СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА НА КРИСТАЛЛЕ НИОБАТА ЛИТИЯ

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, распространяющиеся 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 (см. US № 5442719, G 02 В 6/12, 1995).

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 оптическим повреждением, приводящим, в конечном счете, к росту оптических потерь и дрейфу параметров МИОЭ во включенном состоянии.

Наиболее близким к предлагаемому способу является 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 (см. US № 6374005, G 02 В 6/122, 2001).

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

Задача изобретения - изготовление МИОЭ на кристалле ниобата лития с низким уровнем оптических потерь, обеспечивающим значительное улучшение параметров волоконно-оптических гироскопов, и существенное уменьшение трудоемкости изготовления МИОЭ за счет применения одностадийного технологического процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) на кристалле ниобата 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 290-373°С в течение 3-16 часов в расплаве чистой стеариновой кислоты с добавкой стеарата лития в диапазоне концентраций от 0,4 до 1,0 мас.%, а также тем, что низкочастотную вибрацию осуществляют с частотой от 5 до 8 Гц.

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 0,4 до 1,0 мас.%. На кристалле ниобата лития предварительно фотолитографическим методом образуют маску специальной топологии. Затем этот кристалл помещают в расплав стеариновой кислоты, находящейся в герметичном автоклаве.

Высокотемпературный протонный обмен (ВТПО) проводят при температуре 290-373°С в течение 3-16 часов при низкочастотной вибрации, например от 5 до 9 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 0,4 до 1 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. Таким образом, устраняется необходимость использования постобменного отжига и специальной обработки приповерхностного слоя. Следовательно, в отличие от стандартной ОПО технологии, высокотемпературный протонный обмен (ВТПО) это - одностадийный процесс без фазовых переходов, что позволяет получать МИОЭ с низкими оптическими потерями. Длительность протонного обмена выбирается в соответствии с длиной волны оптического излучения, используемого в волоконно-оптическом гироскопе, для которого создается конкретный МИОЭ.

Использование способа позволит уменьшить оптические потери в получаемых МИОЭ, по сравнению с прототипом, на 2 дБ. Предлагаемый способ позволит уменьшить трудозатраты и энергоемкость изготовления МИОЭ в 2,5-3 раза. Кроме того, очень важным преимуществом предлагаемого способа является то, что показатель преломления необыкновенного луча увеличивается, а показатель преломления обыкновенного луча уменьшается в МИОЭ на кристаллах ниобата 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.