Исследование и разработка интегрально-оптических микролинзовых структур в стеклах

Актуальность темы

В последнее время наблюдается значительный прогресс в развитии оптических линий связи. Волоконно-оптические системы связи и системы связи, основанные на распространении оптических волн в свободном пространстве, все чаще применяются для высокоскоростной оптической передачи данных, передачи больших объемов! информации и обработкиинформации в режиме реального времени: Устройства, используемые для оптических связей в подобных, системах, такие как световоды, фотоприемники, источники излучения, имеют различную числовую апертуру, размеры модового поля и площадь рабочей поверхности. Для эффективного соединения оптических волокон используются разъемы, с миниатюрными линзами, позволяющими получить, эффективное соединениеволокон, имеющихразличныедиаметры, свеговедущей жилы и различные апертуры [1 -4]. ' ,.

Оптические разъемы, с микролинзами, позволяющими! расширять, и? коллимировать выходной пучок волокна, малочувствительны к боковому смещению и осевому зазору, однако угловое рассогласование приводит к росту потерь в разъеме. Благодаря расширению пучка, осуществляемому с помощью микролинзы, разъемы такого рода, оказываются также менее чувствительными к пыли.

ГТлапарные микролинзыпозволяют согласовать характеристики всех элементов друг с другом и сохранить высокую эффективность связи [5]: Микролинза, объединенная с лазерным диодом^ обеспечивает малую расходимость светового пучка и, малые потери при вводе' излучения в волновод [6]. С помощью матриц микролинз создаются многоканальные оптоэлектронные переключатели [7]!

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 [8].

Применение матриц микролинз позволяет значительно уменьшить размеры и упростить конструкцию миниатюрных аналитических систем, установок для фотолитографии, оптических нейронных сетей, включающих в себя большое количество лазеровдетекторов, фильтров и других оптических элементов, требующих высокоточного совмещения [9];

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. рГО];

Hat основе матрицы микролинз может быть — создав ^ фронта Шака-Гартмана'. Применяются датчики Шака-Гартмана в адаптивной оптике, когда необходимо’исследовать изменениявносимые в волновой фронт средойнапример, для решения проблемсвязанных с улучшением снимков земли, полученных со спутников, которые искажаются флуктуациями атмосферы [11].

В' настоящее время ведутся исследования по внедрению оптических соединений для. обмена информацией внутри компьютерных систем между блоками,' платами ш 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 ГГц, в отсутствии-взаимодействия фотонов между собой, что позволяет минимизировать взаимные наводки соседних линий и внешние воздействияТехнология оптических соединений очень значительно превосходит технологию электрических соединений по производительности и плотности расположения каналов [12].

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 экспериментальныхработ, направленных на исследование и разработку интегрально-оптических микролинзовыххтруктур в стеклах.-. :

Для% достижениям указанной"целинеобходимо* 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, таки матриц микролинз, и: его влияние на форму получаемых микролинз и их фокусирующие свойства.

3) Подобрать физико-технологические режимыизготовления'- одиночных микролинз и матриц микролинз электростимулированной миграцией ионов в стеклах с различной-плотностью упаковки и оптическими параметрами.

4) Разработать, изготовить и исследовать матрицы микролинз в стеклах для LGDпроекторов и датчиков волнового фронта Шака-Гартмана.

5) Разработать и исследовать многоканальный интегрально-оптический ответвитель (делитель) излучения на основе линейки микролинз. Методы исследования базируются на основополагающих законах электродинамики и оптики, вычислительной математики и использовании современных информационных технологий. Для реализации численных расчетов и моделирования использовались пакеты программ Maple и Mathcad. Расчет картины распространения оптического излучения базировался наиспользовании модифицированного численного FDTD-метода.

Научная новизна полученных результатов. В ходе проведенных исследований получены следующие новые результаты:

1) Проведен расчет конфигурации электрического поля, используемого в процессе изготовления как одиночных микролинз, так и матриц микролинз, и выявлено. его. влияние наформу получаемых микролинз и их фокусирующие свойства. В1 результате8 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.

2) Разработан новый способ изготовления микролинз, позволяющий изготавливать в стеклаходиночные микролинзы с различным Лги В разработанном способе электростимулированная миграция* ионов" серебрав стеклянную подложку осуществляется из анода, выполненного в виде капилляра: заполненного расплавом солей, содержащих ионьь, серебра, с погруженным в него положительным: электродом, и имеющего контакт с поверхностью стеклянной пластинки. • Поскольку расплав солей, заполняющий капиллярможет 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.

3) Впервые выявлена закономерность влияния физико-технологических параметров миграции ионов в стеклянную подложку на оптические свойства формируемых микролинз в матрице.

4) 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.

