Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Интегральный акустооптический спектроанализатор 17
1.1. Введение 17
1.2. Оптимизация параметров функциональных элементов интегрального акустооптического спектроанализатора 20
1.2.1. Материалы для интегральной акустооптики 20
1.2.2. Волноводные линзы 23
1.2.2.1. Расчет параметров геодезической линзы с учетом ее аберраций 24
1.2.2.2. Компенсация аберраций геодезических линз 28
1.2.2.3. Изготовление асферических геодезических линз 32
1.2.2.4. Исследование характеристик асферических геодезических линз 34
1.2.3. Оптимальные конструкции преобразователей для широкополосного возбуждения поверхностных акустических волн 37
1.2.3.1. Устройства возбуждения поверхностных акустических волн 37
1.2.3.2. Эквидистантные и дисперсионные встречно-штыревые преобразователи 38
1.2.3.3. Экспериментальное исследование характеристик брэгговских ячеек с эквидистантными и дисперсионными преобразователями 41
1.2.4. Интеграция элементов гибридного акустооптического спектроанализатора..43
1.2.4.1. Стыковка оптического волновода с полупроводниковым лазером. Эффективность торцевого возбуждения оптических волноводов 43
1.2.4.2. Экспериментальное исследование торцевой стыковки полупроводникового лазера с планарным оптическим волноводом 49
1.2.4.3. Крепление полупроводникового лазера к торцу подложки 55
1.2.5. Стыковка оптического волновода с линейкой фотоприемников 56
1.2.5.1. Разработка градиентного волноводного элемента связи 57
1.2.5.2. Крепление линейки фотоприемников к торцу подложки 64
1.3. Разработка гибридного интегрально-оптического спектроанализатора 65
1.3.1. Частотное разрешение интегрального акустооптического спсктроанализатора 65
1.3.2. Оценка динамического диапазона интегрального акустооптического спектроанализатора 72
1.3.3. Экспериментальное исследование прототипа интегрального акустооптического спектроанализатора 77
1.4. Интегральные акустооптические спектроанализаторы с улучшенными характеристиками 85
1.4.1. Исследование возможности увеличения скорости вывода данных из интегрального акустооптического спектроанализатора 85
1.4.2. Интегральный акустооптический спектроанализатор с матричным фотоприемником. Метод открытой строки 89
1.4.3. Методы увеличения частотного разрешения интегрального спектроанализатора 92
1.4.4. Перспективные области применения интегральных акустооптических устройств 96
1.4.5. Исследование оптического вей влет-процессора 98
1.4.5.1. Вейвлет-нреобразование 99
1.4.5.2. Разработка и экспериментальное исследование акустооптоэлектронного вей влет-процессора 102
1.4.5.2.1. Математическая модель оптического вейвлет-процессора 102
1.4.5.2.2. Экспериментальное исследование 107
1.4.5.3. Перспективы развития оптических вейвлет-процессоров 111
1.4.5.3.1. Пути улучшения характеристик оптических вейвлет-процессоров за счет использования ПЗС-фотоприемников 112
1.4.5.3.2. Возможности построения оптического вейвлет-процессора на основе коррелятора с интегрированием по времени 114
1.4.5.4. О возможности создания интегрально-оптического вейвлет-процессораї 16
Выводы к главе 117
Глава 2. Интегральные электрооптические устройства 119
2.1. Особенности электрооптического взаимодействия в оптических волноводах 120
2.2. Интегральные электрооптические модуляторы, переключатели и устройства на их основе 125
2.2.1. Модуляторы на основе полного внутреннего отражения 125
2.2.2. Сравнение методик расчета параметров модуляторов ПВО 132
2.2.3. Расчет параметров многоэлектродных модуляторов ПВО 134
2.2.4. Экспериментальное исследование макета модулятора ПВО на основе планарного волновода 138
2.2.5. Экспериментальное исследование модуляторов ПВО на основе пересекающихся полосковых волноводов 140
2.2.6. Исследование возможностей создания ретранслятора для ВОЛС на основе гибридного бистабильного элемента 144
2.3. Модуляторы на основе одномодовых полосковых волноводов 150
2.3.1. Модулятор типа интерферометра Маха-Цендера 150
2.3.2. Экспериментальное исследование макета интерферометрического модулятора 153
2.3.3. Исследование макета фазометра радиосигналов и схемы совпадения видеоимпульсов 155
2.3.4. Модулятор на основе связанных полосковых волноводов 160
2.4. Интегральный электрооптический дефлектор 162
2.5. Передающие устройства для волс на основе интегрально-оптических модуляторов 168
2.5.1. Стыковка полупроводниковых лазеров и оптических волокон с интегрально-оптическим модулятором 169
2.5.2. Исследование макета передающего модуля для многомодовых ВОЛС 171
2.5.3. Исследование макета передающего модуля для одномодовых ВОЛС 175
Выводы к главе 178
Глава 3. Исследование функциональных интегрально-оптических элементов и устройств на основе периодических структур 180
3.1. Исследование волноводных устройств оптической памяти 181
3.1.1. Исследование устройства оптической памяти на основе фазовой периодической Структуры В ПЛеНКе AS2S3 182
3.1.2. Исследование устройства оптической памяти на основе фазовой периодической структуры в пленке фоторезиста 188
3.2. Коллинеарные элементы ввода-вывода излучения из оптического волновода 195
3.3. Исследование макета интегрально-оптического расширителя пучка 204
3.4. Интегрально-оптический спектральный разуплотнитель на основе диффузионных структур 208
Выводы к главе 213
Глава 4. Разработка методик изготовления и исследования характеристик оптических волноводов 215
4.1. Разработка методики изготовления и исследование характеристик оптических волноводов на основе ниобаталития 215
4.1.1. Изготовление оптических волноводов методом обратной диффузии 216
4.1.2. Изготовление оптических волноводов диффузией металла 218
4.1.3. Исследование полосковых волноводов 230
4.1.4. Исследование влияния фоторефрактивного эффекта 236
4.2. Разработка методики изготовления и исследования характеристик оптических волноводов в стекле 237
4.3. Исследование буферных слоев 244
Выводы к главе 247
Заключение 248
Список литературы 251
- Оптимизация параметров функциональных элементов интегрального акустооптического спектроанализатора
- Интегральные электрооптические модуляторы, переключатели и устройства на их основе
- Коллинеарные элементы ввода-вывода излучения из оптического волновода
- Разработка методики изготовления и исследования характеристик оптических волноводов в стекле
Введение к работе
Диссертация обобщает результаты теоретико-экспериментальных исследований и методов создания интегрально-оптических функциональных устройств для оптоэлек-тронных систем обработки информации.
