5.4. Методи виготовлення канальних хвилеводів

Основою для виготовлення канальних хвилеводів є плоскі хвилеводи. Використовуючи техніку фотолітографії, можна створювати різноманітні рисунки канальних хвилеводів на поверхні плоского хвилеводу. Спочатку на поверхню плоского ОХ наноситься шар фоторезисту. Фоторезисти бувають позитивні і негативні. Експонована область позитивного фоторезисту змивається при проявленні. Для негативного фоторезисту буде змиватися неекспонована область.

Після цього через контактно накладену маску, яка визначає форму майбутнього хвилеводу, фоторезист опромінюється ультрафіолетовим або рентгенівським випромінюванням.

Після проявлення фоторезисту на поверхні зразка залишається картина необхідної структури.

Наступним етапом у виготовленні канального ОХ є використання хімічного травлення для видалення непотрібного матеріалу.

Після того як непотрібний матеріал видалений, видаляється і сам фоторезист.

Недоліком методу хімічного травлення є те, що краї хвилеводу є нерівними. Цей недолік можна усунути, використовуючи замість хімічного іонне травлення, яке проводиться до повного видалення маски з фоторезисту. Перевага методу іонного травлення також і в тому, що маска видаляється приблизно з однаковою швидкістю як і скло.

Недоліком методу іонного травлення є утворення радіаційних дефектів у кристалічній структурі підкладки, які необхідно видалити методом відпалу, якщо потрібно отримати хвилевід з малими втратами.

6.1. Оптичні втрати та коефіцієнт затухання

Однією із важливих характеристик оптичних хвилеводів є втрати оптичної потужності, яких зазнає світловий пучок при поширенні в оптичному хвилеводі (ОХ). Ці втрати обумовлені трьома різними механізмами: розсіянням, абсорбцією та випромінюванням. Втрати обумовлені розсіянням переважають у хвилеводах, які виготовлені з діелектричних матеріалів, тоді як втрати за рахунок поглинання є дуже важливі в ОХ з напівпровідникових та інших кристалічних матеріалів. Втрати внаслідок випромінювання є суттєвими у непрямих (зігнутих по кривій, криволінійних) хвилеводах.

Внаслідок втрат оптичної потужності світловий пучок поступово затухає при поширенні в ОХ. Для кількісного опису величини оптичних втрат у хвилеводі користуються таким параметром як коефіцієнт затухання. У такому разі, оптична потужність в будь-якій точці по довжині ОХ задається виразом:

P(x) = P0 · e–αx

де P0 – початкова потужність світлового пучка (при x = 0), α – коефіцієнт затухання, який вимірюється в одиницях [см–1]. Оптичні втрати в одиницях [дБ/см] пов’язані з коефіцієнтом затухання α з допомогою наступного виразу:

B [дБ/см] = 4,343 · α [см–1]

6.2. Розсіяння

Втрати оптичної потужності світлового пучка, які відбуваються через розсіяння світлових хвиль, називаються втратами на розсіяння. В оптичних хвилеводах розрізняють два види розсіяння: об’ємне розсіяння та поверхневе розсіяння.

Об’ємне розсіяння – це розсіяння світлових хвиль на мікронеоднорідностях оптичної густини внутрішнього об’єму матеріалу хвилеводу. Жоден з матеріалів не має ідеальної внутрішньої молекулярної структури. Це пов’язано з тим, що атоми і молекули є випадковими за своєю природою, а тому розміщуються випадковим чином при формуванні матеріалу. У результаті в об’ємі матеріалу з’являються мікронеоднорідності (незаповнені місця, атоми домішок, дефекти кристалічної структури), які виступають об’єктами або “центрами” розсіяння світлових хвиль, які проходять крізь такий оптичний матеріал. В залежності від розмірів цих об’єктів розсіяння розрізняють два види об’ємного розсіяння – розсіяння Релея та розсіяння Мі. Розсіяння Релея відбувається тоді, коли розміри об’єктів розсіяння менші 1/10 довжини хвилі оптичного випромінювання. Втрати світлової потужності внаслідок релеївського розсіяння обернено пропорційні довжині хвилі у четвертій степені. При збільшенні довжини хвилі ці втрати дуже швидко зменшуються. Розсіяння Мі відбувається на об’єктах, розміри яких є більшими 1/10 довжини хвилі оптичного випромінювання. Незважаючи на це, у більшості оптичних хвилеводів концентрація об’ємних дефектів настільки мала, що втрати внаслідок об’ємного розсіяння надзвичайно малі в порівнянні з втратами за рахунок поверхневого розсіяння.

Поверхневе розсіяння – це розсіяння світлових хвиль на неоднорідностях поверхні розділу двох оптичних матеріалів, у даному випадку на поверхнях розділу плівка/підкладка та плівка/покриття оптичного хвилеводу. Такі неоднорідності є фізичними дефектами поверхні і звичайно виникають в процесі виробництва оптичних хвилеводів. Світлова хвиля хвилеводної моди, яка стикається з такими неоднорідностями поверхні, може перейти в іншу більш високу моду і розсіятися в прилеглому шарі (у підкладці або покритті хвилеводу). Це звичайно веде до втрат потужності світлового пучка, який поширюється в ОХ. Взагалі, поверхневе розсіяння змушує світлові хвилі дуже часто змінювати моди, внаслідок чого світлова енергія перекачується з однієї моди в іншу. Це явище називається зв’язуванням мод (mode coupling) або змішуванням мод (mode mixing). У кінцевому результаті направлені моди вищих порядків зв’язуються з випромінювальними модами, що приводить до виходу частини енергії світлового пучка з хвилеводу і виникнення оптичних втрат. Навіть якщо поверхня розділу є відносно гладкою, втрати в ОХ внаслідок поверхневого розсіяння можуть бути значними. Це стосується в першу чергу мод вищих порядків, які сильніше взаємодіють з поверхнями розділу плівка/підкладка та плівка/покриття ОХ. Світлова хвиля, яка поширюється у хвилеводному шарі, зазнає дуже багато відбивань на цих поверхнях. На довжині L число відбивань від кожної поверхні розділу рівне:

N = L / (2 · h · tg θm)

де h – товщина хвилеводного шару, θm – кут поширення моди m-го порядку в ОХ. З цього виразу випливає, що для мод вищих порядків, для яких кути поширення θm є менші, число відбивань більше, отже вони зазнають більших втрат внаслідок поверхневого розсіювання.

В загальному випадку поверхневе розсіяння переважає в ОХ з діелектричних матеріалів і може складати від 0,5 до 5 дБ/см для мод нижчих порядків. Ці втрати відповідають поверхневим неоднорідностям розміром ~1 мкм, які спостерігаються в ОХ, що виготовлені методом розпилення. В ОХ з н/п матеріалів варіація товщини підтримується на рівні 0,01 мкм, крім того, абсорбційні втрати є набагато більшими, тому поверхневе розсіяння у таких хвилеводах не розглядається.