5) Предложено новое 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^ обменаинформацией внутри^ компьютерных систем между блоками, платами>, wвнутри 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 0120.604 106, (государственный контракт № 3620р/6061 от 26 декабря 2005 г).

Апробация результатов диссертации. 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.

Защищаемые положения.

1. 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.

2. 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.

3. 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. ' •.

4. 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 излучениевыходящее 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.

5. 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).

Личный вклад соискателя заключается в поиске способов решения поставленных задач, расчете конфигурации электрического поля, используемого в процессе изготовления как одиночных микролинз, так и матриц микролинз с плотной упаковкой, 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.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения и списка использованных источников.

Первая глава представляет собой, литературный обзор, в котором описаны и проанализированыфизико-технологические принципы формированиямикролинз и матриц микролинз на поверхности подложки, внутри подложки, на торцах волноводов * и полупроводниковых лазеров, а также их параметры. Особое внимание уделено изготовлению микролинз и матриц микролинз электростимулированной миграцией ионов, позволяющей получать микролинзы с различными параметрами непосредственно в стеклянных подложках.

Вторая глава посвящена исследованию и разработке одиночных микролинз, получаемых методом электростимулированной миграции ионов в стеклах. В ней представлен расчет конфигурации стимулирующего электрического поля, системы точечный заряд — проводящая плоскость, возникающего припроведении электростимулированной миграции ионов в процессе изготовления одиночных микролинз. В этой главеподробно изложено изготовление одиночных микролинз в стеклах с использованием различных способов приложения стимулирующего электрического поля, а также методика измерения оптических параметров полученных микролинз. Предложен новый способ изготовления одиночных микролинз с различным.

Дп, что позволяет получать различные соотношения между фокусным расстоянием и диаметром формируемых микролинз.

В третьей главе представлено исследование и разработка матриц микролинз с плотной упаковкой для различных применений. Проведен расчет формы интегральных микролинз в матрицах, получаемых методом электростимулированной миграции ионов в стеклах. Проведен подбор физико-технологических режимов изготовления матриц сферических и, цилиндрических микролинз" с плотной упаковкой и высокими фокусирующими свойствами для LCD-проекторов, датчиков волнового фронта Шака-Гартмана, для мультиплицирования изображения и получения стереоизображения. Предложен новый способ изготовления матриц микролинз, позволяющий получать в стеклах матрицы, микролинз с плотной упаковкой без нарушения их сферичности. Четвертая глава посвящена исследованию и разработке многоканального микролинзовошинтегрально-оптического ответвите ля г (делите ля)-излучения: Подробно изложен: расчет ответвителя? FDTD методом и физико-математическая картина распространения оптического излучения в интегрально-оптическом ответвителе, а также изготовление и исследование интегрально-оптического ответвителя (делителя) излучения. Предложена новая конструкция интегрально-оптического делителя излучения на основе микролинз, позволяющего выводить оптическое излучение через поверхность подложки, на которой, он сформировандляобеспечения удобного и надежного крепление приемников излучениякоторый может, быть использован в межсоединениях внутри компьютерных систем, между блоками и на печатных платах, при замене электрических шин оптическими:-.

• Диссертация? содержит 155- печатных страниц, 75 рисунков и фотографии, 3 таблицы, список используемых источников-, включающий: 92 наименования.

Выводы к главе 4.

1. Предложена новая конструкция многоканального микролинзового интегрально-оптического делителя излучения на, основе микролинз, позволяющего выводить оптическое излучение через поверхность подложки, на которой он сформирован, для обеспечения удобного и надёжного крепление приемников излучения, который может быть использован в межсоединениях внутри компьютерных систем, между блоками и на печатных платах, при замене электрических шин оптическими. Такой интегрально-оптический ответвитель с одной стороны будет выполнять роль делителя, поскольку излучение, выходящее из каждой последующей" линзы будет меньше предыдущего, а* с другой стороны такое устройство можно использовать для ответвления оптического сигнала одновременно на несколько приемников, расположенных непосредственно на поверхности подложки.

2. Проведен расчет многоканального микролинзового интегрально-оптического ответвителя методом FDTD, показавший, что вывод части излучения на поверхность подложки будет происходить за счет мод волновода высоких порядков на краю микролинзы.

3. Рассмотрение физико-математической картины распространения оптического излучения в микролинзовом интегрально-оптическом ответвителе, базировавшееся на использовании модифицированного численного FDTD-метода на основе прямого решения уравнений Максвелла во временной области в неоднородной диэлектрической среде, позволило определить долю оптического, излучения, выводимого! на поверхность подложки каждой> микролинзой. При радиусе кривизны, полусферической области 30 мкм, показателе преломления волновода (микролинзы) — 1,6, показателе преломления подложки — 1,5 на длине волны излучения 1,55 ответвляется около 2% входной оптической мощности. При уменьшении длины волны излучения до ^=0,63 мкм общее число мод увеличивается, что приводит к росту интенсивности излучения, ответвляемого линзами до 5%.'.

