Формирование оптических волноводов в силикатных стеклах при электронном облучении
УДК 681.7.068
Формирование оптических волноводов в силикатных стеклах при электронном облучении
© 2011 г. А. А. Жигалов*; А. И. Игнатьев*; Н. В. Никоноров*, доктор физ.-мат. наук; О. А. Подсвиров**, доктор физ.-мат. наук; А. И. Сидоров*, доктор физ.-мат. наук
** Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, ** механики и оптики, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург
** Е-mail: aisidorov@qip.ru
Экспериментально показано, что облучение силикатных стекол электронным пучком приводит к формированию в приповерхностном слое стекла слоистой структуры с повышенным показателем преломления, обладающей волноводными свойствами. Данный эффект связан с локальным увеличением показателя преломления стекла в результате полевой миграции положительных ионов металла в область отрицательного объемного заряда.
Ключевые слова: оптический волновод, силикатное стекло, электронный луч.
Коды OCIS: 060.2270, 060.2290, 060.2300
Поступила в редакцию 27.04.2011
Силикатные стекла являются важным материалом для устройств интегральной оптики. Они технологичны и обладают высокими оптическими и механическими характеристиками. Существует ряд методов формирования градиентных оптических волноводов в стеклах. К ним относятся термодиффузия, метод ионного обмена, метод ионной имплантации и запись волноводов лазерным лучом [1–4]. Все эти методы основаны на локальных изменениях состава, структуры или внутренних механических напряжений в стекле, приводящих к локальному увеличению показателя преломления. В работах [5, 6] показано, что при облучении пучком электронов натриево-силикатных стекол, содержащих ионы серебра, в приповерхностном слое стекла возникает отрицательный объемный заряд, приводящий к полевой миграции подвижных положительных ионов металла из объема стекла к его поверхности. Такое перераспределение ионов металла должно приводить к увеличению показателя преломления стекла в приповерхностном слое, т. е. к формированию оптического волновода. Целью настоящей работы была экспериментальная проверка возможности записи в стеклах волноводных структур электронным лучом и оценка характеристик таких волноводов.
Для проведения исследований использовались два типа стекол: фототерморефрактивные (ФТР) стекла [7] с ионами серебра и натриевоборосиликатные (НБС) покровные стекла. ФТР стекла изготавливались в СПбГУ ИТМО и имели следующий исходный состав: Na2O-ZnO- Al2O3SiO2-NaF-NaCl с добавками CeO2 (0,02 вес%), Ag2O (0,47 вес%) и Sb2O3 (0,2 вес%). Образцы представляли собой полированные плоскопараллельные пластины толщиной 1,5–2 мм. Показатель преломления ФТР стекла, измеренный рефрактометром Аббе ИРФ-454, составил 1,499, а НБС стекла – 1,511. Облучение электронами проводилось на сканирующем электронном микроскопе JEBD-2 при энергии электронов Е = 10 кэВ. Плотность электронного тока составляла j = 0,5–5 мкА/см2, доза электронного облучения варьировалась от Q = = 0,7 до 2,5 мК/см2. Облучение проводилось при комнатной температуре. Для удаления поверхностного заряда образцы покрывались слоем Al толщиной 50–100 нм, который после облучения электронами удалялся травлением в растворе KOH. Облученная зона представляла собой полосу 1×25 мм и формировалась путем перемещения электронного луча вдоль поверхности стекла (рис. 1а). Возбуждение волноводных мод проводилось призменным методом
“Оптический журнал”, 78, 10, 2011
63
Электронный луч
(а)
(б) (в) n
0
200 нм
z
Рис. 1. Схема записи волновода (а). ТЕМизображение слоев наночастиц серебра в ФТР стекле после электронного облучения и термообработки (б), стрелкой отмечена поверхность стекла. Качественное распределение показателя преломления по глубине (в).
[1, 8] для ТМ-поляризации падающего излучения. Источником излучения служил He-Ne лазер ОКГ-13 (λ = 632 нм). Для модификации сформированных волноводов проводилась дополнительная термообработка образцов в муфельной печи (Neibotherm) при температуре 350 °С в течение 1 ч. Выбор режима термообработки важен для ФТР стекла. Это связано с тем, что при увеличении температуры и продолжительности нагрева в ФТР стекле, облученном электронами, формируются наночастицы металлического серебра [6]. В данном случае это нежелательно, так как приведет к существенному увеличению коэффициента поглощения.
Эксперименты показали, что облучение электронами вызывает образование вблизи поверхности стекла одномодового градиентного волновода. Ниже приведены диапазоны углов θ падения излучения на призму, при которых возбуждается волноводная мода.
