Волноводный интегрально-оптический регистратор

Рис. 2. Зависимость эффективности связи волокно-КНИ волновод для решетчатого элемента: от длины
волны оптического излучения для различных глубин канавок: 1 - 100 нм, 2 - 110 нм, 3 - 90 нм,
эффективность связи нормирована относительно максимального значения для глубины канавки 100 нм (а);
от толщины погруженного окисла для глубин канавок 100 нм (б)
С.В. ПАВЛОВ, H.С. ТРОФИМОВ, Т.К. ЧЕХЛОВА
Российский университет дружбы народов, Москва
ВОЛНОВОДНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ
ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ПЛЕНОК
Показана возможность создания волноводно-оптического регистратора температуры использующего
температурную зависимость эффективного показателя преломления оптического волновода на основе
пленок SiO2-TiO2, изготовленных по золь-гель технологии. Проведен анализ зависимости разрешающей
способности температурного регистратора от параметров пленки. Продемонстрирована работа регистратора
температуры с разрешающей способностью 0,6 °С /мм. Проведена оптимизация параметров выводной
призмы и показана возможность существенного увеличения разрешающей способности устройства.
Пленки SiO2-TiO2, изготовленные по золь-гель технологии [1], обладают рядом специфических свойств,
одним из которых является большой термооптический коэффициент (ТОК), что обусловливает
перспективность их применения в устройствах интегральной оптики и волоконно-оптических линиях связи,
в частности, для создания термооптических переключателей, коммутаторов и др. устройств с
термоуправлением.
В данной работе показана возможность создания простого регистратора температуры (РТ), принцип
действия которого основан на температурной зависимости эффективного показателя преломления
оптического волновода на основе золь-гель пленки.
Разрешающая способность такого РТ определяется величиной температурного коэффициента
эффективного показателя преломления (ТК ЭПП) и чем ТК ЭПП больше, тем больше разрешающая
способность РТ. Исследования, проведенные в [2], показали, что ТК ЭПП зависит от параметров
оптического волновода, таких как показатель преломления, толщина пленки и тип волны, а также от
параметров технологического режима, при котором формировалась пленка. Помимо этого, ТК ЭПП зависит
от температурного диапазона. Наибольшее значение реализуется в диапазоне от 30 до 70 °С и составляет
величину ~ - 4×10-3 °С -1 для волновода с толщиной пленки 0,8 мкм и показателем преломления n = 1,8 для
ТЕ1 -волны.
Существенную роль при создании волноводного РТ с высокой разрешающей способностью играет
выводное устройство излучения из волновода, которым может служить либо призма, либо дифракционная
решетка.
Поскольку ЭПП волновода зависит от температуры, угол вывода излучения из волновода φ (Т) также
зависит от температуры. Связь ЭПП и выводного угла определяется выражением

sin  (T ) 
nэфф (T )  nпр (T ) sin   пр  arcsin
 ,

nпр (T ) 

где  пр – угол призмы, а nпр (T ) – показатель преломления призмы, зависящий от температуры.
Зависимость угла, под которым излучение выводится из волновода с помощью призменного устройства
вывода, от температуры для волновода с толщиной и показателем преломления пленки SiO2-TiO2 0,3 мкм и
1,624, соответственно, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость угла вывода излучения из волновода от температуры
Из рисунка видно, что зависимость φ (Т) в диапазоне 25-85 °С практически линейная и раскрыв углов
вывода излучения через призменное устройство Δ φ составлял ~ 4°.
Разрешающая способность РТ определяется величиной Δφ, которая зависит как от значения ТК ЭПП, так
и от параметров призмы, а именно, от ее показателя преломления и угла призмы между выводной гранью и
гранью, примыкающей к поверхности волновода. Проведенные исследования зависимости Δφ от параметров
призмы (рис. 2) показали, что для улучшения разрешающей способности следует использовать призму
марки ТФ-5 с показателем преломления 1,755 и углом 60°.
Рис. 2. Зависимость Δφ от параметров призмы
Для работы термооптических устройств важное значение имеет идентичность зависимости ЭПП от
температуры как при нагревании волновода, так и при его остывании. Экспериментальные исследования
показали, что гистерезис при нагревании и остывании волновода практически отсутствовал.
Градуировка экспериментального РТ была проведена с помощью модуля Пельтье, примыкающего к
подложке. Шкала температур модели РТ отстояла от выводной призмы на расстоянии 50 см и точность
регистрации температуры составляла 0,6 °С/мм. Этот результат может быть существенно улучшен путем
проведенной оптимизации выводного устройства. Показано, что при оптимизации выводного устройства
точность регистрации температуры может быть существенно повышена, примерно на порядок.
Список литературы
1. Чехлова Т.К., Живцов С.В., Погосян А.С. Оптические волноводы на основе плёнок, изготовленных по
технологии золь-гель. Вестник РУДН. Серия Физика. 2005. №1. С.35-47.
2. Чехлова Т.К., Живцов С.В., Грабовский Е.И. Температурная зависимость золь-гель волноводов.
Радиотехника и электроника. 2006. Т.51. №7. С.834-837.