Устройство для изготовления оптических волноводов

Изобретение относится к области волоконной оптики и представляет собой устройство для изготовления оптических волноводов, в том числе кварцевых заготовок волоконных световодов (КЗВС) и планарных оптических волноводов (ПОВ) с повышенной числовой апертурой (NA=0,30, состава SiO₂-F/SiO₂ , где SiO₂-F-светоотражающая оболочка, a SiO₂ - сердцевина) методом СВЧ-плазменного осаждения реагентов из газовой фазы при пониженном давлении. Данное изобретение особенно полезно при изготовлении ПОВ для создания компонентов волоконно-оптических систем передачи информации (пассивные и активные оптические разветвители, спектральные мультиплексоры/демультиплексоры) подвижных объектов, для атомных станций и т.д., к которым предъявляются повышенные требования к механическим воздействиям, радиационно-оптической стойкости и т.д. В заявке описывается устройство для производства оптических волноводов, включающее СВЧ-плазматрон, нагревательные элементы, опорную кварцевую трубу, проходящую через плазматрон, при этом СВЧ-плазматрон выполнен в виде плазматрона волноводного типа с прямоугольным сечением волновода, работающего на Н ₁₀-волне, нагревательные элементы расположены по обе стороны СВЧ-плазматрона вокруг опорной кварцевой трубы (ОКТ) соосно с ней и непосредственно примыкают к СВЧ-плазматрону, а ОКТ размещена перпендикулярно широкой стенке волновода с возможностью совершать возвратно-поступательное движение относительно плазматрона. Снаружи ОКТ, между нагревательными элементами, внутри СВЧ-плазматрона расположена теплоизоляционная труба, выполненная из диэлектрического материала и являющаяся дополнительным нагревательным элементом. Определены оптимальные условия, при которых достигается наибольшая эффективность устройства. В заявляемом устройстве наблюдается более высокая скорость осаждения продуктов реакции и однородность осаждаемых слоев, достигается повышенная концентрация в стекле легирующих добавок, уменьшается расход реагентов и значительно снижаются общие энергозатраты. При этом используется значительно меньшая СВЧ-мощность (при обеспечении высокого энерговклада в плазменно-химический процесс) и существенно меньшая тепловая мощность для нагревательных элементов, упрощается конструкция установки, уменьшаются ее габариты и вес, а также снижается расход воды.

Изобретение относится к области волоконной оптики, в частности, к устройствам для изготовления кварцевых заготовок волоконных световодов (КЗВС) с повышенной числовой апертурой СВЧ-плазменным осаждением реагентов из газовой фазы на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы (ОКТ), а также для изготовления высокоапертурных планарных много- и одномодовых оптических волноводов (ПОВ) на кремниевых и кварцевых подложках.

Устройство позволяет получать наноструктурные ПОВ на основе кварцевого стекла, легированного фтором в СВЧ-плазме пониженного давления для целей микро- и оптоэлектроники. ПОВ широко применяются в MOEMS-технологиях, интегрально-оптических датчиках, компонентах волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ), в том числе и для атомных станций, и в частности, в пассивных и активных оптических разветвителях. спектральных мультиплексорах/демультиплексорах. Перспективно использование волноводов состава SiO ₂-F/SiO₂ (где SiO ₂-F - светоотражающая оболочка, a SiO₂ - сердцевина) для создания компонентов ВОСПИ подвижных объектов, для атомных станций и т.д., к которым предъявляются повышенные требования к механическим воздействиям, радиационно-оптической стойкости и т.д.

Данное изобретение полезно также при изготовлении активированных волоконных световодов (АВС) с фторсиликатной (SiO ₂-F) оболочкой и сердцевиной, легированной редкоземельными элементами (Nd, Er, Ho, Yb, Eu и т.д.), а также для формирования волоконных световодов (ВС) с сердцевиной, легированной германием, фосфором или азотом. В настоящее время АВС, легированные редкоземельными элементами, широко используются для создания волоконно-оптических лазеров, усилителей и датчиков различных типов. Световоды с оксонитридной (SiON) сердцевиной и SiO₂-F - оболочкой имеют хорошую перспективу для использования в ультрафиолетовом диапазоне спектра, а также для разработки волоконно-оптических систем, где требуются ВС с высокой числовой апертурой (NA>0,5).