ФТР стекло после облучения электронами (E = 10 кэВ, Q = 2,1 мК/см2, j = 2,1 мкА/см2) – θ = 21°16′–22°16′, Δθ = 1°,
ФТР стекло после термообработки – θ = = 22°10′–22°18′, Δθ = 8′,
НБС стекло после облучения электронами (E = 10 кэВ, Q = 5 мК/см2, j = 2,5 мкА/см2) – θ = 19°19′–22°35′, Δθ = 3°16′,
НБС стекло после термообработки – θ = = 23°24′–24°26′, Δθ = 1°2′.
Отметим, что диапазоны углов падения излучения на призму, при которых возбуждается волноводная мода, относительно велики. После термообработки происходит уменьшение этих диапазонов углов.
Рассмотрим некоторые особенности процессов, происходящих в стекле при облучении электронами. Расчет показывает, что при энергии электронов в пучке 10 кэВ толщина при поверхностного слоя стекла, в котором элект роны теряют энергию, равна 0,5 мкм, а область максимальных потерь энергии лежит на глубине 0,25 мкм от поверхности. Термализованные электроны образуют в приповерхностном слое отрицательный объемный заряд, который в ытягивает подвижные положительные ионы металлов (Na+, Ag+) из объема стекла к поверхности. Увеличение концентрации ионов металлов, имеющих высокую поляризуемость, приводит к образованию в приповерхностном слое стекла области с повышенным показателем преломления n, обладающей волноводными свойствами. Наибольший вклад в этот процесс вносят ионы Na+ ввиду их высокой концентрации и высокой подвижности [9].
Как показано в работе [10], методом численного моделирования при облучении электро нами диэлектрика, содержащего носители заряда противоположных знаков, имеющие разную подвижность, объемный заряд распределяется в виде слоев. При этом напряженность электрического поля между слоями может достигать 100–200 кВ/см. Толщина слоев объемного заряда увеличивается по мере удаления от облучаемой поверхности. Экспериментально данный эффект подтвержден в работе [6]. На рис. 1б показано ТЕМ-изображение слоев наночастиц серебра в ФТР стекле после электрон-
64 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011
F1, F2
5
F1
0 F2
(а) n3 n1 n3 n2 n2
– 5 14,95
5
15
F1
15,05
(б)
15,1
0
F2
– 5 14,95 15 15,05
Рис. 2. Графическое решение характеристического уравнения F1(β) = F2(β) симметрич ного W-волновода для моды ТМ0. а – Δn = = n3 – n2 = 0,01, б – Δn = 0,007. Штриховой линией обозначены области существования решения. На вставке – профиль п оказателя пре ломления W-волновода.
ного облучения (Е = 10 кэВ, Q = 50 мК/см2) и термообработки при t = 500 °С в течение 5 ч. Из рисунка видно, что наночастицы серебра располагаются слоями, параллельными поверхности, причем толщина слоев увеличивается по мере удаления от поверхности. Слои формируются в областях максимальной концентрации атомов серебра, соответствующих слоям объемного заряда. Поэтому естественно предпо-
ложить, что непосредственно после облучения электронами сформированный волновод имеет профиль показателя преломления по глубине, качественно показанный на рис. 1в. Структура такого волновода подобна структуре пяти слойного волновода W-типа [11], имеющего сердечник с высоким n1, внутреннюю оболочку с низким n2 и внешнюю оболочку с высоким n3 (см. вставку в рис. 2а). В данном случае W-волновод является асимметричным с градиентным профилем показателя преломления. Это не позволяет провести измерение эффективного показателя преломления моды по стандартной методике [8]. Особенностью W-волноводов является поддерживание ими моды нулевого порядка в широких пределах варьирования постоянной распространения β [11], а моды высших порядков становятся в ытекающими. Иллюстрацией возможности в арьирования β, а следовательно и угла падения θ, при котором возбуждается мода, служит графическое решение характеристического уравнения симметричного W-волновода со ступенчатым профилем показателя преломления, показанное на рис. 2а. Из рисунка видно, что для Δn = n3 – n2 = 0,01 решение существует в относительно широком диапазоне изменения β. При уменьшении Δn область существо вания решения сужается (рис. 2б). В данном случае это соответствует расплыванию слоев при термообработке в результате термической диффузии ионов и атомов металла.
Таким образом, электронное облучение стекла приводит к формированию волноводных структур вблизи его поверхности. Данный эффект может найти применение при создании интегрально-оптических устройств.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Интегральная оптика. Под ред. Тамира Т. М.: Мир, 1978. 344 с.
