Формирования микрооптических поверхностей на основе фотоотверждения мономерных композиций в ближнем поле световой волны

Современное развитие интегральной оптики, особенно аппаратуры телекоммуникации для гражданского применения, неразрывно связано с прогрессом в технике и технологии интегрально-оптических элементов и их гр О V/ удешевлением. Так, развитие сотовой и, особенно, оптоволоконной связи, низкие цены на передачу больших массивов информации, сравнимые с ценами обычной проводной телефонной связи, были бы невозможны без создания новых оптических технологий и материалов. Оптоволоконные системы передачи, волоконные эрбиевые усилители сигнала и гибридные оптико-электронные схемы выборки адреса и коммутации — элементы, низкая цена которых определяется применением новых материалов и технологий, и в первую очередь, полимеров и элементов на их основе.

Основное требование современной техники этой области — наилучшее соотношение цена — качество. Такие эффективные и в то же время дешевые интегрально-оптические элементы реализуются на базе планарных полимерных волноводов, поскольку аналогичные элементы на базе ниобата лития имеют себестоимость на два порядка выше. Современные полимеры обеспечивают сочетание трех основных параметров: низкая цена материала, высокая производительность (технологии штамповки) и высокие технические параметры. Отсутствие высокотемпературных процессов получения изделий, характерных для кристаллических интегрально-оптических элементов, также приводит к упрощению и удешевлению технологии. Другое важное следствие низкотемпературных технологических процессов — возможность прямой интеграции полимерной интегральной оптики с электронными кремниевыми микросхемами путем формирования планарной полимерной интегрально-оптической структуры непосредственно на поверхности защитной пленки 8Юг 'кристалла электронной микросхемы. Пример такой интегрированной структуры — сверхбыстродействующего электрооптического модуляторапереключателя приведен на рисунке 1 [1].

Рис. 1. Иллюстрация интеграции электронной кремниевой микросхемы с полимерной интегрально-оптической структурой. В нижнем слое — кремниевая микросхема, на верхнюю поверхность которой нанесена планарная полимерная волноводная структура.

В таблице 1 приведены основные полимерные материалы интегральной оптики и важнейшие их характеристики. [2] Таблица 1. Полимерные материалы и волноводные характеристики.

Метод формирования Материал Волноводные потери и другие свойства.

Штамповка Золь-гель полимеры 633 нм 0,5−2 дБ/см.

ЕОБМА 1300 нм 0,3 дБ/см.

Центрифугирование рвгт 834 нм 4,81 дБ/см планарное).

УФ — литография ПММА с красителем 632,8 нм 0,08 дБ/см.

УФ — литография/ РР8(} 632,8 нм 0,16 дБ/см.

Реактивное ионное Ап = 0,003 травление 0,19% двулучепреломление на 632,8 нм.

РБСВ 1330 нм 0,25 дБ/см 1550 нм 0,2 дБ/см Тё ~ 400 °C.

ВСВ 1330 нм 0,5 дБ/см 1550 нм< 1.5 дБ/см Т§-> 350 °C а-пммА 830 нм 0,02 дБ/см.

Полисилоксан 1330 нм 0,17 дБ/см 1550 нм 0,43 дБ/см.

Таблица 1. Продолжение.

УФ — литография/ Плазменное травление Хлоро-фторированный полиимид 1550 нм < 0,4 дБ/см Ап = 0,01−0.02 на 1550 нм.

Реактивное ионное травление/ Фотообесцвечивание ПММА-дисперсный красный 1330 нм 0,4 дБ/см Т§~250°С/131°С.

УФ — литография/ Прямая лазерная запись акрилаты 1550 нм 0,24 дБ/см Дп < 2×10″ 5 на 1550 нм.

Электронно-лучевая прямая запись Е№ 1 1550 нм 0,48 дБ/см (ТМ мода) 1330 нм 0,22 дБ/см (ТМ мода).

