СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................5
1. ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ МИКРОЛИНЗ......................14
1.1. Физико-технологические принципы формирования микролинз
на поверхности подложек, торцах световодов и
полупроводниковых лазеров.............................14
1.2. Жидкокристаллические микролинзы....................24
1.3. Физико-технологические принципы формирования микролинз в стеклянных подложках методом миграцией ионов стимулированной электрическим полем.....................28
Выводы к главе 1...........................................33
2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОДИНОЧНЫХ МИКРОЛИНЗ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВАННОЙ МИГРАЦИИ ИОНОВ В СТЕКЛАХ...................................................35
2.1. Расчет конфигурации электрического поля в используемых схемах изготовления интегральных микролинз.............35
2.2. Разработка и исследование одиночных микролинз с использованием игольчатого катода......................51
2.3. Формирование и исследование одиночных микролинз с использованием игольчатого анода.......................54
2.4. Изготовление одиночных микролинз с использованием тонкопленочного катода.................................56
2.5. Разработка способа изготовления одиночных микролинз с различным Ап...........................................64
Выводы к главе 2..........................................67
3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТРИЦ МИКРОЛИНЗ С ПЛОТНОЙ УПАКОВКОЙ...........................................70
3.1. Расчет формы интегральных микролинз в матрицах микролинз, получаемых методом электростимулированной миграции ионов в стеклах..................................................71
3.2. Подбор физико-технологических режимов изготовления матриц микролииз с плотной упаковкой..............................75
3.3. Изготовление матриц микролинз с плотной упаковкой в стекле от фотопластин и исследование их свойств...................87
3.4. Разработка и исследование матриц интегральных микролинз для датчика волнового фронта Шака-Гартмана.................97
3.4.1. Исследование матрицы интегральных микролинз для датчика волнового фронта Шака-Гаргмана с помощью интерференционного микроскопа..........................102
3.5. Изготовление матриц цилиндрических микролинз и исследование их свойств...................................106
Выводы к главе 3...........................................114
4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНОГО МИКРОЛИНЗОВОГО ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ......................................116
4.1. Расчет ответвителя методом РОТБ....................120
4.1.1. Общая схема метода Р1УГО.......................120
4.1.2. Граничные условия..............................125
4.1.3. Введение источника поля возбуждения............131
4.2. Физико-математическая картина распространения оптического излучения в интегрально-оптическом ответвителе...........132
4.3. Изготовление и исследование интегрально-оптического ответвителя..............................................136
Выводы к главе 4...........................................140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................142
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........145
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В последнее время наблюдается значительный прогресс в развитии оптических линий связи. Волоконно-оптические системы связи и системы связи, основанные на распространении оптических волн в свободном пространстве, все чаще применяются для высокоскоростной оптической передачи данных; передачи больших объемов-информации и обработки информации в режиме реального времени. Устройства, используемые для оптических связей в подобных системах, такие как световоды, фотоприемники, источники излучения, имеют различную числовую апертуру, размеры модового поля и площадь рабочей поверхности; Для- эффективного соединения оптических волокон используются разъемы с миниатюрными линзами, позволяющими получить эффективное, соединение ВОЛОКОН;; имеющих различные диаметры световедущей жплы и различные апертуры [1-4];
Оптические разъемы. с микролинзами, позволяющими- расширять и коллимировать выходной пучок волокна, малочувствительны к боковому смещению и осевому зазору, однако угловое рассогласование приводит к росту потерь в разъеме. Благодаря расширению пучка, осуществляемому с помощью микролинзы, разъемы такого рода оказываются также менее чувствительными к пыли.
Планарные' микролинзы позволяют согласовать характеристики, всех-
элементов друг с другом и сохранить высокую ■ эффективность связи [5].
, ' ■ ’ / • « ' *. ' * •»
Микролинза, объединенная с лазерным диодом, обеспечивает малую-
расходимость светового пучка и малые потери при вводе' излучения в;
волновод [6]. С помощью матриц- микролинз создаются многоканальные
оптоэлектронные переключатели [7]! ■
Матрицы микролинз используются в системах оптической обработки
информации для мультиплицирования изображения, ЬСО-мониторах и ССО-
камерах. Жидкокристаллическая пленка в сочетании с микролинзами,
5
обеспечивающими перераспределение света отраженного от экрана, позволяет повысить яркость и контраст жидкокристаллических дисплеев с отражением [8].