Актуальность темы диссертации определяется тем, что развитие современных информационных технологий в связи со стремительным ростом объемов обрабатываемой информации требует создания и развития новых средств и алгоритмов обработки информации. Несмотря на значительные достижения современной цифровой микроэлектроники существуют задачи, которые не могут быть решены, особенно в режиме реального времени, только средствами цифровой электроники. Так обстоит дело, например, в отношении систем, реализующих те или иные виды интегральных преобразований в реальном времени. В этой области роль аналоговых процессоров сохраняется и сохранится, по всей видимости, в обозримом будущем. Таким образом, сбалансированное сочетание методов и средств цифровой и аналоговой обработки информации - путь развития современных и перспективных информационных систем.
В значительной мере такой тенденции развития информационных систем отвечают оптоэлектронные системы передачи, обработки и хранения информации. Оптоэлектрон-ные процессоры сочетают возможность оптики, электроники и цифровой техники.
Наиболее перспективными направлениями оптоэлектроники, с точки зрения проблем обработки, передачи и хранения информации, являются средства оптической вычислительной техники и волоконно-оптические системы связи (ВОСС). Успехи, достигнутые в области создания устройств и систем оптоэлектронной обработки информации, настолько заметны, что перспективность этого направления уже не может оспариваться. Основные преимущества оптических методов обработки информации: высокая степень параллелизма вычислений, малое время выполнения операций над двухмерными массивами информации, возможность выполнения за один такт работы оптического процессора таких интегральных преобразований, как преобразование Фурье, Френеля, Лапласа, Гильберта, корреляции, свертки. Однако, оптические процессоры - аналоговые устройства с относительно ограниченными функциональными возможностями. В связи с этим, сочетание оптических и цифровых электронных вычислительных средств при решении тех или иных задач может дать и дает результаты, недостижимые каждым из этих средств отдельно.
Не менее значимыми проблемами информационных технологий являются задачи передачи (и сбора) больших объемов информации, в том числе, передачи широкополосных и сверхширокополосных сигналов. С момента появления в 80-х годах прошлого века оптического волокна (ОВ) с требуемыми характеристиками стали бурно развиваться волоконно-оптические системы связи (ВОСС) - магистральные, локальные; волоконно-оптические системы сбора информации - волоконно-оптические датчики.
В настоящее время ВОСС со спектральным уплотнением каналов могут осуществлять передачу информации со скоростью около 5 Тбит/с, а длина регенерационной секции достигает 600-700 км [253].
Возможности оптоэлектронных систем обработки и передачи информации могут быть реализованы только при наличии соответствующей элементной базы. В этой связи важнейшее значение имеют исследования и разработки в области специальной элементной базы, обеспечивающей преобразование электрических сигналов в оптические (и наоборот) и возможность обработки информации на оптическом уровне. В связи с этим большой научный и практический интерес представляют функциональные элементы и устройства интегральной оптики.
Интегральная оптика - новая область радиофизики и квантовой электроники, изучающая плоские оптические волноводы и волноводиые функциональные устройства на их основе с целью создания нового поколения оптоэлектронных функциональных устройств и элементов аналогичных объемным устройствам или принципиально новых, не имеющих аналогов ни в оптике, ни в оптоэлектронике [255]. Результаты исследований в области интегральной оптики, имеющиеся в настоящее время, настолько многообещающи, что даже на существующем уровне их практической реализации открываются новые возможности для решения задач обработки сигналов и техники связи. В настоящее время, например, достаточно широко применяются в ВОСС широкополосные и сверхширокополосные (2.5-40 ГГц) интегральные электрооптические модуляторы света, ведутся разработки устройств с полосой до 100 ГГц [254].
Существующий большой практический интерес к разработке интегрально-оптических функциональных устройств и элементов связан с рядом их преимуществ: большой полосой рабочих частот, малым весом и габаритами (примерно на один-два порядка меньше объемных аналогов), малым энергопотреблением, повышенной надежностью, сравнительной простотой стыковки интегрально-оптических схем с оптическим волокном.
Современный этап развития средств интегральной оптики характеризуется созданием реальных промышленных функциональных устройств. Однако решение этой зада-
8 чи оказывается сложным и неоднозначным прежде всего из-за большого разнообразия как функций, выполняемых интегрально-оптическими устройствами, так и возможных конструктивных решений, используемых материалов и применяемых методов изготовления. Определение областей применения и методов создания интегрально-оптических компонентов требует выполнения комплекса работ по выявлению физических свойств и технологических возможностей изготовления базовых волповодных элементов и узлов интегральной оптики. При этом принципиальными оказываются вопросы наибольшей простоты и наименьшей стоимости технологических процессов, обеспечивающих высокую повторяемость характеристик устройств и возможность их массового производства. К настоящему времени имеются заметные результаты, связанные с решением рассматриваемых проблем, однако многие вопросы в этой области еще требуют дальнейшей проработки.
Целью диссертационной работы является развитие нового перспективного направления, связанного с созданием физических основ технологии и методов создания функциональных элементов и устройств интегральной оптики для систем оптоэлектронной обработки, передачи и хранения информации и в рамках этого направления:
определение концептуальной модели гибридного интегрального акустооптоэлек-тронного спектроанализатора радиосигналов, теоретический анализ его параметров, определение путей оптимизации параметров элементов, входящих в его структуру и разработка методов интеграции их в единое устройство. Проверка адекватности расчетных методик физическому эксперименту;
на основе теоретического анализа волноводного электрооптического взаимодействия в ниобате лития разработка методов создания ряда функциональных электрооптических элементов и устройств для модуляции, коммутации световых потоков в ВОСС, а также некоторых электрооптических устройств обработки информации. Практическая реализация и экспериментальное исследование этих устройств;
теоретическое и экспериментальное исследование интегрально-оптических устройств и элементов с периодическими структурами с целью совершенствования методов изготовления периодических структур в оптических волноводах, выявления особенностей каналирования света в таких волноводах и создания лабораторных макетов ряда устройств на их основе;
разработка новых и совершенствование известных методов создания планарных и полосковых волноводов в подложках из кристалла ниобата лития и стекла, разра-
9 ботка расчетных и экспериментальных методик оценки параметров таких волноводов и выявление их физических свойств. Научная новизна диссертационной работы определяется следующими основными новыми результатами, полученными при решении поставленной задачи:
1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований создан
прототип гибридного интегрального акустооптического спектроанализатора (ИАОС)
(защищен авторским свидетельством).
