £39, 73,74-80]; Основными преимуществами таких устройств являются
II
существенно более высокое быстродействие /более чем на три порядка/ и меньшая энергоемкость по сравнению с электронными процессорами [73];
Основными функциональными элементами интегрально-оптических устройств обработки информации могут являться волноводные линзы [81-88] и волноводные голограммы [89-92], Применение того или иного функционального элемента определяется в основном видом обрабатываемой информации, устройствами ввода и вывода, а также технологической совместимостью волноводного слоя, в котором он сформирован с другими активными и пассивными элементами волноводного процессора. Оптические устройства на волноводных линзах могут иметь более широкое применение благодаря тому, что их можно формировать практически на любом волноводе [82], хотя технология их изготовления сложна, поскольку требует высокоточной профилированной толщины волновода [83-87]. Однако использование волноводных голограмм может резко упростить архитектуру волноводного процессора, что вызывает особый интерес с точки зрения создания специализированных аналоговых интегрально-оптических процессоров и волноводных запоминающих устройств [90-931;
Первые предположения о возможности формирования волноводных голограмм в оптических волноводах были сделаны в работе [90]; Последующие экспериментальные исследования L89-92,94,951 показали возможность использования для этой цели волноводных мод и были посвящены изучению процессов записи волноводных голограмм в тех или иных волноводных слоях; В результате проведенных исследований разработаны четыре способа записи волноводных голограмм: на зоне связи [89,92], внешни-
12
ми [90] и волноводными [96] пучками, а также интерференционной картиной, образованной волноводной модой и лучом, падающим извне [94,95], в различных средах, обсужден ряд их возможных применений, например, для создания волноводных запоминающих устройств, стыковочных узлов, для измерения профиля показателя преломления волноводов и т.д;
При построении интегрально-оптических процессоров и запоминающих устройств очень остро встает вопрос волноводного материала, в котором одновременно возможно формирование волноводных голограмм, активных и пассивных интегрально-оптических элементов. В ранее опубликованных работах формирование волноводных голограмм поверхностными световыми волнами осуществлялось в волноводах из ниобата лития, легированного железом, и желатина, сенсибилизированного первоначально к используемой для записи длине волны. Однако при считывании в обоих случаях возникают искажения, вызванные малым временем жизни волноводных голограмм в II N603 [97], а также
усадкой желатиновых слоев после задубливания [96]; При считывании волноводных голограмм, сформированных внешними пучками, на зоне связи также возникают искажения из-за использования разноволновой методики записи и считывания, а также из-за того, что записанные голограммы оказываются нескорректированными от искажений фазового фронта в волноводе. Практическому использованию данных голограмм препятствуют также, во-первых, искажения, возникающие при считывании и сопровождающиеся падением интенсивности в восстановленном луче, во-вторых, неисследованность разрешающей способности голограмм и пути ее увеличения /уменьшения/ и, в-третьих, то, что оптимизация профиля показателя преломления волноводов с целью по-
- Київ+380960830922