Применение матриц микролинз позволяет значительно уменьшить размеры и упростить конструкцию миниатюрных аналитических систем, установок для фотолитографии, оптических нейронных сетей, включающих в себя большое количество лазеров, детекторов, фильтров и других оптических элементов, требующих высокоточного совмещения [9];
Помимо использования в микросистемах, матрицы* микролинз применяются для создания макроскопических оптических элементов. Например, используя систему согласованно работающих микролинз и корректирующих микропризм, можно изготовить собирающую мультилинзу для преломляющей рентгеновской и нейтронной ОПТИКИ [10];
Нас основе матрицы микролинз может быть создан датчик волнового фронта Шака-Гартмана;.Применяются-датчики Шака-Гартмана в адаптивной оптике, когда необходимо исследовать изменения, вносимые в волновой фронт средой; например, для решения проблем связанных с улучшением снимков земли, полученных со спутников, которые искажаются флуктуациями атмосферы [11].
В настоящее время ведутся исследования по- внедрению оптических соединений для. обмена информацией внутри компьютерных систем между блоками,' платами и внутри плат. Замена электрических шин оптическими внутри компьютерных систем, а также между блоками на печатных платах, позволяет существенно уменьшить задержки (оптические., сигналы распространяются« со скоростью света), - увеличить* ширину полосы, передаваемых сигналов до<100 ТГц, в отсутствии взаимодействия фотонов между собойчто позволяет минимизировать взаимные наводки соседних линий и внешние воздействия. Технология оптических соединений очень значительно превосходит технологию электрических соединений по производительности и плотности расположения каналов [12].
6
Одиночные микролинзы и матрицы микролинз можно изготавливать в стеклянных подложках методом электростимулированной миграции ионов. Однако до настоящего времени окончательно не выявлено влияние напряженности и формы стимулирующего электрического поля на оптические свойства создаваемых в стеклах одиночных микролинз и матриц микролинз. Подобные исследования были проведены лишь при создании интегрально-оптических многомодовых волноводов, получаемых в стеклах электростимулированной миграцией ионов.
В связи с вышеизложенным, разработка физико-технологических принципов создания интегрально-оптических микролинзовых структур в стеклах с заданными свойствами является весьма актуальной.
Целыо работы является проведение теоретических и экспериментальных; работ, направленных на исследование и; разработку интегрально-оптических микролинзовых структур в стеклах. .
Для; достиженияуказанной;' цели необходимо^ решить следующие* задачи: *. ’ .
1) Провести анализ существующих физико-технологических
принципов формирования оптических микролинз на поверхности подложек, внутри подложек, торцах световодов и полупроводниковых лазеров, а также жидкокристаллических микролинз, выявить их достоинства и недостатки.
2) Провести расчет конфигурации электрического поля,
используемого в процессе изготовления как одиночных микролинз, так. и матриц микролинз, и его влияние на форму получаемых микролинз и их фокусирующие свойства:
3) Подобрать физико-технологические режимы изготовления
одиночных микролинз и матриц микролинз« электростимулированной миграцией ионов в стеклах с различной плотностью упаковки и оптическими параметрами.
4) Разработать, изготовить и исследовать матрицы микролинз в стеклах для LCD -проекторов и датчиков волнового фронта Шака-Гартмаиа.
5) Разработать и исследовать многоканальный интегрально-
оптический ответвитель (делитель) излучения на основе линейки микролинз. [Методы исследования базируются на основополагающих законах
электродинамики и оптики, вычислительной математики и использовании современных информационных технологий. Для реализации численных расчетов и моделирования использовались пакеты программ Maple и Mathcad; Расчет картины распространения^ оптического излучения
базировался на использовании модифицированного численного FDTD-метода.
Научная новизна полученных результатов» В ходе проведенных исследований получены следующие новые результаты:
1) Проведен расчет конфигурации электрического поля, используемого в процессе изготовления как одиночных микролинз, так и матриц микролинз, и выявлено.. его-, влияние на* форму получаемых; микролинз« и-, их фокусирующие • свойства.. В: результате численных расчетов, получены картины силовых линий электрического поля, вдоль которых осуществляется> электростнмулированная миграция ионов и пространственное распределение потенциала для двух используемых экспериментальных схем изготовления микролинз.