Разработана методика расчета ИАОС и функциональных элементов, входящих в его структуру, в том числе геодезических линз, свободных от аберраций. Получены соотношения, определяющие эффективность торцевого ввода светового излучения в оптический волновод. Впервые создан и исследован градиентный волноводный элемент связи, позволяющий формировать заданную диаграмму направленности светового излучения, выводимого из оптического волновода.
Теоретически и экспериментально определены пути улучшения характеристик ИАОС, в том числе: показана возможность увеличения скорости вывода данных из ИАОС, рассмотрены методы увеличения разрешающей способности по частоте созданного прототипа ИАОС.
Теоретически и экспериментально обоснована возможность построения принципиально нового типа оптоэлектронных процессоров, базирующихся на новом математическом методе вейвлет-анализа, оптических (акустооптических) вей влет-процессоров, позволяющих проводить локальный спектральный анализ сигналов, в том числе определять локальные неоднородности сигналов. Создана и исследована лабораторная модель акустооптоэлектронного вей влет-процессора на основе объемного акустооптического модулятора. Рассмотрен возможный метод построения интегрального акустооптоэлектронного вейвлет-спектроанализатора.
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по определению и физическому обоснованию возможности и особенностей применения интегральных электрооптических устройств для модуляции и коммутации в ВОСС и в системах оптической обработки информации. При этом:
Проведен теоретический анализ волноводного электрооптического взаимодействия, получены удобные для проведения численных расчетов соотношения. Теоретически обоснована и экспериментально исследована модель электрооптического модулятора полного внутреннего отражения (ПВО). Разработан и исследован макет гибридного бистабилыюго устройства на основе этого модулятора, экспериментально продемонстрированы различные режимы его работы: оптической памяти, оптического транзи-
10 стора. Разработана оригинальная модель оптического ретранслятора на основе модулятора ПВО (защищена авторским свидетельством).
Разработана методика изготовления волноводного интерферометрического модулятора типа Маха-Цендера, выявлены особенности изготовления, дана их физическая интерпретация. С точки зрения практических применений такого модулятора большее внимание уделено макетам устройств, которые могут найти применение в системах оптической обработки информации: был изготовлен и исследован макет фазометра радиосигналов, схема совпадения видеоимпульсов.
Изготовлен и исследован электрооптический модулятор на основе связанных полос-ковых оптических волноводов.
Изготовлены и исследованы макеты призменных электрооптических дефлекторов для применения в качестве многопозиционных переключателей в ВОСС. Теоретически и экспериментально обоснованы методики, позволяющие увеличить динамический диапазон дефлектора и оптимизировать его аберрационные характеристики. Разработаны и исследованы макеты передающих модулей для ВОЛС на одномодо-вых и многомодовых волокнах.
4. Разработаны и исследованы интегрально-оптические элементы с периодическими
структурами.
Выполнен расчет и экспериментальное исследование дифракции каналируемого излучения на периодических структурах, сформированных в различных средах. Разработана и реализована методика формирования голографическим способом дифракционных структур и разработана методика динамического контроля их параметров в процессе экспонирования и проявления.
Изготовлены и исследованы лабораторные макеты интегрально-оптических устройств: оптической памяти, разуплотнителя спектральных каналов для ВОЛС; элементов ввода-вывода светового излучения в оптический волновод с аподизацией фронта световой волны; компактного дифракционного интегрально-оптического коллиматора излучения полупроводникового лазера, обеспечивающего распределения интенсивности света по апертуре сколимированного пучка близкие к гауссов-скому, равномерному и экспоненциальному.
5. Разработаны физические модели процессов, проведены расчеты, предложены и реа
лизованы методики формирования оптических волноводов, отвечающих требовани
ям интегральной оптики. При этом:
Разработаны новые простые и экономичные методики формирования планарных и полосковых волноводов, образованных диффузией ионов из расплава нитрата калия,
из расплавов смесей различных нитратов и диффузией ионов из расплава нитрата калия с последующим отжигом в стекле К8.
Модифицированы и упрощены методы формирования оптических волноводов в нио-бате лития за счет обратной диффузии окиси лития и прямой диффузии из пленки металлического титана в потоке атмосферного воздуха (защищено авторским свидетельством). Исследованы профили распределения титана в планарных диффузионных волноводах, сформированных в Y- и Z-срезах ниобата лития и определены коэффициенты диффузии в этих направлениях. Измерены коэффициенты боковой диффузии титана в подложках из ниобата лития Y- и Z-срезов. Исследованы методики формирования буферных (подэлектродных) диэлектрических слоев.
Научная значимость диссертационной работы определяется тем, что в рамках проведенного цикла теоретических и экспериментальных исследований и разработок заложены и развиты основы нового научного направления - методов создания оптоэлектрониых устройств интегральной оптики. На основе единых методов формирования, диагностики и расчета волноводных структур разработаны новые типы оптоэлектрониых процессоров и функциональных устройств для аналоговой обработки сигналов и управления параметрами светового излучения в ВОСС. Выявленные особенности создания функциональных устройств и процессоров носят общий характер и могут быть применены при создании разнообразных устройств интегральной оптики. Полученные в работе результаты будут стимулировать дальнейшее развитие методов и средств оптоэлектрониых информационных технологий.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты могут быть непосредственно использованы при разработке интегрально-оптических функциональных устройств для систем оптической обработки информации, волоконно-оптических систем связи и подсистем контроля параметров ВОСС, а также волоконно-оптических датчиков различной конфигурации (локальных или распределенных) и назначения.
Значительная часть результатов, полученных в диссертационной работе, непосредственно использована при выполнении 10 научно-исследовательских работ, проводившихся на кафедре квантовой электроники СПбГПУ совместно с учреждениями РАН (АН СССР) - ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ряда отраслевых институтов и предприятий: п/я А3390 (г. Москва), в/ч 33872 (г. Воронеж), п/я Г-4173 (г. Ленинград), п/я Г-4816 (г. Ленинград), п/я Г-7438 (г. Ленинград) и некоторых других. Автор являлся научным руководителем
этих работ.