Для формирования ПОВ обычно используют методы парофазного химического осаждения (CVD), осаждение пламенным гидролизом (FHD), ВЧ-плазменным химическим парофазным осаждением (PECVD). Волноводные структуры, формируемые известными методами имеют значительные внутренние напряжения и это не позволяет создавать ПОВ с достаточно большой апертурой (более 0,25) и с поперечными размерами волноводной области, обеспечивающими эффективное согласование со стандартными многомодовыми волокнами с диаметром сердцевины 50 и 100 мкм.

Преимуществом плазмохимических технологий типа PCVD, SPCVD является возможность осаждения стекла непосредственно из газовой фазы, минуя стадию образования частиц и их термофоретического транспорта на стенки ОКТ. Реакция идет гетерогенно сразу с образованием оптически прозрачных слоев. Помимо этого проведение процесса осаждения, при сравнительно невысокой температуре стенки ОКТ (около 1200 град.С) обеспечивает надежную хемосорбцию легирующих атомов растущими слоями кварцевого стекла..

Известны СВЧ-плазмохимические способы и связанные с ними устройства для получения КЗВС путем формирования оптически прозрачных слоев стекла на внутренней поверхности ОКТ, представленные в патентах [1, 2].

К недостаткам патента [1] следует отнести наличие внешней по отношению к плазматрону габаритной электропечи для дегазации хлора в процессе осаждения стекла, что обуславливает значительные размеры и большую потребляемую электрическую мощность установки, а также неэффективный СВЧ-плазматрон, который позволяет осаждать слои стекла на внутреннюю поверхность ОКТ малого диаметра (6-8 мм,). В связи с этим производительность способа и связанного с ним устройства крайне малы.

Патент [2] основан на использовании в качестве СВЧ-плазматрона H ₀₁-резонатора и теплоизоляционнго трубчатого элемента, расположенного коаксиально внутри резонатора вместо внешней крупногабаритной электропечи. Однако радиальное распределение напряженности электрического поля данного резонатора таково, что на оси ОКТ оно принимает нулевое значение, в связи с чем эффективность и скорость гетерогенного образования стеклообразных слоев существенно уменьшается. Использование же теплоизоляционного трубчатого элемента, неконтролируемо нагревающегося за счет поглощаемой СВЧ-мощности в СВЧ-плазматроне, не может не привести к дефектам в структуре стекла (микротрещины, микропузыри и др.). В результате ухудшаются оптико-механические характеристики (оптические потери, прочность т.д.).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство для получения КЗВС путем плазмохимического гетерогенного осаждения слоев оболочки и сердцевины на внутреннюю поверхность ОКТ из газовой фазы в СВЧ-разряде пониженного давления на поверхностной волне при модуляции СВЧ-мощности [3]. Устройство содержит СВЧ-генератор и связанный с ним через систему элементов волноводного тракта СВЧ-плазматрон, проходящую через него опорную кварцевую трубу, соединенную с блоком химреагентов, вакуумным насосом и скруббером, а также электропечь дегазации осаждаемых слоев, находящуюся снаружи СВЧ-плазматрона и ОКТ.

Недостатками данного устройства являются:

- использование СВЧ-плазматрона типа сурфатрона для возбуждения плазменной поверхностной волны внутри ОКТ требует повышенного уровня потребляемой СВЧ-мощности. Для осаждения слоя длиной 500-800 мм (при диаметре ОКТ=20 мм) эта величина может достигать значения порядка 10 квт. Осаждение слоя в основном производится на фронте плазменного столба, а его положение и, соответственно, длина плазменного столба, а также однородность осаждаемого слоя будут зависеть от подаваемой СВЧ-мощности, При этом основная часть СВЧ-мощности непродуктивно расходуется на формирование протяженного (практически по всей длине ОКТ) плазменного столба и лишь только незначительная ее часть полезно используется на создание плазмохимической зоны осаждения длиной до 50 мм (в окрестности фронта плазменного столба), где собственно и осуществляется процесс преобразования тетрахлорида кремния в монооксид и адсорбция последнего стенками ОКТ.

