4.5. Исследование интегрально-оптических волноводов, полученных электростимулированной миграцией ионов из расплава нитрата калия

Многомодовые волноводы с минимальными потерями могут быть изготовлены в оптических стеклах диффузией ионов К ⁺ из распла­ва KNO₃. Внедрение ионов К⁺ приводит к формированию волново­дов, свободных от коллоидной окраски.

Однако известно, что при низкотемпературной диф­фузии в образцах стекла возникают напряжения, величина которых зависит от типа обменивающихся ионов [60–62]. Поскольку ионные радиусы обменивающихся ионов К⁺ (0,133 нм) и Na⁺ (0,098 нм) довольно сильно различаются, то в процессе создания волноводов возникают напряжения, достигающие значений  I ГПа [63, 64]. Анизотропия напряжений, возникающих в результате обмена ионов с различными радиусами, обуславливает возникновение оптической анизотропии диффузионных волноводов.

В работах [63, 64] с помощью теорий термо- и фотоупругос­ти создана модель, согласно которой показатель преломления при низкотемпературной диффузии изменяется вследствие двух причин. Одна из причин – изменение состава диффузионного слоя (изменение рефракции ионов), вторая – действие напряжений, которые возникают из-за разли­чия равновесных мольных объемов стекол с одинаковым содержанием различных щелочных компонентов при упругом взаимодействии ионо­обменного слоя и подложки и направлены параллельно плоскости диф­фузионного слоя (эффект фотоупругости). Согласно этой модели, в случае диффузии ионов калия К⁺ в натриевое стекло прирост пока­зателя преломления целиком определяется сжимающими напряжениями в диффузионном слое.

Вопросам влияния структурных микронапряжений на показатель преломления при низкотемпературном ионном обмене посвящены работы [65, 66]. В [66] показано, что ионный обмен ионов K⁺ из расплава KNO₃ и ионов Na⁺ из стекла приводит не толь­ко к увеличению показателя преломления волновода в результате возникающих напряжений, но и к появлению микротрещин на поверх­ности волноводов, формируемых в стекле.

Создание глубоких многомодовых волноводов электростимулированной миграцией ионов К⁺ из расплава KNO₃ осуществлялось следующим способом.

В качестве подложек использовалось стекло от фотопластин размером 35 х 35 х 1,25 мм и оптическое стекло К8 размером 35 х 35 х 3 мм. Температура миграции выбиралась в интер­вале 380 – 400°С, поскольку температура плавления KNO = 334°С, а температура разложения – 400°С [67]. Время миграции составляло 10 – 40 минут при стимулирующем напря­жении 10 – 40 В для стекол от фотопластин и 40 –150 В для стекла К8. Такие режимы миграции выбирались с целью получе­ния волноводов с минимальными потерями, определяемыми в данном случае в основном неровностью края волновода и чистотой обрабо­тки поверхности подложки. С увеличением стимулирующего напряжения до 200 – 300В формируемые волноводы имели рваный край, что обусловлено энер­гичным внедрением ионов К⁺ и разрушением маскирующего алюминие­вого слоя. Увеличение времени миграции до 50 – 60 мин. приводило к отслаиванию катода от поверхности стекла, что отрицательно сказывалось на качестве формируемых волноводов.

Так же как и для волноводов, полученных миграцией ионов Ag⁺, измерения проводились лишь для максимальных значений эффективных показателей преломления с помощью призменного устройства ввода–вывода. Точность измерения со­ставила 210^-4.

На рис. 29 показана зависимость N_max от внешнего стимулирующего напряжения при фик­сированных температуре и времени диффузии.

Эффективный показатель преломления N_max измерялся для планарного и канальных волноводов. Как видно из графика (рис. 29), N_max для канальных волноводов несколько выше, чем для планарных. Од­нако, начиная уже с 20 В для стекла от фотопластин (Ф.П.) и с 70 В для К8, увеличение стимулирующего напряжения не приводит к росту эффективного показателя преломления, а даже наблюдается некоторый его спад.

По мере увеличения толщины волновода с ростом стимулирующего напряжения монотонно увеличивается и число мод.

Рис. 29. Зависимости эффективных показателей преломления от величины стимулирующего напряжения для волноводов, изготовленных

из расплава KNO₃

На рис. 30 представлена зависимость числа мод от величины стимулирующего напряжения.

Такое поведение кривых (рис. 29, 30) можно объяснить наличием напряжений, возникающих в волноводе в результате обмена ионов с различными размерами. Это же у словие приводит к тому, что волноводы, полученные электростимулированной миграцией ионов калия в стеклах, обладают значительной анизотропией, достигающей величины n_TM – n_TE = –0,0025.

Рис. 30. Зависимость числа мод в волноводе от величины стимулирующего напряжения

Огромные механические напряжения в стекле, возникающие в результате обмена ионов Na⁺ на ионы K⁺ приводят к растрескиванию стекла вокруг волноводов, что наблюдается особенно часто в процессе механической обработки их торцов. На рис. 31 представлена типичная картина растрескивания стекла на границе с волноводной областью в процессе шлифовки и полировки торцов волноводов.

Рис. 31. Типичная картина растрескивания стекла на границе с волноводом, полученным электростимулированной миграцией ионов калия.

Уменьшение напряжений, возникающих в процессе миграции, возможно путем снижения концентрации ионов K⁺ в области диффузии, что достигается либо уменьшением концентрации ионов K⁺ в исходном расплаве путем добавления в расплав KNO₃ некоторого количества NaNO₃, либо использованием подложки из стекла с низким содержанием Na₂O. Однако любой из этих способов приводит к снижению изменения показателя преломления и, как следствие, к уменьшению апертуры формируемых волноводов.

Так, при использовании в качестве подложки стекла К8 толщи­ной 3 мм, стимулирующем напряжении 90В, в расплаве KNO₃ + NaNO_3, взятом в молярном отношении 3:1, при температуре 395°С за 15 мин. был сформирован волновод, имеющий полукруглую форму поперечного сечения радиусом 25 мкм и n = 0,008. Механические напряжения, возникающие в таком волноводе, не очень велики, что позволяет производить резку, шлифовку и полировку торцов волноводов без раз­рушения, а следовательно, использовать эти волноводы или волноводные структуры для торцевой стыковки в гибридных интегрально-оптических схемах.

Оптические потери в таких волноводах, определялись путем из­мерения интенсивности выходного сигнала на образцах различной длины, как и в случае с волноводами, полученными электростимули­рованной миграцией ионов Ag⁺ из расплава AgNO₃. Оптическое из­лучение ( = = 0,63 мкм, 0,85 мкм) при этом вводилось в волновод с помощью маломодового кварцевого волокна с диаметром световедущей жилы 6 мкм и числовой апертурой NA = 0,1. Величина вносимых по­терь в канальных волноводах была менее 1 дБ/см как на  = 0,63 мкм, так и на  = 0,85 мкм.