Публикации. Полный список печатных работ автора 137 наименований. Материалы диссертационной работы опубликованы в 86 печатных трудах, в том числе 5 авторских свидетельствах на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах СПбГПУ, НПО «Оптика» (г.Москва), в/ч 33872 (г.Воронеж), п/я А3390 (г.Москва), а также докладывались на следующих конференциях:
III Всесоюзной школе по оптической обработке информации. Рига. - 1980.
Международной школе по когерентной оптике и голографии. Прага. - 1980.
1 -ой Всесоюзной конференции по радиооптике. Фрунзе. - 1981.
III, IV, V, VI региональных семинарах «Оптические и оптоэлектронныс устройства обработки информации и управление технологическими процессами». Краснодар. -1981,1982,1983,1984.
Всесоюзной конференции по прикладной физике. Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле. Хабаровск. - 1981.
III Всесоюзной конференции «Оптика лазеров». Ленинград. - 1982.
Всесоюзной конференции по голографии и оптической обработке информации. Ереван.-1982.
IX школе-семинаре «ПАВ в твердых телах». Новосибирск. - 1982.
Всесоюзном научно-техническом совещании «Измерительные устройства на диэлектрических волноводах оптического диапазона». Могилев. - 1983.
XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике. Саратов. -1983.
IV Всесоюзной конференции «Оптика лазеров». Ленинград. - 1984.
Республиканском совещании «Функциональные оптико-электронные элементы и устройства для аппаратуры средств связи». Минск. - 1984.
V Всесоюзной школе по оптической обработке информации. Киев. - 1984.
XVII Всесоюзной конференции «Радиоастрономическая аппаратура». Ереван. - 1985.
VI Всесоюзной школе-семинаре по оптической обработке сигналов. Фрунзе. - 1986.
V Всесоюзной конференции «Оптика лазеров». Ленинград. - 1987.
1-ой Всесоюзной конференции по оптической обработке информации. Ленинград. -1988.
Всесоюзной НТК «Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах». Тбилиси. - 1988.
НТК «Акустооптика в физике и технике». Ленинград. - 1989.
School-Seminar «Acoustooptics Researches and Developments». Leningrad. - 1990.
First International Fiber Optical Conference. Leningrad. - 1991.
VIII региональном семинаре-совещании «Оптические и оптоэлектронные методы обработки информации и управление техническими объектами». Краснодар. - 1990.
IV Всероссийской научно-методической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах». Санкт-Петербург. - 2000.
12-й межвузовской НТК «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы подготовки специалистов». Петродворец. -2001.
Конференции «Лазеры, измерения, информация». Санкт-Петербург. - 2001.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 268 стр., в том числе 119 стр. с рисунками. Список литературы включает 255 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту.
Предложенная концепция создания гибридного интегрального акустооптического сиектроанализатора и ее практическая реализация позволяют создавать устройства применимые в реальных системах обработки сложных широкополосных и сверхши-рокополоспых радиосигналов. Разработанный набор методик создания и расчета параметров элементов, входящих в структуру спектроанализатора: элемента ввода светового излучения в оптический волновод, двухмерного градиентного элемента вывода светового излучения из оптического волновода, безаберрационных (с малыми аберрациями) волноводных геодезических линз, широкополосных встречно-штыревых пьезопреобразователей - позволяет изготавливать эти элементы с хороню прогнозируемыми характеристиками и использовать подобные элементы при создании широкого ряда иных интегральных оптоэлектронных устройств.
Разработанные и развитые расчетные и экспериментальные методы оптимизации характеристик предложенного прототипа спектроанализатора позволяют: увеличить его быстродействие за счет применения матричного фотоприемника или быстродействующего одиночного фотоприемника; увеличить частотное разрешение спектроанализатора путем реализации схемы с интегрированием по времени, модификации элементов спектроанализатора.
Предложенная концепция и экспериментальная реализация акустооптоэлектропиого вейвлет-процессора позволяют создавать принципиально новый тип оптоэлектрон-ных процессоров хорошо адаптированных, в частности, для анализа внутренней частотно-временной структуры сложных радиосигналов. При этом развитые в работе методики создания интегрально-оптических элементов позволяют реализовывать гибридный интегральный вариант оптоэлектронного вейвлет-процессора, что может заметно расширить области применения методов и средств интегральной оптики в информационной оптоэлектронике.
Разработанные и развитые методики расчета и создания интегральных электрооптических функциональных элементов и устройств позволяют создавать ряд новых функциональных устройств для систем оптической обработки сигналов и волоконно-оптических систем связи. В том числе: гибридные оптоэлектронные бистабильные устройства, оптоэлектронные элементы ретрансляторов для ВОСС, фазометры радиосигналов, передающие модули для одно- и многомодовых волоконно-оптических линий связи; интегральные электрооптические многопозиционные призменные дефлекторы с компенсированными аберрациями.
Предложенные и развитые методы расчета, создания и экспериментального исследования периодических элементов в структурах: оптический волновод-покрывающая пленка (халькогенида или фоторезиста) - позволяют создавать прототипы ряда устройств для оптических систем обработки информации и ВОСС, в том числе: устройства оптической памяти, аподизированные периодические элементы связи, интегрально-оптические устройства спектрального разуплотнения для волоконно-оптических линий связи.
Разработанные оригинальные и усовершенствованные методы создания и расчета позволяют изготавливать планарные и полосковые оптические волноводы в подложках из кристалла ниобата лития и стекла с заданными характеристиками и их высокой повторяемостью при существенной простоте и экономичности технологических процессов. Разработанные методики метрики характеристик позволяют достоверно определять характеристики изготовляемых волноводов.
Содержание работы.
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, определена цель работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
15 В первой главе диссертации рассмотрена концепция, методы создания, расчета и экспериментального исследования гибридного интегрального акустооптоэлектронного спектроанализатора радиосигналов (ИАОС). Рассчитаны параметры основных функциональных элементов, входящих в структуру ИАОС: геодезических линз, элементов ввода и вывода светового излучения в оптический волновод спектроанализатора, широкополосных встречно-штыревых пьезопреобразователей. Проведено экспериментальное исследование этих элементов, разработаны методы их интеграции в единое устройство. Теоретически и экспериментально определены методы оптимизации характеристик, разработанного прототипа ИАОС: быстродействия, частотного разрешения. Теоретически и экспериментально обоснован новый тип оптоэлектронных процессоров - акустооптоэлектронного вейвлет-процессора. Рассмотрена возможность создания интегрального акустооптоэлектронного вейвлет-спектроанализатора.