- электродинамика СВЧ-разряда на поверхностной волне при его формировании внутри ОКТ такова, что напряженность электрического поля Е максимальна у стенки ОКТ и далее экспоненциально спадает к центру трубы, достигая нулевого значения на ее оси. В результате этого, даже при использовании ОКТ сравнительно небольшого диаметра (16-20 мм) наблюдаются невысокие значения эффективности и скорости осаждения, поскольку значительная часть газообразного SiCl₄, проходящая вблизи оси ОКТ, может вообще не перейти в монооксид и быть бесполезно потерянной.

- применение внешней по отношению к СВЧ-плазматрону и ОКТ крупногабаритной и мощной (до 10 квт) электропечи существенно усложняет конструкцию установки, увеличивает ее габариты и вес, а также приводит к значительным расходам электроэнергии и воды для охлаждения узлов установки.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для изготовления КЗВС с повышенной числовой апертурой и расширение его

функциональных возможностей для изготовления высокоапертурных планарных много- и одномодовых оптических волноводов, а также повышение эффективности, скорости и однородности осаждения продуктов реакции, уменьшение расходов реагентов, значительное снижение общих энергозатрат (уменьшение используемой СВЧ-мощности, уменьшение требуемой тепловой мощности, уменьшение потребления электроэнергии), уменьшение расхода воды для охлаждения конструктивных элементов, упрощение конструкции всей установки, уменьшение ее габаритов и веса.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для производства оптических волноводов, включающем СВЧ-плазматрон, нагревательные элементы, опорную кварцевую трубу, проходящую через плазматрон и соединенную с блоком химреактивов, вакуумным насосом и скруббером, СВЧ-плазматрон выполнен в виде плазматрона волноводного типа с прямоугольным сечением волновода, работающего на Н₁₀-волне, нагревательные элементы расположены по обе стороны СВЧ-плазматрона вокруг опорной кварцевой трубы соосно с ней и непосредственно примыкают к СВЧ-плазматрону, а опорная кварцевая труба размещена перпендикулярно широкой стенке волновода и закреплена в держателях с возможностью совершать возвратно-поступательное движение относительно плазматрона в пределах зоны осаждения при помощи механизма перемещения. Для выравнивания некоторого провала температурного поля на оси ОКТ в промежутке между НЭ, внутри СВЧ-плазматрона, снаружи ОКТ расположена экранная теплоизоляционная труба, выполненная из материала с низкими значениями тангенса угла диэлектрических потерь.

Размер b узкой стенки волновода прямоугольного сечения, при этом находится в пределах 20-25 мм. Оптимальное отношение ширины (а) волновода прямоугольного сечения к внутреннему диаметру (d) ОКТ удовлетворяет условию a/d>4.

При этом более сложное и энергоемкое сканирование фронта зоны осаждения за счет изменения подводимой СВЧ-мощности (как в прототипе) заменяется на простое и более дешевое механическое сканирование зоны осаждения (вместе с ОКТ) относительно неподвижного фронта осаждения. А громоздкая и внешне расположенная по отношению к СВЧ-плазматрону печь дегазации заменяется на нагревательные элементы (НЭ), локально расположенные в зоне осаждения слоев.

При изготовлении планарных оптических волноводов, подложки размещают на внутренней поверхности ОКТ, используемой в этом случае как корпус плазмохимического реактора непосредственно в зоне осаждения.

Известно, что для эффективного образования свободных радикалов, ответственных за проведение требуемых плазмохимических реакций необходимо, чтобы температура электронов - Те была существенно выше газовой - Тг. Отношение Те/Тг почти линейно зависит от параметра Е/Р, где Е - напряженность электрического поля, а Р - давление газа. Таким образом основная задача повышения эффективности сводится к созданию в СВЧ-разряде максимально возможной напряженности электрического поля. В заявляемом устройстве за счет существенного увеличения напряженности электрического поля в плазме, локализованной на длине 30-40 мм. удается получить высокий энерговклад в СВЧ-разряд, при сравнительно невысоком значении падающей СВЧ-мощности (0,5-0,8 квт.).