2. Никоноров Н.В., Петровский Г.Т. Стекла для ионного обмена в интегральной оптике: современное состояние и тенденции дальнейшего развития // Физ. и хим. стекла. 1999. Т. 25. № 1. С. 21–43.
3. Nolte S., Will M., Burghoff J., Tuennermann A. Femtosecond waveguide writing: a new avenue to three-dimensional integrated optics // Appl. Phys. A. 2003. V. 77. P. 109–111.
4. Cheng G., Mishchik K., Mauclair C., Audouard E., Stoian R. Ultrafast laser photoinscription of polarization sensitive devices in bulk silica glass // Opt. Express. 2009. V. 17. № 12. P. 9515–9520.
5. Podsvirov O.A., Ignatiev A.I., Nashchekin A.V., Nikonorov N.V., Sidorov A.I., Tsekhomsky V.A., Usov O.A., Vostokov A.V. Modification of Ag containing photo-thermo-refractive glasses induced by electron-beam irradiation // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B. 2010. V. 268. P. 3103–3106.
6. Игнатьев А.И., Нащекин А.В., Неведомский В.М., Подсвиров О.А., Сидоров А.И., Соловьев А.П., Усов О.А. Особенности формирования наночастиц серебра в фототерморефрактивных стеклах при электронном о блучении // ЖТФ. 2011. Т. 81. В. 5. С. 75–80.
7. Dotsenko A.V., Glebov L.B., Tsekhomsky V.A. Physics and Chemistry of Photochromic Glasses. CRC Press LLC, 1998. 190 p.
“Оптический журнал”, 78, 10, 2011
65
8. Голубков В.С., Евтихиев Н.Н., Папуловский В.Ф. Интегральная оптика в информационной технике. М.: Энергоатомиздат, 1985. 152 с.
9. Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов. М.: Мир, 1984. 512 с. 10. Touzin M., Goeriot D., Guerret-Piécort C., Juvé D., Tréheux D., Fitting H.-J. Electron beam charging of insu-
lators: A self-consistent flight-drift model // Appl. Phys.2006. V. 99. P. 114110. 11. Tervonen A., Honkanen S., Leppihalme M. Control of ion-exchanged waveguide profiles with Ag thin-film
sources // Appl. Phys. 1987. V. 62. P. 759–765.
66 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011
Формирование оптических волноводов в силикатных стеклах при электронном облучении
© 2011 г. А. А. Жигалов*; А. И. Игнатьев*; Н. В. Никоноров*, доктор физ.-мат. наук; О. А. Подсвиров**, доктор физ.-мат. наук; А. И. Сидоров*, доктор физ.-мат. наук
** Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, ** механики и оптики, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург
** Е-mail: aisidorov@qip.ru
Экспериментально показано, что облучение силикатных стекол электронным пучком приводит к формированию в приповерхностном слое стекла слоистой структуры с повышенным показателем преломления, обладающей волноводными свойствами. Данный эффект связан с локальным увеличением показателя преломления стекла в результате полевой миграции положительных ионов металла в область отрицательного объемного заряда.
Ключевые слова: оптический волновод, силикатное стекло, электронный луч.
Коды OCIS: 060.2270, 060.2290, 060.2300
Поступила в редакцию 27.04.2011
Силикатные стекла являются важным материалом для устройств интегральной оптики. Они технологичны и обладают высокими оптическими и механическими характеристиками. Существует ряд методов формирования градиентных оптических волноводов в стеклах. К ним относятся термодиффузия, метод ионного обмена, метод ионной имплантации и запись волноводов лазерным лучом [1–4]. Все эти методы основаны на локальных изменениях состава, структуры или внутренних механических напряжений в стекле, приводящих к локальному увеличению показателя преломления. В работах [5, 6] показано, что при облучении пучком электронов натриево-силикатных стекол, содержащих ионы серебра, в приповерхностном слое стекла возникает отрицательный объемный заряд, приводящий к полевой миграции подвижных положительных ионов металла из объема стекла к его поверхности. Такое перераспределение ионов металла должно приводить к увеличению показателя преломления стекла в приповерхностном слое, т. е. к формированию оптического волновода. Целью настоящей работы была экспериментальная проверка возможности записи в стеклах волноводных структур электронным лучом и оценка характеристик таких волноводов.