Рассмотрены перспективные области применения ИАОС.
Во второй главе рассмотрены особенности электрооптического взаимодействия в оптических волноводах. Теоретически проанализирована и экспериментально исследована работа ряда интегральных электрооптических модуляторов и переключателей: модуляторы на основе полного внутреннего отражения; интерференционные модуляторы типа Маха-Цендера; модуляторы на основе связанных полосковых волноводов; приз-менный электрооптический дефлектор. Предложен и экспериментально исследован ряд функциональных устройств, построенных на базе разработанных модуляторов: макет устройства измерения фазы радиосигналов; макет устройства регистрации временного совпадения видеоимпульсов; макеты оптического бистабилыюго устройства и ретранслятора для ВОЛС; макеты передающих модулей для ВОЛС на одномодовых и многомо-довых волокнах.
В третьей главе приведены результаты исследования функциональных интегрально-оптических элементов и устройств на основе периодических структур. Разработаны методы создания таких устройств, а также методики динамического контроля их характеристик в процессе изготовления. Разработан и исследован ряд устройств для систем оптической обработки, хранения и передачи информации: устройство оптической памяти на основе халькогенидных и фоторезистивных пленок; периодических элементов ввода-вывода света в оптических волновод с переменным по апертуре коэффициентом связи; интегрально-оптического коллиматора; интегрально-оптического спектрального разуплотнителя.
В четвертой главе изложены результаты исследований по изготовлению планарных и полосковых оптических волноводов в подложках из кристалла ниобата лития и стекла. В результате выполненных исследований разработаны и экспериментально проверены новые методики изготовления и метрики таких волноводов. При этом разработанные методики отличаются простотой, легкой воспроизводимостью в промышленных условиях и экономичностью.
Оптимизация параметров функциональных элементов интегрального акустооптического спектроанализатора
Существует два основных направления в построении интегрально-оптических устройств: полная интеграция оптической схемы на единой подложке (монолитная технология) и стыковка интегрально-оптических элементов или функциональных блоков, выполненных на различных подложках (гибридная технология). Наиболее привлекательным является, несомненно, первое направление. Однако, при создании монолитных интегрально-оптических устройств необходимо подобрать такой материал подложки, на основе которого можно изготовить все без исключения элементы. Поскольку ИАОС требует использования в своем составе источника света, то круг подходящих материалов ограничивается лишь оптически активными, такими, например, как арсеиид галлия (GaAs) или галлий-алюминий-арсенид (GaAlAs). На основе GaAlAs удалось сформировать практически все элементы интегрально-оптического спектроанализатора, но параметры некоторых из них (в особенности волноводов) еще далеки от требуемых [38]. Только в самое последнее время, за счет применения новейших дорогостоящих технологий и привлечения к решению этой проблемы многочисленных исследовательских групп, наметились тенденции к улучшению характеристик интегрально-оптических элементов, формируемых на основе оптически активных материалов [39].
Основным преимуществом гибридной технологии является то, что каждый элемент интегрально-оптического устройства может быть изготовлен на оптимальном для него материале, с использованием существующей технологии. Так, например, анализатор спектра может включать в себя: лазерный диод на основе GaAlAs, кремниевую линейку фотодетектора и акустооптический модулятор на основе ниобата лития [36]. Поэтому задача разработки гибридного интегрально-оптического устройства сводится к созданию отдельных блоков, обладающих оптимальными параметрами, и к их стыковке.
Необходимо отметить, что и гибридный и монолитный подход к построению ИАОС обладает своими преимуществами и недостатками, вследствие этого окончательное предпочтение не отдано ни тому, ни другому. По мнению ряда специалистов [38], эти два направления и дальше будут развиваться параллельно и применение того или иного подхода будет определяться условиями конкретной задачи.
В данной работе было выбрано гибридное направление как наиболее доступное, экономичное и, кроме того, позволяющее всесторонне проанализировать требования, предъявляемые к различным элементам и их взаимосвязям.
При разработке гибридных интегрально-оптических схем стремятся к максимальной интеграции различных элементов на единой подложке. Очевидно, что для достижения максимальной степени интеграции элементов и получения, при этом, требуемых характеристик всего устройства в целом, необходимо оптимальным образом подобрать материал подложки. К материалу подложки гибридного ИАОС предъявляется целый ряд требований, таких как: оптическая прозрачность, возможность изготовления волновода и линз с малыми потерями, наличие собственного пьезоэффекта и т.д.
Из всей обширной гаммы имеющихся материалов наибольшее распространение получили два: кремний и ниобат лития (ЫЫЬОз). Анализ показывает, что наиболее перспективным материалом для интегральной акустооптики в настоящее время является ниобат лития, относящийся к кислородно-ок-таэдрическому типу кристаллов. В нем уникально сочетаются многие свойства, необходимые для создания интегрально-оптических устройств. Кристалл ниобата лития обладает высокими электро- и пьезооптическими коэффициентами, а, например, величина коэффициента электромеханической связи у него в 4.5 раза превосходит значение соответствующего параметра для окиси цинка [40]. Затухание ПАВ в ниобате лития сравнительно невелико и на частоте 1 ГГц составляет величину 3 дБ/см [40]. У этого материала высокая температура плавления 1250 С [41] и температура Кюри 1200 С, что позволяет применять высокотемпературные диффузионные процессы для создания на его основе оптических волноводов, обладающих малыми потерями, характерная величина которых составляет 0.2 - 1.0 дБ/см [42].
В интегральной акустооптике наиболее часто используются подложки Y-среза LiNbC 3, для которых характерны: высокое значение коэффициента электромеханиче-ской связи (к =0.045 [40]), относительно невысокая скорость распространения ПАВ, равная V=3488 м/с [41], малое затухание ПАВ (2.6 дБ/см на частоте 1 ГГц [40]) и низкое значение температурного коэффициента задержки. Кристаллы ниобата лития хорошо поддаются оптической шлифовке и полировке. Кроме того, их выпуск в широких масштабах освоен промышленностью.
К недостаткам ниобата лития, как материала для интегральной акустооптики, можно отнести невозможность изготовления на его основе фотоприемников и источников света, а также наличие в этом кристалле фоторефрактивного эффекта [43].