2) Разработан новый способ изготовления микролинз, позволяющий изготавливать в стеклах одиночные микролинзы с различным Дп. В» разработанном способе электростимулироваиная миграция- ионов серебра в-стеклянную • подложку осуществляется из анода, выполненного- в виде капилляра, заполненного расплавом солей, содержащих ионы«.'серебра;, с погруженным в него положительным: электродом, и имеющего: контакт с поверхностью стеклянной . пластинки. • Поскольку расплав солей,, заполняющий капилляр, может содержать различное соотношение ионов серебра и натрия, то получаемые микролинзы будут иметь различный показатель преломления, что приводит к формированию микролинз с различным соотношениям между фокусным расстоянием и диаметром
8
формируемых микролинз.
3) Впервые выявлена закономерность влияния физикотехнологических параметров миграции ионов в стеклянную подложку на оптические свойства формируемых микролинз в матрице.
4) Разработан новый способ получения в стеклах матриц интегральных микролинз с плотной упаковкой без нарушения их сферичности, что в итоге обеспечивает более эффективное фокусирование света, падающего на матрицу.
5) Предложено новое техническое решение, позволившее создать на основе линейки микролинз многоканальный микролинзовый интегральнооптический делитель (ответвитель) излучения, выводящий излучение через поверхность подложки, что дает возможность располагать приемники сигналов непосредственно на поверхности подложки в оптических схемах, предназначенных для^ обмена информацией внутри компьютерных систем между блоками, платами:и-внутри плат.
Практическая значимость полученных результатов связана с их научной новизной и состоит в возможности применения разработанных физико-технических и технологических решений, а также результатов экспериментальных исследований при создании одиночных микролинз и матриц микролинз в стеклах, предназначенных для широкого применения в различных оптических и оптоэлектронных устройствах.
Приведенные в диссертации исследования позволили создать в стеклах одиночные микролинзы и матрицы микролинз с плотной упаковкой, которые могут быть использованы в ЬСр-проекторах, ССЭ-камерах и датчиках волнового фронта Шака-Гартмана. Разработанный многоканальный микролинзовый интегрально-оптический делитель излучения, позволяющий не только делить и разветвлять излучение, но и выводить его на поверхность подложки можно применять для реализации оптических или оптоэлектронных межсоединений в компьютерных системах.
9
Работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ по теме «Исследование физических процессов формирования массивов микролинз в стекле с высокой плотностью интеграции» регистрационный № 1.3.05-2005, а также «Исследование и разработка режимов изготовления интегрально-оптических элементов», проводимых на кафедре оптоэлектроники Кубанского госуиивсрситета в период с 2005 по 2008 г.г. по Программе «Старт» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере им. Бортника. № гос. регистрации 0120.0604106, (государственный контракт № 3620р/6061 от 26 декабря 2005 г)
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах физико-технического факультета и кафедры оптоэлектроники КубГУ, на Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика-2005», Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005 г., на Всероссийских, научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-121 Новосибирск 2006 г., ВНКСФ-13 Ростов-на-Дону, Таганрог 2007 г., ВНКСФ-14 Уфа 2008 г.), на 9-м международном симпозиуме по измерительным технологиям и интеллектуальному приборостроению, Санкт-Петербург 2009 г. Основной материал диссертации опубликован в 7 работах в виде научных статей, тезисов докладов, а также в 4 патентах на изобретения.
Защищаемые положения.
1. Методика расчета конфигурации электрического поля, используемого в процессе изготовления’ как одиночных микролинз, так и матриц микролинз с плотной упаковкой, и его влияния на,форму получаемых микролинз и их фокусирующие свойства.
2. Новый, способ изготовления интегральных микролинз, позволяющий изготавливать одиночные микролинзы с различным изменением показателя преломления (Дп). В предложенном способе электростимулированная миграция ионов серебра в стеклянную подложку осуществляется из анода, выполненного в виде капилляра, заполненного
10
расплавом солей, содержащих ионы серебра, с погруженным в него положительным электродом, и имеющего контакт с поверхностью стеклянной пластинки. Поскольку расплав солей, заполняющий капилляр, может содержать различное соотношение ионов серебра и натрия, то получаемые микролинзы будут иметь различный показатель преломления, что приводит к формированию микролинз с различным соотношениям между фокусным расстоянием и диаметром формируемых микролинз.