4. Разработан и изготовлен методом электростимулированной миграции ионов Agt из расплава солей AgN03 и NaNC^, взятых в соотношении 1:10 моль, в стеклянную подложку микролинзовый интегрально-оптический ответвитель, содержавший канальный волновод с закругленным торцом и две микролинзы, расположенные на оптической оси этого волновода. Проведенные исследования показали, что уменьшение. интенсивности от линзы к линзе составляет примерно 5%. В тоже время интенсивность излучения, выходящего из закругленной части волноводамикаждой из линз составляет, по результатам, измерения .те же 5% от величины интенсивности: вводимого излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен обзор и анализ существующих физико-технологических принципов формирования оптических микролинз, выявлены их достоинства и недостатки. Физико-технологические принципы формирования микролинз классифицированы по следующим признакам: формирование микролинз и матриц микролинз на поверхности подложки, формирование микролинз и матриц микролинз непосредственно в подложке, а также формирование микролинз на торцах световодов и полупроводниковых лазеров. Проведенный анализ позволил определить наиболее подходящий метод изготовления плоских фокусирующих микроструктур в стеклах — метод электростимулированной миграции ионов, который не требует очень дорогого и сложного оборудования, а получаемые им микролинзы имеют совершенную полусферическую форму со ступенчатым изменением показателя преломления.

2. Проведен расчет конфигурации стимулирующего электрического поля, используемого в процессе изготовления как одиночных микролинз, так и матриц микролинз, и 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.

3. Подобраны технологические режимы изготовления одиночных интегральных микролинз в стеклах методом электростимулированной миграции ионов.

4. Разработан новый способ изготовления микролинз, позволяющий получать одиночные микролинзы с различным 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.

5. Экспериментально подобраны физико-технологические режимы изготовления^ матриц микролинз диаметром 60 мкм с плотной упаковкой электростимулированной миграцией ионов Ag' в стекле от фотопластйш. Минимальными размерами фокальных пятен (6 мкм) обладали микролинзы в матрицах, полученных при стимулирующих напряжениях 30−40 В при температуре 380 °C в течение 30 минут, при этом их' плотность упаковки, достигала*, величины, ц = 0,88 — 0.93. Фокусное.: расстояниемикролинз составило-450-мкм. ¦•.'¦''. ¦.¦:'•'" •¦.•. •.•¦'•.

6. Разработанновыйспособ, изготовления матриц микролйнз, позволяющий получать, в стеклах 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 диаметровсамих отверстий, а электростимулированная миграция через отверстия" в маскирующем слое проводится до тех пор, пока. не произойдет полное слияние границ, соседних микролинз. •.

7. Подобраны оптимальныережимы!.- изготовления.: электростимулированной миграцией, ионов из расплавовсолей* матриц микролинз в стеклах, дляLCD-проекторови датчиковволновогофронта Шака-Гартмана. Проведенные исследования показали, что полученные микролинзы обладают хорошими фокусирующими свойствами, диаметры их фокальных пятен близки к дифракционным пределам, поэтому они. могут использоваться также для мультиплицирования изображения в системах обработки оптической информации и для получения объемных изображений.

8. Методом электростимулированной миграции ионов Ag+ из расплава солей AgNC>3 + NaNC>3 (1:75 моль) в стекле К8 и в стекле от фотопластин изготовлены матрицы цилиндрических микролинз, которые могут использоваться в системах оптической обработки информации для преобразования двумерного оптического сигнала в одномерный (преобразование изображения матрицы в строку или столбец). Сложением двух таких матриц таким образом, чтобы линзы располагались перпендикулярно друг к другу, можно получить матрицу микролинз, обладающих свойствами сферических линз и с плотностью упаковки т|=1.

9. Предложена новая конструкция многоканального микролинзового интегрально-оптического делителя излучения на основе микролипз, позволяющего выводить оптическое излучение через поверхность подложки, на которой он сформирован, для обеспечения удобного и надежного крепление приемников излучения^ который может быть использован в межсоединениях внутри компьютерных систем, между блоками и на печатных платах, при замене электрических шин оптическими. Такой интегрально-оптический ответвитель с одной стороны будет выполнять роль делителя, поскольку излучение, выходящее из каждой последующей линзы будет меньше предыдущего, а с другой стороны такое устройство можно использовать для ответвления оптического сигнала одновременно на несколько приемников, расположенных непосредственно на поверхности подложки.

10. Разработан, изготовлен и исследован многоканальный интегрально-оптический ответвитель (делитель) излучения, содержавший канальный волновод с закругленным торцом и две микролинзы, расположенные на оптической оси этого волновода. Проведенные исследования показали, что уменьшение интенсивности от линзы к линзе составляет примерно 5%.