Для проведения исследований использовались два типа стекол: фототерморефрактивные (ФТР) стекла [7] с ионами серебра и натриевоборосиликатные (НБС) покровные стекла. ФТР стекла изготавливались в СПбГУ ИТМО и имели следующий исходный состав: Na2O-ZnO- Al2O3SiO2-NaF-NaCl с добавками CeO2 (0,02 вес%), Ag2O (0,47 вес%) и Sb2O3 (0,2 вес%). Образцы представляли собой полированные плоскопараллельные пластины толщиной 1,5–2 мм. Показатель преломления ФТР стекла, измеренный рефрактометром Аббе ИРФ-454, составил 1,499, а НБС стекла – 1,511. Облучение электронами проводилось на сканирующем электронном микроскопе JEBD-2 при энергии электронов Е = 10 кэВ. Плотность электронного тока составляла j = 0,5–5 мкА/см2, доза электронного облучения варьировалась от Q = = 0,7 до 2,5 мК/см2. Облучение проводилось при комнатной температуре. Для удаления поверхностного заряда образцы покрывались слоем Al толщиной 50–100 нм, который после облучения электронами удалялся травлением в растворе KOH. Облученная зона представляла собой полосу 1×25 мм и формировалась путем перемещения электронного луча вдоль поверхности стекла (рис. 1а). Возбуждение волноводных мод проводилось призменным методом
“Оптический журнал”, 78, 10, 2011
63
Электронный луч
(а)
(б) (в) n
0
200 нм
z
Рис. 1. Схема записи волновода (а). ТЕМизображение слоев наночастиц серебра в ФТР стекле после электронного облучения и термообработки (б), стрелкой отмечена поверхность стекла. Качественное распределение показателя преломления по глубине (в).
[1, 8] для ТМ-поляризации падающего излучения. Источником излучения служил He-Ne лазер ОКГ-13 (λ = 632 нм). Для модификации сформированных волноводов проводилась дополнительная термообработка образцов в муфельной печи (Neibotherm) при температуре 350 °С в течение 1 ч. Выбор режима термообработки важен для ФТР стекла. Это связано с тем, что при увеличении температуры и продолжительности нагрева в ФТР стекле, облученном электронами, формируются наночастицы металлического серебра [6]. В данном случае это нежелательно, так как приведет к существенному увеличению коэффициента поглощения.
Эксперименты показали, что облучение электронами вызывает образование вблизи поверхности стекла одномодового градиентного волновода. Ниже приведены диапазоны углов θ падения излучения на призму, при которых возбуждается волноводная мода.
ФТР стекло после облучения электронами (E = 10 кэВ, Q = 2,1 мК/см2, j = 2,1 мкА/см2) – θ = 21°16′–22°16′, Δθ = 1°,
ФТР стекло после термообработки – θ = = 22°10′–22°18′, Δθ = 8′,
НБС стекло после облучения электронами (E = 10 кэВ, Q = 5 мК/см2, j = 2,5 мкА/см2) – θ = 19°19′–22°35′, Δθ = 3°16′,
НБС стекло после термообработки – θ = = 23°24′–24°26′, Δθ = 1°2′.
Отметим, что диапазоны углов падения излучения на призму, при которых возбуждается волноводная мода, относительно велики. После термообработки происходит уменьшение этих диапазонов углов.
Рассмотрим некоторые особенности процессов, происходящих в стекле при облучении электронами. Расчет показывает, что при энергии электронов в пучке 10 кэВ толщина при поверхностного слоя стекла, в котором элект роны теряют энергию, равна 0,5 мкм, а область максимальных потерь энергии лежит на глубине 0,25 мкм от поверхности. Термализованные электроны образуют в приповерхностном слое отрицательный объемный заряд, который в ытягивает подвижные положительные ионы металлов (Na+, Ag+) из объема стекла к поверхности. Увеличение концентрации ионов металлов, имеющих высокую поляризуемость, приводит к образованию в приповерхностном слое стекла области с повышенным показателем преломления n, обладающей волноводными свойствами. Наибольший вклад в этот процесс вносят ионы Na+ ввиду их высокой концентрации и высокой подвижности [9].
Как показано в работе [10], методом численного моделирования при облучении электро нами диэлектрика, содержащего носители заряда противоположных знаков, имеющие разную подвижность, объемный заряд распределяется в виде слоев. При этом напряженность электрического поля между слоями может достигать 100–200 кВ/см. Толщина слоев объемного заряда увеличивается по мере удаления от облучаемой поверхности. Экспериментально данный эффект подтвержден в работе [6]. На рис. 1б показано ТЕМ-изображение слоев наночастиц серебра в ФТР стекле после электрон-
64 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011
F1, F2
5
F1
0 F2
(а) n3 n1 n3 n2 n2
– 5 14,95
5
15
F1
15,05
(б)
15,1
0
F2
– 5 14,95 15 15,05
Рис. 2. Графическое решение характеристического уравнения F1(β) = F2(β) симметрич ного W-волновода для моды ТМ0. а – Δn = = n3 – n2 = 0,01, б – Δn = 0,007. Штриховой линией обозначены области существования решения. На вставке – профиль п оказателя пре ломления W-волновода.