Несмотря на это, видно, что ниобат лития обладает несомненным преимуществом, особенно для создания гибридно-интегральных акустооптических устройств в лабораторных и промышленных условиях. Именно поэтому кристалл ниобата лития был выбран в данной работе в качестве основного материала для проведения исследования по созданию лабораторного макета гибридного интегрально-оптического анализатора спектра радиосигналов.
Необходимо отметить, что поиски новых, более перспективных материалов продолжаются [38] и не исключено, что в ближайшем будущем будут найдены или созданы такие, свойства которых позволят существенно расширить возможности интегрально-оптических устройств. Вернемся к структурной схеме ИАОС, представленных на рис. 1.1 и рассмотрим подробнее отдельные элементы спектроанализатора, а также обсудим предъявляемые к ним требования.
Второй элемент ИАОС, являющийся основным для любого интегрально-оптического устройства, это оптический волновод, в данном случае, планарный. Поскольку разработка и создание оптических волноводов в диэлектрических средах является достаточно обширной и многосторонней проблемой, этот вопрос будет рассмотрен более подробно в главе 4 данной работы. Как уже отмечалось, для коллимирования излучения полупроводникового лазера и осуществления преобразования Фурье входного оптического сигнала в ИАОС используются волповодные линзы. Основными требованиями, предъявляемыми к линзам для интегральных акустооптических устройств, являются: высокий коэффициент использования апертуры, малые вносимые оптические потери, хорошая повторяемость характеристик, механическая прочность, а также простота их изготовления. Известно четыре типа волноводных линз: поверхностные, градиентные, дифракционные и геодезические [44, 45]. Проведенный сравнительный анализ характеристик и особенностей различных волноводных линз показал, что наиболее подходящим типом линз для создания интегрально-оптических устройств обработки информации являются геодезические линзы [2, 44] рис. 1.2.
Интегральные электрооптические модуляторы, переключатели и устройства на их основе
Создание волоконно-оптических линий связи и устройств обработки информации требует разработки и исследования различных схем, осуществляющих модуляцию и переключение оптического излучения. К основным требованиям, предъявляемым к таким устройствам, относятся малая потребляемая мощность, широкая полоса рабочих частот, высокий контраст излучения на выходе модулятора, высокая развязка между каналами переключателя. В настоящее время известен ряд схем интегральных электрооптических модуляторов-переключателей. Однако применение их в реальных системах сдерживается необходимостью проведения дополнительного исследования их характеристик и оптимизации параметров в соответствии с требованиями, предъявляемыми к системам в целом. Приведенные результаты исследований позволяют рассчитывать на создание высокоэффективных электрооптических устройств управления световым излучением на основе планарных и полосковых диффузионных волноводов с заранее заданными параметрами.
Одной из разновидностей электрооптических модуляторов является модулятор на основе полного внутреннего отражения (ПВО), точнее нарушенного полного внутреннего отражения [116-119]. Действие подобных устройств основано на отражении световой энергии от границы областей волновода с различными показателями преломления. К достоинствам этих модуляторов относится простота конфигурации и малая емкость электродной структуры, которая обычно составляет 2-4 пф (без учета емкости подводящих шин и контактных площадок). Подобная система электродов допускает использование ее в сочетании как с планарными, так и с полосковыми волноводами. На основе структур ПВО можно создавать модуляторы, а также переключатели-коммутаторы типа 2x2 и более сложных комбинаций. Углы разделения световых пучков в таких устройствах составляют 2-4. В тех случаях, когда необходимо осуществлять модуляцию или переключение световых потоков в широкой полосе частот в планарных или многомодовых полосковых волноводах, такие устройства могут найти широкое применение. Модулятор ПВО представляет собой планарный волновод, на поверхности которого сформирована структура электродов, показанная на рис. 2.3. Скользящая световая волна, падающая под углом 91 относительно электродов (рис. 2.4), претерпевает полное внутреннее отражение от границ раздела, если выполняется условие 0i Oc=arcsin(n2/ni), где П2 — показатель преломления среды в межэлектродном зазоре, П] - планарного волновода. Здесь и далее под полным внутренним отражением будем понимать нарушенное полное внутреннее отражение.
Это связано с тем, что ширина зазора между электродами сравнима по величине с глубиной проникновения светового поля через границу раздела. Проникающее поле возбуждает световую волну в волноводе в области за диэлектрическим каналом. Определим характер изменения амплитуды поля световой волны за границей раздела сред с различными показателями преломления при условии выполнения условий ПВО. Рассмотрим плоскую волну, распространяющуюся под некоторым углом 0i к границе раздела двух сред. Пусть световая волна, прошедшая через границу раздела, описывается выражением вида [46]: где T — комплексная амплитуда прошедшей волны, t — время, со — круговая частота света. В случае выполнения условий ПВО электромагнитное поле во второй среде не равно нулю, отсутствует лишь поток энергии через границу. Положим в фазовом множителе прошедшей волны Последнее выражение описывает неоднородную волну, которая распространяясь вдоль границы раздела, меняется экспоненциально с изменением расстояния от этой границы. Физический смысл имеет лишь отрицательный знак в амплитудном множителе выражения (2.24), который соответствует положительному знаку перед корнем в соотношении для cos#2. В противном случае выражение (2.22) соответствовало бы волне с бесконечно нарастающей амплитудой. Определим эффективную глубину проникновения поля как расстояние, где его амплитуда уменьшается в е раз: Полагая, что ширина электродов значительно превышает величину зазора между ними, можем записать: Подставляя значение П2 в выражение для 0С, получим величину напряжения, при котором наступает ПВО. При угле падения ві=89, ширине зазора между электродами h=4 мкм и длине волны света А,=0.63 мкм она составляет V 12.8 В. Эффективная глубина проникновения светового поля при напряжении V=20 В составляет 3.5 мкм, а при V=14 В Z3(j) j)=8.7 мкм. При расчете предполагалось, что направление поляризации световой волны и внешнего электрического поля совпадает с осью Z кристалла LiNb03. Аналогичная величина для угла падения света 88: Как видно, величина Z Q, сравнима с шириной зазора h. Таким образом, при малых зазорах имеет место туннельное прохождение световой волны через возмущенную область за счет возбуждения светового поля затухающим распределением в области за электродами. Это явление ухудшает параметры устройства и прежде всего величину контраста. Увеличение ширины зазора ведет к увеличению управляющих напряжений, необходимых для переключения, и, соответственно, мощности управляющих сигналов. Таким образом, необходима оптимизация параметров устройства по этому или иному критерию. Существенной проблемой, возникающей при практическом применении модуляторов ПВО на основе планарного оптического волновода, является его стыковка с волоконным световодом. Прежде всего это определяется тем, что нет жесткой привязки выходного пучка к той или иной точке на выходном торце волновода. Это объясняет повышенный интерес, проявляемый к исследованию модуляторов ПВО на основе полоско-вых волноводов [120-124]. Такие устройства по своей структуре значительно более приемлемы для стыковки с оптическим волокном, чем аналогичные модуляторы на основе планарного волновода. Особый интерес, как говорилось выше, представляет использование таких структур совместно с многомодовыми волокнами. Структура модулятора показана на рис. 2.5. Осевая линия электродов располагается вдоль зеркальной линии пересечения волноводов.