Все вышеуказанные технологические методы легко позволяют формировать одноили многослойные структуры, расположенные в одной плоскости, на основе которых и выполняются схемы. В то же время трехмерные структуры важны для передачи сигнала (сопряжения) между оптоволокном и интегрально-оптическими элементами. Данная проблема является одной из наиболее существенных для дешевой полимерной интегральной оптики, однако полностью она не решена и до настоящего времени. Эта проблема создания трехмерных структур также актуальна для сопряжения оптоволокна с полупроводниковыми лазерами, имеющими планарную структуру светоизлучающей поверхности.

На сегодняшний день для передачи сигналов на большие расстояния используется одномодовое цилиндрическое оптоволокно, имеющее диаметр световедущей жилы 7 мкм, в то же время размеры микрополоскового световода — основного элемента полимерной интегральной оптики — составляют 2,5×5 мкм. Столь значительное несоответствие апертур не позволяет их соединять «в стык» без значительных потерь излучения. Та же проблема существует и при сопряжении полупроводниковых лазеров с оптоволокном — размер светоизлучающей площадки лазера составляет 0,6×10 — 20 мкм — что существенно отличается от диаметра оптоволокна. Различны также и апертуры выходящего света.

Естественно, наиболее очевидный путь решения проблемыиспользование согласующих микролинз традиционного типа. Однако, размеры сопрягаемых элементов в единицы микрометров, также как требование обеспечения массового производства элементов, полностью исключают применение микролинз в виде отдельных элементов с их последующей ручной юстировкой, поскольку такая операция не совместима с массовым производством и требованием низкой цены элементов.

В настоящее время проводятся многочисленные исследования в области разработки технологических процессов, обеспечивающих формирование согласующих микроэлементов на торце оптоволокна. Используются различные методы — как естественное формирование сферических поверхностей под действием сил поверхностного натяжения при плавлении либо торца оптоволокна, либо нанесенного на торец фоторезиста, так и прямые методы формирования микролинз на торце оптоволокна с использованием мощного электронного пучка для создания на торце оптоволокна структуры Френелевской линзы [3].

Наиболее многообещающими и эффективными на настоящий момент представляются полимерные технологии, поскольку обеспечивают получение как отдельных микролинз, так и массивов, а также формирование фиксаторов оптоволокна в одном технологическом процессе.

В качестве примера использования подобной технологии на рисунке 2 приведена типичная матрица микролинз для сопряжения волноводов [4]. Здесь матрица микролинз дополнена двумя решетками для фиксации оптоволокна, имеющими калиброванные отверстия, соответствующие диаметру волокна (125 мкм). Как решетки, так и матрица микролинз выполняются из полимера по одной технологии, обеспечивающей получение прецизионных микронных объемных структур. А поскольку как полимерный материал, так и технологический процесс недороги, это открывает широкие возможности для изготовления элементов с низкой ценой.

Процессы создания элементной базы подобного типа в настоящее время интенсивно исследуются и выходят на уровень, обеспечивающий их применение в промышленности.

Методы, основанные на самоформировании и самосопряжении формируемых микролинз с оптоволокном, базируются на специфических физических эффектах, при которых излучение, выходящее из торца оптоволокна, формирует микроэлемент на его торце в результате фотополимеризации мономерной композиции в поле световой волны. При соответствующем прохождении процесса возможно получение необходимых микроэлементов, форма и расположение которых формируется выходящим из торца оптоволокна излучением и, следовательно, оказываются самосогласованными как с оптической осью оптоволокна, так и с апертурой выходящего из оптоволокна излучения.

Реализация данных методов основана на фотополимеризации мономерной композиции излучением, выходящим из торца оптоволокна. Метод самосогласования впервые был предложен в 1974 году в работе [5]. Позднее, исследования в этом направлении были продолжены [6]. Однако, сложность интерпретации наблюдаемых процессов, являющихся суперпозицией как оптических, так и химических эффектов, протекающих при.

Рис. 2 Решетка микролинз для сопряжения волноводов фотополимеризации композиции на торце оптоволокна, не позволила однозначно описать наблюдаемые процессы и выделить основные эффекты, ответственные за формирование микроэлемента. Также не была исследована кинетика процессов, что и не позволило использовать эти интересные методы на практике.

