Document 175645

УДК 535.14(06)+004.056(06) Фотоника и информационная оптика
Т.К. ЧЕХЛОВА, C.В. ЖИВЦОВ, М.В. НАСТЁХИН
Российский университет дружбы народов, Москва
ВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ АТЕРМАЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТЕРМООПТИЧЕСКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ
Рассматривается возможность изготовления атермальных устройств интегральной оптики на основе канальных волноводов с использованием материалов с
отрицательным температурным коэффициентом. Исследован характер температурной зависимости показателя преломления некоторых материалов, применяемых для изготовления волноводных систем. Рассчитаны параметры канальных
волноводов, обеспечивающие минимальную зависимость эффективного показателя преломления от температуры внешней среды.
Одним из важнейших факторов, ограничивающих работоспособность
интегрально-оптических устройств, является зависимость их характеристик от температуры. Например, максимально возможное число каналов
волноводных спектральных мультиплексоров и демультиплексоров (М/Д)
ограничивается температурной нестабильностью параметров отдельных
элементов системы, в частности, канальных волноводов [1].
Температурной зависимости подвержены и такие необходимые компоненты систем плотного мультиплексирования, как узкополосные оптические фильтры, к которым относятся фильтры на основе волноводных
матриц, резонаторы Фабри-Перо, РОС и РБО фильтры, интерферометры
Маха-Цандера и др., что также связано с температурным изменением
длины оптического пути. Это обусловлено несколькими факторами: изменением эффективного показателя преломления волноводов в соответствии с температурным оптическим коэффициентом (ТОК) материалов
волноводной системы; изменением эффективного показателя преломления волноводов за счет температурного изменения толщины волноводного слоя и изменения геометрической длины волновода в соответствии с
линейным коэффициентом расширения (ЛКР).
В настоящее время разработаны методы [2] стабилизации длины волны указанных выше спектральных волноводных устройств, основанные
на термокомпенсации температурных изменений эффективного показателя преломления путем нагрева или охлаждения участка канальных волноводов матрицы, термостабилизации всего устройства с помощью термоэлектрического устройства на основе эффекта Пельтье, использовании
262
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 4
УДК 535.14(06)+004.056(06) Фотоника и информационная оптика
биметаллической пластины, в контакте с которой находится подложка с
волноводным устройством и др. Перечисленные методы не лишены недостатков, связанных с усложнением конструкции и увеличением внутренних потерь.
В последнее время интенсивно исследуются методы температурной
стабилизации характеристик волноводных устройств, основанные на использовании материалов с отрицательным термооптическим коэффициентом [3–5].
Известно [3], что температурная зависимость центральной длины волны канала М/Д обусловлена изменением длины оптического пути при
изменении температуры и может быть представлена как
 0
d  0  d nýô ô
,
(1)
 
 nýô ô  ï î äë 
dT  dT
 nýô ô
где пэфф – эффективный показатель преломления волновода;  ï î äë – коэффициент термического расширения подложки. Первый член в (1) определяется зависимостью показателя преломления от температуры и харакdn
теризуется термооптическим коэффициентом
, а второй член связан с
dT
изменением длины элементов матрицы и характеризуется линейным коэффициентом расширения  (ЛКР). Для обеспечения температурной независимости устройства, как следует из (1), требуется выполнение условия
d nýô ô
.
(2)
nýô ô ï î äë  
dT
Условие (2) может быть выполнено, если одна из сред, формирующих
волновод, представляет собой материал с отрицательным значением ТОК.
Это может быть подложка, волноведущая пленка или верхняя обрамляющая среда.
В качестве материалов с отрицательным значением ТОК используются, например, органические вещества, такие как полиметилметакрилат
(ПММК), полиуретановые смолы и другие полимерные соединения. Однако, оптические волноводы с волноведущим слоем из органического материала не всегда удобны из-за их малой стойкости как к механическим,
так и к химическим воздействиям. В свою очередь, оптические волноводы
на основе пленок, изготовленных по золь-гель технологии, сочетают относительную простоту реализации, дешевизну, прочность, возможность
изменения показателя преломления в широком диапазоне и, что чрезвычайно важно для создания независимых от температуры устройств, обладают сравнительно большим отрицательным ТОК [5].
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 4
263
УДК 535.14(06)+004.056(06) Фотоника и информационная оптика
В работе была проведена оценка возможностей минимизации термозависимости характеристик интегрально-оптических устройств; был проведен предварительный расчет параметров канальных волноводов, обеспечивающих минимальную зависимость эффективного показателя преломления от температуры внешней среды; исследована температурная зависимость характеристик оптических волноводов, изготовленных на основе
различных материалов: золь-гель пленок SiO2-TiO2, плёнок из полиметилметакрилата, а также комбинированных диффузионных волноводов с
нанесенным сверху слоем полиметилметакрилата. Установлено, что термооптический коэффициент волновода определяется наряду с ТОК материалов, из которых изготовлен волновод, параметрами канальных волноводов, таких как толщина и ширина.
Список литературы
1. Чехлова Т.К., Тимакин А.Г., Лапутин И.В. Возможности увеличения числа каналов
ВОЛС // Сб. науч. тр. "Математика. Компьютер. Образование". / Под ред. Ризниченко Г.Ю.
Ижевск, 2004. Т.1. Вып.II. С.365–373.
2. Chekhlova T.K., Timakin A.G., Zhivtsov S.V. Temperature-Independent Waveguide Spectral Multiplexers/Demultiplexers // Journal of Laser Research. 2005. V.26. N3. P.198–210.
3. Kokubun Y., Yoneda S., Tanaka H. Temperature-independent narrowband optical filter at
1.3 m wavelength by an athermal waveguide // Electron. Lett. 1996. V.32. N21. P.1998–2000.
4. Keil N., Yao H.H., Zawadzki C. Athermal polarization-independent arrayed-waveguide grating (AWG) multiplewer using an all-polymer approach // Appl. Phys. 2001. B73. P.619–622.
5. Temperature dependence of pyrolysed sol-gel planar waveguide parameters / S. Saini,
R. Kurrat, J.E. Prenosil, J.J. Ramsden // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. 27. P.1134–1138.
264
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 4