Проведенные нами расчеты показали, что для рассматриваемых экспериментальных условий:

- размер ОКТ: d=14 мм (внутренний диаметр), D=18 мм (наружный диаметр)

- сечение прямоугольного волновода: а=90 мм, b=20 мм

- подводимая СВЧ-мощность Р _пад=600 Вт

- рабочая частота СВЧ-генератора: 2,45 Ггц

имеем: Е_A=1,45×10 ⁵ В/м, E_V=3,82×10 ⁴ В/м,

где: Е_A и Е _V - амплитуды СВЧ-поля при СВЧ-разряде в ОКТ и при его отсутствии (при одинаковой подводимой СВЧ-мощности).

Энерговклад более 80 Вт/см³

На фиг.1 и фиг.2 изображено заявляемое устройство. Устройство состоит из СВЧ-генератора 1 (мощность 2,5 квт., рабочая частота 2,45 ГГц), системы элементов волноводного тракта 2 (в состав которого входит аттенюатор, циркулятор, ряд волноводных элементов), волноводного перехода 3 (для согласованного перехода со стандартного сечения 90×45 мм. на сечение например 90×20 мм.).

СВЧ-плазматрон волноводного типа 4, работающий на Н₁₀-волне, представляет собой короткозамкнутый отрезок волновода прямоугольного сечения с водоохлаждаемым корпусом 19, внутри которого размещена опорная кварцевая труба 5. Соосно с ОКТ на фланцах 7 СВЧ-плазматрона монтируются два нагревательных элемента 6. СВЧ-плазматрон на конце заканчивается короткозамкнутым (КЗ) поршнем с регулировочным винтом 9, посредством которого внутри ОКТ создается максимальное значение напряженности электрического поля Е. При этом плоскость К3-поршня устанавливается от оси СВЧ-разряда 8 на расстоянии n/4, где n=1, 3, 5..., - длина волны в волноводе. Возвратно-поступательное перемещение ОКТ относительно неподвижного плазматрона осуществляется с помощью механизма перемещения, в состав которого входит винт 10, жестко зафиксированный на плите 11 сварного каркаса установки и гайка 12, на которой смонтирована рейка 13 с закрепленной на ней посредством пластин 14 ОКТ, а также - электрические конечные переключатели 15, электромотор и автоматическая электрическая коммутационная схема. Подача химреагентов (SiCl₄, O ₂, Не, N₂, фреонов и т.д.) в ОКТ осуществляется от блока химреактивов 16. Требуемый вакуум при проведении плазмохимических реакций обеспечивается вакуумным насосом 17, а нейтрализация продуктов реакций - скруббером 18.

На фиг.2 представлено радиальное распределение напряженности электрического поля для Н₁₀-волны в прямоугольном волноводе. При отношении ширины (а) прямоугольного сечения волновода к внутреннему диаметру ОКТ (d) превышающем 4,0 (a/d>4,0), практически все сечение ОКТ находится в максимуме напряженности электрического поля Е. Вследствие этого образуется квазиоднородная СВЧ-плазма, обеспечивающая проведение необходимых плазмохимических реакций с максимальной эффективностью. При этом достигаются повышенная скорость осаждения и максимальная эффективность преобразования исходных галогенидов в стекло (больше 90%). Амплитуда напряженности электрического поля в таком волноводе Е пропорциональна (Р _пад/ab)^0,5, где P _пад - поступающая СВЧ-мощность. Для существенного увеличения значения Е в зоне СВЧ-разряда размер узкой стенки волновода b должна быть уменьшен до 20-25 мм. Дальнейшее снижение размера b нецелесообразно из-за снижения пробивной напряженности электрического поля в волноводе (и увеличения затухания). Для увеличения температуры на стенке ОКТ в зоне СВЧ-разряда (в промежутке между НЭ) и уменьшения отвода тепла на стенки волновода используется экранная диэлектрическая труба 20, размещенная внутри волновода коаксиально ОКТ, и являющаяся по сути дополнительным НЭ.

Устройство работает следующим образом. Опорную кварцевую трубу 5 откачивают с помощью вакуумного насоса 17. Включают нагрев НЭ 6. Затем при пониженном давлении в ОКТ от блока химреагентов 16 подают кислород. Далее ОКТ перемещают (возвратно-поступательно) относительно неподвижного СВЧ-плазматрона 4, и при достижении температуры стенки ОКТ, измеряемой например инфракрасным пирометром 600-700 град.С и при подаче пониженной СВЧ-мощности - зажигают СВЧ-разряд. Затем доводят температуру стенки ОКТ до 1100-1200 град.С, увеличивают СВЧ-мощность до заданных значений, подают от химблока 16 требуемые реагенты и наносят тонкие (100-500 нм.) слои кварцевого стекла, в том числе легированного фтором. Количество таких слоев может достигать более 4000.