Целью данной работы является исследование эффектов самоорганизации фотополимеризующихся композиций, включая нанокомпозиты, в поле световой волны на торце оптоволокна с целью разработки научных основ технологии формирования элементов сопряжения оптоволокна.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Поиск и исследование основных физических эффектов, ответственных за самоорганизацию фотополимеризующегося материала с положительным знаком изменения показателя преломления при фотопревращениях в поле световой волны.

2. Проведение исследований кинетики процесса формирования самоорганизованного оптического элемента и выявление его связи с условиями эксперимента, такими как тип фотополимеризующейся композиции, наличие ингибирующих агентов, диффузионные процессы, распределение светового поля на торце оптоволокна.

3. Создание физических основ и разработка методов формирования оптимальных элементов сопряжения оптоволокна с заданной формой оптических поверхностей, а также исследование их характеристик в реальных условиях.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в рамках 23 докладов на 8 международных конференциях:

• Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика» Санкт — Петербург, Россия, 2005, 2009;

• International Conference on «Electronic Processes in Organic Materials (1СЕРОМ)» — Гурзуф, Украина 2006; Львов, Украина 2008; Ивано-Фронковск, 2010;

• International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT) -Минск, Белоруссия 2007;

• International Conference «Functional Materials» (ICFM) — Партенит, Украина 2007, Партенит, Украина 2009;

• The millennium new materials seminar — Mikkeli, Finland, 2007;

• International Symposium on Molecular Marerials (MOLMAT) — Тулуза, Франция, 2008;

• International Conference on Photonics, Devices and Systems, PHOTONICS PRAGUE — Прага, Чешская Республика, 2008;

• Workshop on nanotechnology and nanoanalytics, Санкт-Петербург, 2009; трех Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых — Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2008; двух Научно и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО — Санкт-Петербург, 2007, 2008.

Диссертант отмечен двумя дипломами первой степени за лучшие доклады:

• «Решётки микролинз на основе УФ-отверждаемых оптических композитов» на 2-й межвузовская конференция молодых ученых СПб, ИТМО, 2005;

• Optical surface making by UV-curing of monomeric compositions in near field of coherent light source на 6th International Conference on «Electronic Processes in Organic Materials (1СЕРОМ-6)» Гурзуф, 2006,.

Автор был приглашен профессором Isabelle Ledoux-Rak в 2007 году в Университет ENS de Cachan, где в ходе визита было проведено обсуждение экспериментальных результатов. Результаты данного исследования стали определяющими для создания микролазеров совместно с ENS de Cachan.

Полное содержание диссертации обсуждалось на расширенном заседании кафедры «Оптики квантоворазмерных систем» СПбГУ ИТМО.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ из них 7 в Российских журналах ВАК, а также 8 в зарубежных рецензируемых журналах, включая 3 учебных пособия и 1 монографию. Список работ приведен в конце автореферата.

Результаты диссертационной работы нашли применение в 14 грантах, контрактах и госконтрактах, по ГосОборонЗаказу, выполняемых коллективом кафедры ОКРС СПб ГУ ИТМО, в котором автор диссертации выполняла весь необходимый объем работ по исследованиям самоорганизации полимерных структур. Так, можно отметить наиболее значительные гранты и контракты, в которых вклад автора был определяющим:

Грант Рособразование, РНП.2.1.1.1403, «Исследование процессов формирования микрооптических поверхностей в поле световой волны при фотоотверждении мономерных композиций», 2006 — 2008 гг (Диссертант ответственный исполнитель) — Рособразование темплан, Проект 19 072, «Исследование закономерностей формирования размерных параметров микроструктур в светоотверждаемых материалах», 2009 — 2010 г.- Грант Рособразование, РПН 2.1.1.3937 «Исследования путей преодоления дифракционного предела в нанофотолитографии на базе процессов самоорганизации и нелинейного просветления нанокомпозиционных фотополимерных систем» 2009;2011г.