Коллинеарные элементы ввода-вывода излучения из оптического волновода
Одной из задач, стоящих перед разработчиками интегрально-оптических устройств, является задача о вводе-выводе излучения из оптических волноводов. Эффективность связи (т.е. потери на ввод и вывод излучения) наряду с оптическим затуханием определяет общие потери света в устройстве и, зачастую, - целесообразность его применения. К основным способам возбуждения интегрально-оптических волноводов относятся возбуждение через торец волновода, возбуждение с помощью призмы и возбуждение областью оптического волновода с периодической модуляцией параметров (дифракционной решеткой). Для ввода излучения через торец необходима высококачественная обработка торца подложки со световодом (создание так называемой «режущей» кромки с заколами, не превышающими долей микрометра [209, 210]. При этом происходит одновременное возбуждение всех мод многомодовых оптических волноводов, что в некоторых случаях нежелательно. Селективными устройствами возбуждения являются приз-менные и решеточные. В ряде случаев наиболее подходящими в устройствах интегральной оптики зарекомендовали себя решеточные элементы связи, не нарушающие планар-ной топологии. Ввод-вывод излучения при помощи дифракционных решеток возможен как при коллинеарном (волновой вектор решетки коллинеарен волновому вектору излучения, распространяющегося в волноводе), так и при неколлинеарном режиме взаимодействия с каналируемым излучением. Неколлинеарпый режим позволяет получить большую эффективность вывода (которая может достигать 100% [175, 211]) и более технологичен, однако, сложен в настройке и также требует высокого качества обработки торца волновода. Коллинеарный режим взаимодействия менее технологичен, так как для минимизации потерь на излучение в высшие порядки дифракции необходимы субмикронные периоды решеток, но простота настройки по углу делает его применение более предпочтительным.
Существует, однако, проблема, связанная с тем, что выводимые дифракционными структурами световые пучки характеризуются существенно неравномерным распределением интенсивности (исключение составляет лишь «слабые» структуры), что неудобно для практического использования. Таким образом, актуальной является задача формирования периодических структур, излучающих световой пучок с требуемым (в простейшем случае - равномерным) распределением интенсивности. Решение этой задачи, в свою очередь, требует отработки режимов изготовления и исследования устройств вывода как с неравномерным, так и с равномерным распределением интенсивности излучаемого светового пучка, выработки унифицированного метода, позволяющего формировать такие элементы, и, наконец, экспериментальной проверки полученных методик. Рассмотрение этих вопросов проводится далее.
Эксперименты по коллинеарному выводу излучения из оптических волноводов выполнялись на основе рельефных периодических структур сформированных в позитивном фоторезисте с периодами гофрировки Л=0.26-0.37 мкм. Показатель преломления позитивных фоторезистов на основе О-нафтохинондиазидов (п 1.6) позволяет осуществить эффективное взаимодействие периодических структур с излучением, распространяющимся в оптических волноводах на основе стекол (п 1.5). При использовании вол-новодных материалов с большими показателями преломления, например, ниобата лития (п 2.2) фоторезистивная решетка может быть использована после дополнительного за-дубливания в качестве маски для ионного или плазмо-химического травления. Для этого, как и для получения максимальной эффективности вывода из стеклянных волноводов, необходимо получение рельефных структур, протравленных до подложки [212, 213].
В экспериментах использовались волноводы, полученные методом диффузии ионов К+ в стекло К8 из расплава при температуре 370 С. Оптический волновод, канали-рующий 2 ТЕ- и 2 ТМ- моды, формировался в результате диффузии в течение трех часов. Фоторезистивная решетка имела период Л=0.37 мкм, что соответствовало для стеклянного волновода режиму дифракции «назад» в два пучка (один в воздух, другой в подложку) под углам, соответственно 9=-12 и 6=-13. По методу, описанному в [168], контролировалось протравление решеток до подложки.
На рис. 3.10 представлены результаты измерений интенсивности 1ВЬ1В выводимого в воздух светового пучка от длины области взаимодействия с решеткой / для рассматриваемого оптического волновода (кривые 1). Там же приведена и зависимость суммарной интенсивности вывода в оба пучка (в воздух и в подложку) от длины области взаимодействия / (кривые 2). Интенсивности выведенных решеткой пучков при разных длинах измерялись при последовательном стравливании решетки без изменения настройки (непосредственно в луче). Видно, что существует некоторая длина решетки /=L, начиная с которой интенсивность выводимого пучка перестает увеличиваться, это означает, что все излучение, введенное в волновод, вывелось решеткой. Длина L, соответствующая полному выводу излучения в данном случае, составляет L=6MM. При этом глубина гофрировки составляла А=0.3 мкм, решетка была протравлена до подложки. На другом образце с решеткой, не протравленной до подложки, полный вывод излучения обеспечивался при длине связи L=8 мм. В то же время полная интенсивность выведенного излучения составляла 70% от интенсивности излучения, выводимого структурой, протравленной до подложки (высота гофрировки одна и та же). Эти отличия, по-видимому, связаны с дополнительными потерями излучения в пленочной структуре.
Было исследовано распределение интенсивности выводимого излучения вдоль решетки при коллинеарном выводе излучения фоторезистивной решеткой с постоянным по длине коэффициентом связи, т.е. глубиной гофрировки, что обеспечивалось равномерным распределением средней интенсивности в записывающем пучке на площади 1 см2. Распределение светового поля для одного из образцов с постоянной глубиной гофрировки для ТЕо-моды оптического волновода изображены на рис. 3.11. Если отбросить начальный участок кривой, обусловленный краевыми эффектами, то распределение света, излучаемого такой решеткой, описывается экспоненциальной функцией 1выв=К0=Ьехр(-а/) [214, 215], где а - коэффициент вывода излучения решеткой, 1о -максимальное значение интенсивности света. Значение коэффициента а, вычисленное для кривой, представленной на рис. 3.11, составляет 2.57 см- .
