Патент на изобретение №2334260

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области интегральной оптики. Сущность изобретения состоит в изготовлении многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) путем проведения протонно-обменной реакции через специальную маску в расплаве кислоты. Протонно-обменную реакцию проводят с использованием кристалла танталата лития в герметичном автоклаве при низкочастотной вибрации и при температуре 310-373°С в течении 5-22 часов в расплаве чистой стеариновой кислоты с добавкой стеарата лития в диапазоне концентраций 0,5-1,15 вес.%, при этом низкочастотную вибрацию осуществляют с частотой от 5 до 8 Гц. Технический результат – возможность улучшения параметров волоконно-оптических гироскопов.

Изобретение относится к области интегральной оптики и может быть использовано в оптоэлектронных устройствах, в частности в волоконно-оптических гироскопах.

Одним из основных элементов волоконно-оптического гироскопа является многофункциональный интегрально-оптический элемент (МИОЭ), состоящий из линейного поляризатора, Y-разветлителя и двух электрооптических фазовых модуляторов. Луч света расщепляется на две волны равной амплитуды, распространяющихся в канальных световодах, являющихся фазовыми модуляторами в плечах Y-разветлителя.

Известен способ изготовления МИОЭ на кристаллах ниобата лития. Он заключатся в селективной диффузии титана при очень высоких температурах – 1000-1100°С [1].

Однако необходимость использования столь высоких температур обуславливает главные недостатки этого способа – огромные энергозатраты, сложность и высокую стоимость используемого оборудования. Существенным недостатком данного способа является также сложность необходимых вспомогательных технологий подавления сопутствующей аут-диффузии лития и постдиффузионного высокотемпературного окислительного отжига, что огранивает возможность прецизионного контроля параметров МИОЭ. Кроме того, титан-диффузионные МИОЭ характеризуются очень высоким фоторефрактивным повреждением, приводящим, в конечном счете, к росту оптических потерь и дрейфу параметров МИОЭ во включенном состоянии.

Известен альтернативный способ изготовления МИОЭ на кристалле ниобата лития, заключающийся в использовании технологии отожженного протонного обмена (ОПО), которая сочетает процессы прямого низкотемпературного протонного обмена при 140-230°С в расплаве чистой или разбавленной бензоатом лития бензойной кислоты и последующего высокотемпературного отжига при 320-360°С [2].

Важным преимуществом любых протон-обменных МИОЭ, по сравнению с титан-диффузионными МИОЭ является значительно меньший уровень эффекта фоторефрактивного повреждения.

Однако неизбежным недостатком этого способа является то, что различные дефекты формируются в приповерхностном слое кристалла благодаря резким изменениям фазового состава этой части МИОЭ в течение как протонного обмена, так и постобменного отжига. Появление значительного количества дефектов приводит к формированию приповерхностного нарушенного слоя, вызывая тем самым значительное рассеяние света и, как следствие, заметный рост оптических потерь в поучаемых МИОЭ. Кроме того, технологии ОПО присуща сложность, обусловленная многостадийностью технологического процесса (протонный обмен+отжиг+специальная обработка по уменьшению толщины приповерхностного нарушенного слоя). Следовательно, способ изготовления МИОЭ с помощью технологии ОПО характеризуется вынужденной трудоемкостью.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления МИОЭ на кристалле ниобата лития, заключающийся в использовании технологии высокотемпературного протонного обмена (ВТПО), которая использует одностадийный технологический процесс, не приводящий к фазовым переходам и формированию дефектов в приповерхностной области волновода [3].

Однако оптические волноводы и МИОЭ, получаемые методом ВПТО в кристаллах ниобата лития, показывают значительное фоторефрактивное повреждение при больших мощностях лазерного излучения, хотя и являются наиболее стойкими к такому повреждению по сравнению с устройствами формируемыми другими известными методами, включая диффузию титана и ОПО.

Цель изобретения – уменьшение фоторефрактивного повреждения при больших мощностях ИК-излучения, обеспечивающее значительное улучшение параметров высокоточных волоконно-оптических гироскопов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) на кристалле танталата лития путем проведения протонно-обменной реакции через специальную маску в расплаве кислоты, протонно-обменную реакцию проводят в герметичном автоклаве при низкочастотной вибрации и при температуре 310-373°С в течении 5-22 часов в расплаве чистой стеариновой кислоты с добавкой стеарата лития в диапазоне концентраций от 0,5 до 1,15 вес.%. Низкочастотную вибрацию осуществляют с частотой от 5 до 8 Гц. Выбор данных параметров протонно-обменной реакции обусловлен тем, что кристалл танталата лития характеризуется более низкими значениями коэффициентов диффузии протонов (при заданной температуре и кислотности расплава [4]) по сравнению с кристаллом ниобата лития, используемом в прототипе [3]. Поэтому для компенсации этого фактора была увеличена длительность и повышен нижний предел температурного диапазона проведения протонно-обменной реакции в расплаве с кислотностью, пониженной добавлением большего количества стеарата лития. Однако при концентрациях стеарата лития, превышающих 1,15 вес.%, изменение необыкновенного показателя преломления танталата лития, обусловленное протонно-обменной реакцией, резко уменьшается и становится невозможным формирование одномодовых канальных волноводов с характеристиками приемлемыми для изготовления МИОЭ.