Контракты: «Исследование и разработка защитных элементов на основе полимерных материалов», НИИ ГоЗнак, 2005; «Разработка 01Р-технологии для получения цветопеременных структур», ГоЗнак 2007; «Поиск технических путей создания элементов активных фазированных антенных решеток с оптическим распределением сигналов по раскрыву», шифр «Таганрог-ИТМО» НПО «Стрела» 2007 — 2008; Госконтракт, шифр «Досмотр — Д», заказчик в/ч 68 240 2008 — 2009.

Автор является обладателем гранта РФФИ 07−02−8 160−3 «Участие в International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007)», 2007 r.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры Оптики Квантоворазмерных Систем СПбГУ ИТМО при подготовке магистров по направлениям 200 600.68 «Фотоника и оптоинформатика», 200 600.68.04 «Интегрально-оптические элементы фотоники». Диссертант является соавтором трех учебно-методических пособий.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Материалы изложены на 128 страницах, включая 90 рисунков и 3 таблицы.

Список литературы

составляет 72 наименований.

Заключение

.

В работе проведен подробный анализ процессов самоорганизации полимера и самофокусировки света в среде, приводящих к формированию микрооптических элементов сформированных в ближнем поле световой волны на торце оптоволокна.

Проведенная работа содержит значительную экспериментальную часть, в которой рассмотрены основные исследованные эффекты и их связь с составом материала и условиями проведения эксперимента. Показано, что общий случай самофокусировки света в среде с положительным знаком изменения показателя преломления при фотополимеризации, заключающийся в формировании длинного, практически бесконечного самоорганизованного волновода, диаметр которого осциллирует в результате процессов фокусировки/дефокусировки и может быть видоизменен внешними условиями, накладывающими ограничение на длину роста. Например, введение абсорбирующих красителей приводит к прогрессирующему уменьшению интенсивности света по длине элемента, и в конечном счете — к формированию сфероконического элемента в пределах первой пучности самоорганизованного волновода.

Проведен анализ полученных экспериментальных результатов и выполнено сравнение с теорией. Выработана эмпирическая модель, объясняющая полученные результаты.

На основе данной выработанной модели проведено формирование оптимального согласующего элемента на торце оптоволокна и выполнено измерение его оптических характеристик. Показано, что элемент эффективно фокусирует свет, выходящий из волокна в фокальную точку, причем потери на рассеяние не превышают 5%. Экспериментальное подтверждение результатов исследований показало их высокую значимость и ценность для практики, подтверждением чему является их использование при выполнении хоздоговорных работ.

Основными результатами диссертационной работы можно считать:

1. Экспериментальное подтверждение факта диффузии фотораддкалов из области экспонирования в окружающий объем, являющийся основным процессом, определяющим эффект близости и самоорганизацию при соединении двух оптических волноводов.

2. Объяснение образования самоорганизованных оптических волноводов, как суперпозиции двух эффектов: самофокусировки света в среде с положительным знаком изменения показателя преломления при фотополимеризации и ингибирующего влияния кислорода. Возможность формирования бесконечного цилиндра, конусов, сфероконических элементов, обусловленная суперпозицией двух вышеуказанных эффектов.

3. Способ получения самоорганизованных согласующих микрооптических элементов, основанный на торможении процесса роста волновода при введении фотоабсорбера в фотополимеризующуюся композицию, в результате чего происходит формирование сфероконического элемента в пределах первой пучности самоорганизованного оптического волновода.

4. Путь преодоления критерия Релея в фотолитографии, основанный на фотохимических превращениях в нанокомпозиционном материале, обладающем эффектами самоорганизации и обеспечивающем нелинейное преобразование излучения в точке фокуса. * *.

Я искренне благодарна моему руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Денисюку И. Ю. за постоянную поддержку, ценные советы, полезные дискуссии, за создание атмосферы творческого контакта в семилетней совместной работе, начиная с 2004 года.

Пользуюсь возможностью поблагодарить кандидата физ.-мат. наук, доцента Ю. Э Бурункову, совместная работа с которым всегда была приятной и взаимно полезной, особенно же за предоставление фотополимеризующихся материалов, использованных в работе. За полезные обсуждения, за дружескую поддержку и помощь — кандидата технических наук Н. Д. Ворзобову.