Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время наблюдается значительный рогресс в развитии оптических линий связи. Волоконно-оптические систе-ы связи и системы связи, основанные на распространении оптических волн свободном пространстве, все чаще применяются для высокоскоростной птической передачи данных, передачи больших объемов информации и об-аботки информации в режиме реального времени. Устройства, используе-ые для оптических связей в подобных системах, такие как световоды, фото-риемники, источники излучения, имеют различную числовую апертуру, азмеры модового поля и площадь рабочей поверхности. Для эффективного оединения оптических волокон используются разъемы с миниатюрными инзами, позволяющими получить эффективное соединение волокон, имею-щх различные диаметры световедущей жилы и различные апертуры.
Оптические разъемы с микролинзами, позволяющими расширять и кол-имировать выходной пучок волокна, малочувствительны к боковому сме-іению и осевому зазору, однако угловое рассогласование приводит к росту отерь в разъеме. Благодаря расширению пучка, осуществляемому с помо-(ью микролинзы, разъемы такого рода оказываются также менее чувстви-ельными к пыли.
Планарные микролинзы позволяют согласовать характеристики всех лементов друг с другом и сохранить высокую эффективность связи. Іикролинза, объединенная с лазерным диодом, обеспечивает малую асходимость светового пучка и малые потери при вводе излучения в волновод. С помощью матриц микролинз создаются многоканальные оптические и оптоэлектронные переключатели.
Матрицы микролинз используются в системах оптической обработки информации для мультиплицирования изображения, LCD-мониторах и CCD-камерах. Жидкокристаллическая пленка в сочетании с микролинзами, обеспечивающими перераспределение света отраженного от экрана, позволяет повысить яркость и контраст жидкокристаллических дисплеев с отражением.
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.
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.
На основе матрицы микролинз может быть создан датчик волнового
фронта Шака-Гартмана. Применяются датчики Шака-Гартмана в адаптивної" оптике, когда необходимо исследовать изменения, вносимые в волновоГ фронт средой, например, для решения проблем связанных с улучшением снимков земли, полученных со спутников, которые искажаются флуктуациями атмосферы.
В настоящее время ведутся исследования по внедрению оптических соединений для обмена информацией внутри компьютерных систем межд; 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 собой, что позволяет минимизировать взаимные наводки соседних линий и внешние воздействия. Технология оптических соединений очень значительно превосходит технологию электрических соединений по производительности и плотности расположения каналов.
Таким образом, круг применения одиночных микролинз и матриц микролинз постоянно расширяется. Одновременно с этим появляются новые методы изготовления микролинз и различных устройств на их основе.
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.
Целью работы является проведение теоретических и экспериментальных работ, направленных на исследование и разработку интегрально-оптических микролинзовых структур в стеклах.
Для достижения указанной 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,
і его влияние на форму получаемых микролинз и их фокусирующие свойст-а;
-
Подобрать физико-технологические режимы изготовления диночных микролинз и матриц микролинз электростимулированной играцией ионов в стеклах с различной плотностью упаковки и оптическими араметрами;
-
Разработать, изготовить и исследовать матрицы микролинз в стеклах ля LCD -проекторов и датчиков волнового фронта Шака-Гартмана;
-
Разработать и исследовать многоканальный интегрально-оптический тветвитель (делитель) излучения на основе линейки микролинз.
Методы исследования базируются на основополагающих законах лектродинамики и оптики, вычислительной математики и использовании овременных информационных технологий. Для реализации численных асчетов и моделирования использовались пакеты программ Maple и Mathcad. асчет картины распространения оптического излучения базировался на іспользовании модифицированного численного FDTD-метода. Научная новизна полученных результатов.
В ходе проведенных исследований получены следующие новые езультаты:
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 электростимулированная миграция ионов и пространственное распределение потенциала для двух используемых экспериментальных схем изготовления микролинз.
-
Разработан новый способ изготовления микролинз, позволяющий изготавливать в стеклах одиночные микролинзы с различным Дп. В разработанном способе электростимулированная 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 формируемых микролинз.
-
Впервые выявлена закономерность влияния физико-технологических параметров миграции ионов в стеклянную подложку на оптические свойства формируемых микролинз в матрице.
-
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.
-
Предложено новое оптико-техническое решение, позволившее создать на основе линейки микролинз многоканальный микролинзовый интегрально-оптический 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 LCD-проекторах, CCD-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.
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 госуниверситета 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)
Защищаемые положения.
-
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.
-
Новый способ изготовления интегральных микролинз, позволяющий изготавливать одиночные микролинзы с различным изменением показателя преломления (An). В предложенном способе электростимулированная 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 формируемых микролинз.
-
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.
-
Интегрально-оптический делитель излучения, состоящий из канального волновода с закругленным торцом и ряда интегрально-оптических 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.
-
Оптимальные физико-технологические режимы изготовления одиночных интегральных микролинз и матриц интегральных микролинз в стеклах для различных применений (LCD-проектор, CCD-камера, датчик волнового фронта Шака-Гартмана, мультиплицирование изображений).
Достоверность н обоснованность результатов.
Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается фотографиями изготовленных микролинз, их фокальных пятен и интерференционных картин. Достоверность полученных в ходе математических расчетов результатов подтверждается результатами проведенных экспериментальных исследований изготовленных интегрально-оптических микролинзовых структур.
Личный вклад автора заключается в поиске способов решения поставленных задач и расчете конфигурации электрического поля, используемого в процессе изготовления как одиночных микролинз, так и матриц микролинз с плотной упаковкой, в 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.
Апробация работы. 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-12 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.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 155 печатных страниц, 75 рисунков и фотографий, 3 таблицы, список литературы, включающий 92 наименования.
