4.1. Принципиальная схема установки для проведения электростимулированной миграции ионов

Формирование волноводов с помощью электростимулированной миграции ионов осуществлялось на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 20.

Рис. 20. Схема установки для проведения электростимулированной миграции ионов

Установка включает муфельную печь с системой терморегули­рования, устройство погружения образца в расплав, блок питания с защитой от короткого замыкания и систему контроля электричес­кого тока в процессе диффузии.

Муфельная печь состояла из двух независимых нагревателей, один из которых представлял собой вольфрамовую спираль, намотанную на кварцевую трубу (1), второй нагреватель (2) имел плос­кую поверхность и осуществлял подвод тепла снизу. Применение двух независимых нагревателей с предварительным подбором их па­раметров позволило добиться максимальной стабильности и минимального градиента температуры в области диффузии. Поддержание температуры в заданных пределах достигалось с помощью хромель-алюмелевой термопары (3), находящейся в непосредственной близо­сти с расплавом, и терморегулирующего устройства (4). Терморегулирующее устройство было выполнено на базе регулирующего милли­вольтметра МР-64-02 и тиристорной схемы. Источником внешнего сти­мулирующего напряжения служил универсальный источник питания Б5-50 (5).

Устройство, осуществляющее подвод стимулирующего напряжения к образцу и его погружение в расплав, состояло из кварцевой во­ронки (6), через которую пропускался металлический стержень (7), играющий роль подводящего электрода (катода).

Перемещением подводящего эле­ктрода (7) вдоль оси воронки (6) образец приводился в соприкосновение с расплавом соли. Фиксация образца после соприкос­новения его с расплавом и обеспечения надежного смачивания осу­ществлялась зажимом (8). Анодом служила серебряная лодочка (9).

Рабочий образец (10) со сформированным маскирующим слоем и нанесенным на противоположную сторону тонкопленочным эле­ктродом зажимался между катодом и анодом с помощью пружин (11), соединенных с катодом через изоляторы (12) таким образом, что тонкопленочный электрод находился в непосредственном контакте с катодом, а маскирующий слой был обращен к лодочке.

4.2. Изготовление интегрально-оптических волноводов электростимулированной миграцией ионов серебра

Незначительное различие в размерах ионов Na⁺ (0,098 нм) и ионов Ag⁺ (0,126 нм) и их одинаковая валентность способствуют ак­тивному замещению ионов Na⁺ ионами Ag⁺ в матрице натрийсиликатного стекла и формированию областей с повышенным показателем пре­ломления и незначительными внутренними механическими напряжениями.

Как известно, нитрат серебра имеет температуру плавления t_пл = 209,7°С и разлагается при температуре t_разл  300°С. Температурами плавления и разложения в основном и определяется температурный диапазон применимости нитрата серебра. Однако если температуру плавления нитрата серебра понизить практически труд­но, то повысить температуру разложения можно, стабилизировав его добавлением нитрата натрия, имеющего более высокую температуру разложения (t_разл  380°С).

Являясь сильным окислителем, нитрат серебра обеспечивает эффективную дополнительную очистку стеклянной поверхности нахо­дящегося в соприкосновении с ним образца от органических загрязнений, а высокая смачиваемость обусловливает наличие надежного контакта между расплавом и маскируемой поверхностью.

Наряду с перечисленными положительными качествами использование нитрата серебра в процессе формирования волноводов имеет и отрицательную сторону. Дело в том, что в процессе диффузии ио­нов серебра в стекло происходит восстановление ионов серебра до атомарного состояния с последующей агрегацией атомов с образова­нием коллоидных частиц. Высокая температура и длительное время диффузии способствуют росту коллоидных частиц серебра и появле­нию густой и стойкой окраски волноводов. Волноводы с минимальной коллоидной окраской получаются при невысоких температурах (220 – 250°C) и малом времени диффузии.

Применение внешнего стимулирующего электрического поля в процессе миграции ионов Ag⁺ препятствует росту коллоидных частиц и дает возможность уменьшить вклад коллоидной окраски в потери в волноводе.