ного облучения (Е = 10 кэВ, Q = 50 мК/см2) и термообработки при t = 500 °С в течение 5 ч. Из рисунка видно, что наночастицы серебра располагаются слоями, параллельными поверхности, причем толщина слоев увеличивается по мере удаления от поверхности. Слои формируются в областях максимальной концентрации атомов серебра, соответствующих слоям объемного заряда. Поэтому естественно предпо-
ложить, что непосредственно после облучения электронами сформированный волновод имеет профиль показателя преломления по глубине, качественно показанный на рис. 1в. Структура такого волновода подобна структуре пяти слойного волновода W-типа [11], имеющего сердечник с высоким n1, внутреннюю оболочку с низким n2 и внешнюю оболочку с высоким n3 (см. вставку в рис. 2а). В данном случае W-волновод является асимметричным с градиентным профилем показателя преломления. Это не позволяет провести измерение эффективного показателя преломления моды по стандартной методике [8]. Особенностью W-волноводов является поддерживание ими моды нулевого порядка в широких пределах варьирования постоянной распространения β [11], а моды высших порядков становятся в ытекающими. Иллюстрацией возможности в арьирования β, а следовательно и угла падения θ, при котором возбуждается мода, служит графическое решение характеристического уравнения симметричного W-волновода со ступенчатым профилем показателя преломления, показанное на рис. 2а. Из рисунка видно, что для Δn = n3 – n2 = 0,01 решение существует в относительно широком диапазоне изменения β. При уменьшении Δn область существо вания решения сужается (рис. 2б). В данном случае это соответствует расплыванию слоев при термообработке в результате термической диффузии ионов и атомов металла.
Таким образом, электронное облучение стекла приводит к формированию волноводных структур вблизи его поверхности. Данный эффект может найти применение при создании интегрально-оптических устройств.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Интегральная оптика. Под ред. Тамира Т. М.: Мир, 1978. 344 с.
2. Никоноров Н.В., Петровский Г.Т. Стекла для ионного обмена в интегральной оптике: современное состояние и тенденции дальнейшего развития // Физ. и хим. стекла. 1999. Т. 25. № 1. С. 21–43.
3. Nolte S., Will M., Burghoff J., Tuennermann A. Femtosecond waveguide writing: a new avenue to three-dimensional integrated optics // Appl. Phys. A. 2003. V. 77. P. 109–111.
4. Cheng G., Mishchik K., Mauclair C., Audouard E., Stoian R. Ultrafast laser photoinscription of polarization sensitive devices in bulk silica glass // Opt. Express. 2009. V. 17. № 12. P. 9515–9520.
5. Podsvirov O.A., Ignatiev A.I., Nashchekin A.V., Nikonorov N.V., Sidorov A.I., Tsekhomsky V.A., Usov O.A., Vostokov A.V. Modification of Ag containing photo-thermo-refractive glasses induced by electron-beam irradiation // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B. 2010. V. 268. P. 3103–3106.
6. Игнатьев А.И., Нащекин А.В., Неведомский В.М., Подсвиров О.А., Сидоров А.И., Соловьев А.П., Усов О.А. Особенности формирования наночастиц серебра в фототерморефрактивных стеклах при электронном о блучении // ЖТФ. 2011. Т. 81. В. 5. С. 75–80.
7. Dotsenko A.V., Glebov L.B., Tsekhomsky V.A. Physics and Chemistry of Photochromic Glasses. CRC Press LLC, 1998. 190 p.
“Оптический журнал”, 78, 10, 2011
65
8. Голубков В.С., Евтихиев Н.Н., Папуловский В.Ф. Интегральная оптика в информационной технике. М.: Энергоатомиздат, 1985. 152 с.
9. Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов. М.: Мир, 1984. 512 с. 10. Touzin M., Goeriot D., Guerret-Piécort C., Juvé D., Tréheux D., Fitting H.-J. Electron beam charging of insu-
lators: A self-consistent flight-drift model // Appl. Phys.2006. V. 99. P. 114110. 11. Tervonen A., Honkanen S., Leppihalme M. Control of ion-exchanged waveguide profiles with Ag thin-film
sources // Appl. Phys. 1987. V. 62. P. 759–765.
66 “Оптический журнал”, 78, 10, 2011