В некоторых случаях большой интерес представляет распределение интенсивности излучения в дальней зоне элемента связи или, что то же самое, в фокальной плоскости фокусирующей линзы. В частности, это имеет место в устройствах спектрального анализа с выводящими решеточными элементами. На основе исследования распределения излучения в дальней зоне элемента с равномерным распределением глубины гофра может быть решена и обратная задача - определение коэффициента связи. В некоторых случаях такая методика измерений является более удобной на практике.
Оценка коэффициента вывода а была произведена для рассмотренного выше образца методом анализа распределения света в дальней зоне. Поле излучения в дальней зоне Е(4) описывается функцией [46]: где Е(/) - распределение поля в ближней зоне; Е(4) - распределение света в дальней зоне; /, 4 координаты в ближней и дальней зоне, соответственно.
Разработка методики изготовления и исследования характеристик оптических волноводов в стекле
Значительный практический интерес представляют оптические волноводы, сформированные в стеклах. Это обусловлено, в частности, относительной простотой изготовления оптических элементов в таких волноводах [243, 244] и стыковки их с оптическими волокнами [245, 246]. Достоинством стекол является также их низкая стоимость и наличие отработанной технологии изготовления и обработки, возможность изготовления подложек значительных размеров.
Формирование оптических волноводов в стеклах за счет диффузии из расплавов солей [247-250] сочетает в себе простоту, поскольку не требует предварительного нанесения на поверхность подложки пленки диффузанта, с возможностью устойчивого формирования волноводов с малым затуханием света. В литературе имеются данные по характеристикам волноводов, формируемых в стеклах за счет диффузии ионов металлов из расплавов нитратов серебра [247, 248], таллия [249] и смесей нитратов серебра и натрия [250]. В первых двух случаях формируются волноводы с относительно большими перепадами показателя преломления на поверхности подложки Ап(0) 0.1. Вследствие этого низшие волноводные моды имеют малые эффективные глубины проникновения в подложку ат \ мкм, что сужает возможность использования таких оптических волноводов. Кроме того, нитраты серебра и таллия являются дорогостоящим и (или) сильнотоксичным сырьем. В последнем случае [250] варьирование времени диффузии t и концентрации диффузанта в расплаве позволяет получать волноводы с заданными характеристиками Ап(0) и ат однако этот метод также не дает возможности формирования волноводов с достаточно малыми значениями Дп(0) и соответственно большими ат. Для увеличения эффективных глубин проникновения волноводных мод в подложку авторами [247] была предпринята попытка изготовления оптического волновода за счет диффузии из расплава нитрата калия. Однако даже при временах диффузии порядка нескольких суток каиалирование излучения было неустойчивым, хотя авторами [247] в качестве подложек пленарных световодов использовались специально подготовленные стекла.
Целью этой части работы являлось исследование возможности и особенностей формирования оптических волноводов с хорошей повторяемостью характеристик при их изменении в широких пределах и малым затуханием света на основе дешевых и нетоксичных материалов. Потребность в таких исследованиях связана с задачей оптимизации параметров интегрально-оптических устройств и их отдельных элементов, в частности линз, поляризаторов, дифракционных решеток.
На первом этапе был проведен поиск диффузанта, который при диффузии в стекла позволил бы формировать маломодовые оптические волноводы со значениями Ап(0), примерно на порядок меньшими, чем дают ионы Ag+ и Т1+. Такие волноводы имеют большую глубину, малое отличие эффективных модовых показателей преломления от показателя преломления подложки и малое значение коэффициента затухания света.
Было выдвинуто предположение о том, что использование других, кроме Ag+ и Т1+, одновалентных ионов металлов с большей поляризуемостью, чем натрий, позволит сформировать оптический волновод в подложках с достаточным содержанием Na+. Для экспериментальной проверки этого предположения была проведена диффузия ионов К из расплава нитрата калия KNO3 в стекло марки К8, содержащее 10.4 вес. % Na20. При температуре диффузии 350 С удалось осуществить эффективное формирование диффузионных оптических волноводов [185] с заданным числом мод и хорошей повторяемостью характеристик при временах формирования волноводов порядка нескольких часов. При этом число мод определяется только временем диффузии. Так, исследованная методика позволяет сформировать одномодовый оптический волновод при времени диффузии 110 мин. Измеренное значение затухания света в оптических волноводах не превышало 0.2 дБ/см. Измерение затухания проводилось методом скользящей призмы.
Эффективные показатели преломления мод оптических волноводов измерялись на рефрактометре Пульфриха типа ИРФ-23 [251]. Источником света служил лазер с длиной волны 0.633 мкм. Для иллюстрации на рис. 4.16 представлен характерный вид распределения интенсивности света, наблюдаемого через окуляр рефрактометра. По измеренным значениям эффективных показателей преломления мод планарных световодов нами было проведено восстановление профилей изменения показателей преломления. Значение п(0) определялось методом, предложенным в [250]. Во всех случаях Ап(0)=0.0089. Восстановление проводилось с помощью ступенчатой аппроксимации профиля показателя преломления [223]. Восстановленные профили хорошо совпадают с ожидаемыми, описываемыми дополнительной функцией ошибок. Для примера на рис. 4.17 представлены рассчитанный профиль изменения показателя преломления для оптического волновода, полученного диффузией ионов К+ в подложку из стекла К8 в течение 9 ч, и точки, полученные при его восстановлении с помощью ступенчатой аппроксимации.
С целью дальнейшего уменьшения значения Ап(0), а также для обеспечения возможности одновременного варьирования таких характеристик, как глубина проникновения и эффективный показатель преломления волноводной моды, нами был осуществлен отжиг в атмосфере оптических волноводов, сформированных диффузией ионов К [229]. Отжиг проводился при той же температуре, что и диффузия из расплава. При этом в отсутствие внешнего источника диффузанта происходит «расплываиие» в глубь образца области локализации примеси с одновременным уменьшением ее концентрации, т. е. увеличение толщины оптического волновода с одновременным уменьшением значения Дп(0). Предполагая линейной связь между концентрацией диффузанта и изменением показателя преломления и решая уравнение диффузии сразу для An(x,t), получим [229]