3. Новый способ изготовления интегральных микролинз, позволяющий получать в стекле матрицы микролинз с плотной упаковкой без нарушения их сферичности, заключающийся в том, что отверстия круглой формы в маскирующем слое располагаются квадратно-гнездовым способом на расстоянии 3-5 диаметров самих отверстий, а электростимулированная миграция через отверстия в маскирующем слое проводится до тех пор, пока не произойдет полное слияние границ соседних микролинз. ' •
4. Интегрально-оптический делитель излучения, состоящий из канального волновода с закругленным торцом и ряда интегральнооптических микролинз, расположенных вдоль оптической оси волновода. Такое расположение интегрально-оптических микролинз позволяет осуществлять контролируемое ответвление оптического излучения и вывод его через поверхность подложки. Разработанный интегрально-оптический ответвитель с одной стороны будет выполнять роль аттенюатора, поскольку излучение; выходящее из каждой, последующей линзы будет меньше предыдущего, а с другой стороны такое устройство можно использовать и как разветвитель для подачи оптического сигнала одновременно на несколько приемников, расположенных непосредственно на поверхности подложки.
5. Оптимальные физико-технологические режимы изготовления одиночных интегральных микролинз и матриц интегральных микролинз в стеклах для различных применений (ЬСИ-проектор, ССЭ-камера, датчик
11
волнового фронта Шака-Гартмана, мультиплицирование изображений).
Личный вклад соискателя заключается в поиске способов решения поставленных задач, расчете конфигурации электрического поля,
используемого в процессе изготовления как одиночных микролинз, так и матриц микролинз с плотной упаковкой, разработке новых способов изготовления одиночных микролинз и матриц микролинз с плотной упаковкой, в подборе оптимальных физико-технологических режимов изготовления интегрально-оптических микролинзовых структур и
исследования их оптических свойств, в разработке и исследовании интегрально-оптического делителя излучения на основе микролинз.
Объем н структура диссертации Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения и списка использованных источников.
Первая глава представляет собой, литературный обзор, в котором описаны и проанализированы физико-технологические принципы
формирования микролинз и матриц микролинз на поверхности подложки, внутри подложки, на торцах волноводов, и полупроводниковых лазеров, а также их параметры. Особое внимание уделено изготовлению микролинз и матриц микролинз электростимулированной миграцией ионов, позволяющей получать микролинзы с различными параметрами непосредственно в стеклянных подложках.
Вторая глава посвящена исследованию и разработке одиночных микролинз, получаемых методом электростимулированной миграции ионов в стеклах. В ней представлен расчет конфигурации стимулирующего электрического поля, системы точечный заряд - проводящая плоскость, возникающего при проведении электростимулированной миграции ионов в процессе изготовления одиночных микролинз. В этой главе подробно изложено изготовление одиночных микролинз в стеклах с использованием различных способов приложения стимулирующего электрического поля, а также методика измерения оптических параметров полученных микролинз. Предложен новый способ изготовления одиночных микролинз с различным
12
Дп, что позволяет получать различные соотношения между фокусным расстоянием и диаметром формируемых микролинз.
В третьей главе представлено исследование и разработка матриц микролинз с плотной упаковкой для различных применений. Проведен расчет формы интегральных микролинз в матрицах, получаемых методом электростимулированной миграции ионов в стеклах. Проведен подбор физико-технологических режимов изготовления матриц сферических и цилиндрических- микролинз: с плотной упаковкой И‘ высокими
фокусирующими свойствами для ПСП-проекторов, датчиков волнового фронта Шака-Гартмана, для мультиплицирования изображения и получения стереоизображения. Предложен новый способ изготовления матриц микролинз, позволяющий получать в стеклах матрицы микролинз с плотной упаковкой без нарушения их сферичности.
Четвертая глава посвящена исследованию и:разработке многоканального- . . микролинзового интегрально-оптического ответвителя (делителя) излучения. Подробно изложен расчет ответвителя: РШТ) методом;, и физико-математическая картина распространения оптического излучения в интегрально-оптическом ответвителе, а также изготовление и исследование интегрально-оптического ответвителя (делителя) излучения. Предложена новая конструкция интегрально-оптического делителя излучения на основе микролинз, позволяющего выводить оптическое излучение через поверхность подложки, на которой, он сформирован, для обеспечения удобного- и надежного крепление приемников излучения; который' может быть использован в межсоединениях внутри компьютерных систем, между : блоками и на печатных платах, при замене электрических шин оптическими:
* Диссертациям содержит 155 печатных страниц, 75 рисунков и фотографий, 3 таблицы, список используемых источников, включающий 92 наименования.
13
- Київ+380960830922