Эффект фоторефрактивного повреждения является нежелательным следствием фоторефрактивного эффекта и заключается в появлении светоиндуцированных изменений интенсивности и фазы пучков, распространяющихся в волноводах. Эти изменения имеют сложную кинетику, зависящую от длины волны и интенсивности светового пучка, с характерным временем в диапазоне от 0,001 сек до сотен часов. Следствием этого является нестабильность работы интегрально-оптических устройств. Характерной чертой фоторефрактивного повреждения является пороговая интенсивность, при которой эффект становится заметен. При увеличении длины волны оптического излучения наблюдается рост пороговой интенсивности, что дает возможность подавления паразитного эффекта повреждения за счет использования ИК-излучения с длинами волн второго и третьего телекоммуникационного окон, т.е. вблизи 1,3 и 1,5 мкм, при использовании источников света малой и средней мощности (до 100 мВт в интегрально-оптических элементах на кристаллах ниобата лития). В то же время для перспективных высокоточных волоконно-оптических гироскопов и спутниковых систем связи требуются интегрально-оптические элементы, работающие при больших мощностях (от 100 до 500 мВт) ИК-излучения с такими длинами волн. В то же время известно, что фоторефрактивный эффект в кристаллах танталата лития почти в 20 раз меньше по сравнению с кристаллами ниобата лития при фиксированном значении оптической мощности. Следовательно, при изготовлении МИОЭ методом ВПТО порог фоторефрактивного повреждения должен увеличится значительно за счет замены ниобата лития на танталат лития.

Патентуемый способ осуществляется следующим образом.

Способ осуществляют в герметичном автоклаве, в который помещают источник протонного обмена – расплав стеариновой кислоты с добавкой стеарата лития в концентрации от 0,5 до 1,15 вес.%. На кристалле танталата лития предварительно фотолитографическим методом образуют массу специальной топологии. Затем этот кристалл помещают в расплав стеариновой кислоты, находящейся в герметичном автоклаве.

Высокотемпературный протонный обмен (ВТПО) проводят при температуре 310-373°С в течение 5-22 часов при низкочастотной вибрации, с частотой от 5 до 8 Гц.

Используемый расплав характеризуется высокой температурой кипения, низким давлением пара и кислотностью, зависящей от массового содержания добавки стеарата лития (СЛ) в стеариновой кислоте (СК). Поэтому создана возможность для управления оптическими параметрами получаемых волноводов, варьированием значений содержания СЛ в диапазоне от 0,5 до 1,15 вес.%. Для поддержания постоянного давления в ходе реакции и равномерного распределения стеарата лития используют герметичный автоклав, вибрирующий с постоянной низкой частотой, предпочтительно, 5-8 Гц. При меньших частотах перемешивание стеарата лития и стеариновой кислоты будет медленным и, поэтому распределение стеарата лития в автоклаве будет неравномерным. А при больших частотах вибрации становится возможным механическое повреждение МИОЭ из-за ударов о стенки металлического автоклава. Длительность протонного обмена выбирается в соответствии с длиной волны оптического излучения, используемого в волоконно-оптическом гироскопе, для которого создается конкретный МИОЭ. Длительности протонного обмена меньшие 5 часов не достаточны для формирования одномодовых канальных волноводов, работающих в ближнем ИК-диапазоне, а следовательно, для изготовления МИОЭ в кристаллах танталата лития. При длительностях протонного обмена, больших 22 часов, будут формироваться только многомодовые канальные волноводы, не пригодные для практического использования в МИОЭ.

Использование способа позволит увеличить порог фоторефрактивного повреждения в получаемых МИОЭ, по сравнению с прототипом, в 8 раз. Предлагаемый способ позволит увеличить пороговую мощность фоторефрактивного повреждения до 490 мВт для МИОЭ, работающих на длинах волн оптического излучения вблизи 1,5 мкм. Кроме того, очень важным преимуществом предлагаемого способа, по сравнению с прототипом, является то, что показатель преломления необыкновенного луча увеличивается, а показатель преломления обыкновенного луча уменьшается в МИОЭ на кристаллах танталата лития. В результате этого моды только одной поляризации (в нашем случае ТЕ-мода) распространяются в МИОЭ. Поэтому нет необходимости использовать дополнительный поляризатор, который является источником дополнительных потерь. Значения коэффициента поляризационной экстинкции для света, прошедшего МИОЭ, достигает экстремально высоких значений – больших, чем 60 дБ, что больше, по сравнению с прототипом, на 10-15 дБ. Такая высокая степень поляризации автоматически дает принципиальную возможность для достижения более высокой точности у волоконно-оптических гироскопов, использующих МИОЭ, изготовленный предлагаемым способом.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США: US №5442719, G02В 6/12, 1995.

2. Патент США: US №6374005, G02В 6/122, 2001.

3. Патент РФ: RU 2248020 C1, G02B 6/134, 2003 – прототип.

4. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A. ION EXCHANGE IN SINGLE CRYSTALS FOR INTEGATED OPTICS AND OPTOELECTRONICS. Cambridge Int. Science Publishing. – 1999. Cambridge. – UK. – 516 pages.

Формула изобретения

Способ изготовления многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) путем проведения протонно-обменной реакции через специальную маску в расплаве чистой стеариновой кислоты с добавкой стеарата лития в герметичном автоклаве при температуре 310-373°С и низкочастотной вибрации, отличающийся тем, что протонно-обменную реакцию проводят в кристаллах танталата лития в течение 5-22 ч при использовании диапазона концентраций стеарата лития от 0,5 до 1,15 вес.%.