Пример 1: Осаждение SiO₂-F - оболочки для КЗВС.

- эффективность преобразования

- скорость осаждения кварцевого

- числовая апертура для состава

Пример 2: Изготовление оптических планарных волноводов с характерными размерами 60×10×1 мм. (при режимах близких к приведенному в примере 1). Процесс изготовления планарных оптических волноводов включает несколько стадий:

В начале осаждается буферный слой SiO₂ (толщиной 5-8 мкм., показатель преломления -(n _d=1,456), затем - нижний фторсиликатный слой (15-40 мкм.) с пониженным показателем преломления (n_d =1,428), сердцевина из SiO₂ (6-100 мкм.) и верхний фторсиликатный слой (15-40 мкм.) с идентичными нижнему фторсиликатному слою характеристиками.

Из полученных структур были изготовлены планарные образцы с размерами 40×2×1 мм. На боковые стенки волноводов наносился слой светоотражающего покрытия типа СИЭЛ с показателем преломления 1,421. Коэффициент затухания изготовленных образцов составлял менее 0,005 дБ/см при числовой апертуре (измеренной по уровню 0,1) NA=0,29. Неравномерность распределения интенсивности оптического излучения на выходе волновода составляла не более 3 Дб. На основе планарных оптических волноводов были изготовлены разветвители с матрицей передачи 16×16 (вносимые потери <4 дБ., неравномерность распределения оптической мощности ±1,5 дБ.), предназначенные для распределения мощности в волоконно-оптических системах информационного обмена, соответствующим требованиям, предъявляемым к разветвителям современными ВОСПИ

Реализация предложенного устройства позволяет значительно повысить эффективность и скорость процесса осаждения по сравнению с известными способами и устройствами, при этом достигается повышенная концентрация в стекле таких легирующих добавок как фтор и др. За счет осуществления механического сканирования зоны осаждения, при высокой стабильности параметров СВЧ-плазмы по сечению волновода в заявляемом устройстве (в отличии от прототипа, где параметры плазмы на фронте осаждения будут зависеть от подаваемой СВЧ-мощности и длины плазменного столба), возможно получение более однородных осаждаемых слоев.

Появляется возможность использования ОКТ повышенного диаметра.

По сравнению с прототипом снижается потребляемая электрическая и СВЧ-мощность, упрощается конструкция установки, уменьшаются ее габариты и вес, обеспечивается экономия воды, повышается экологичность использования оборудования.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Патент Германии №2444100, Кл. С03В 37/00, Dieter Kuppers, Hans Lydtin, Ludvig Rehder.

2. Патент Германии №3632684 А1, Кл. С03В 37/018, Hans Rau.

3. Патент Р.Ф. №2112756, Кл. С03В 37/018, Голант К.М., Дианов Е.М, Храпко P.P.

1. Устройство для изготовления оптических волноводов, включающее СВЧ-плазматрон, нагревательные элементы, опорную кварцевую трубу, проходящую через плазматрон и соединенную с блоком химреагентов, вакуумным насосом и скруббером, отличающееся тем, что СВЧ-плазматрон выполнен в виде плазматрона волноводного типа с прямоугольным сечением волновода, работающего на Н₁₀-волне, нагревательные элементы расположены по обе стороны СВЧ-плазматрона вокруг опорной кварцевой трубы соосно с ней, а опорная кварцевая труба размещена перпендикулярно широкой стенке волновода с возможностью возвратно-поступательного движения относительно плазматрона.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что снаружи опорной кварцевой трубы, между нагревательными элементами, внутри СВЧ- плазматрона расположена экранная теплоизоляционная труба, выполненная из диэлектрического материала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптимальное отношение ширины а прямоугольного сечения волновода к внутреннему диаметру опорной кварцевой трубы d выбирают из условия: a/d>4.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размер узкой стенки b прямоугольного сечения волновода удовлетворяет условию 20<b<25 мм.