RU198454U1 - Оптический интегральный чип с элементом для ввода излучения в волновод - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области интегральной оптики, а именно к устройствам ввода электромагнитного излучения из свободного пространства или оптического волокна в волновод. Устройство может быть использовано в микрофотонике, нелинейной интегральной оптике, сенсинге и флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения. Оптический интегральный чип включает размещенные на подложке волновод и оптический элемент, выполненный в виде микропризмы из оптически прозрачного полимерного материала с возможностью ввода в волновод оптического излучения, распространяющегося под нормалью к поверхности чипа, и имеющей верхнюю, нижнюю и боковые грани, где две противоположные боковые грани выполнены наклонными и расположенными под углом α к нормали к поверхности оптического чипа, определяемым длиной волны источника оптического излучения и эффективным показателем преломления моды волновода, при этом микропризма имеет высоту h, определяемую шириной пучка излучения w по формуле h≥w ctg(α), и снабжена ножками, расположенными вдоль боковых граней, смежных с наклонными боковыми гранями, с образованием сквозного зазора, имеющего П-образное поперечное сечение, между нижней гранью призмы и поверхностью волновода, где высота зазора d порядка длины волны источника оптического излучения. Оптический элемент чипа имеет микрометровый масштаб (от 10 до 100 мкм), обеспечивает возможность однонаправленного высокоэффективного (не менее 50%) заведения излучения, падающего под нормалью к поверхности оптического чипа, на котором расположен волновод. 7 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области интегральной оптики, а именно, к устройствам ввода электромагнитного излучения из свободного пространства или оптического волокна в волновод. Устройство может быть использовано в микрофотонике, нелинейной интегральной оптике, сенсинге и флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения.

Уровень техники

В последнее время активно развивается область оптики, направленная на генерацию, детектирование и управление электромагнитным излучением на оптическом чипе - интегральная оптика. Данная область вызывает интерес благодаря возможности передачи и обработки оптических сигналов на чипе со скоростью, превосходящей скорость аналогичных электронных интегральных микросхем. Основным элементом интегральной оптики является волновод, который позволяет управлять распространением электромагнитных волн на чипе. Традиционно, поперечные размеры волноводов не превышают нескольких мкм. Одной из главных проблем интегральной фотоники является проблема ввода электромагнитного излучения из свободного пространства и оптических волокон в волновод. На данный момент известно о трех возможных вариантах введения излучения в волновод: в торец волновода, с помощью дифракционной решетки, с помощью призмы.

Согласно первому варианту торец волновода напрямую освещают пучком электромагнитного излучения. Этот способ позволяет добиться высокой эффективности заведения излучения за счет оптимизации интеграла перекрытия падающего излучения и моды волновода. Однако такое ведение излучения может применяться только на краю фотонного чипа и совершенно не подходит для волноводов, располагающихся далеко от края.

Согласно второму варианту дифракционную решетку размещают рядом с волноводом. Параметры решетки (период, скважность, форма и т.д.) подбирают таким образом, чтобы моды излучения, возникшие из-за дифракции падающего излучения на решетке, эффективно передавали энергию модам, распространяющимся в волноводе. Теоретические основы этого способа были описаны в работе [Ulrich R. "Efficiency of optical-grating couplers", JOSA, 1973]. В ней показано, что максимальная эффективность заведения излучения в волновод с помощью однородной дифракционной решетки ограничена. Это ограничение возможно обойти с помощью оптимизации геометрических параметров решетки, как, например, было сделано в [Taillaert D., Bienstman P., Baets R. "Compact efficient broadband grating coupler for silicon-on-insulator waveguides", Optics letters, 2004]. Однако изготовление дифракционных решеток, полученных в результате такой оптимизации, представляет трудность и требует применения высокоточных методов изготовления, например электронно-лучевой литографии.

Согласно третьему варианту призму располагают над волноводом с некоторым зазором. При этом показатель преломления призмы n_prism должен быть больше, чем эффективный показатель преломления моды волновода n_eff, а показатель преломления материала, которым заполнен зазор, n_gap должен быть меньше. Излучение падает на основание призмы под углом, превосходящим угол полного внутреннего отражения для границы раздела призма-зазор, и удовлетворяющим условию синхронизма n_prism sin (ϕ)=n_eff, где ϕ - угол падения излучения на основание призмы. В результате в области зазора происходит явление нарушенного полного внутреннего отражения, то есть часть падающего излучения отражается от основания призмы, а вторая часть переходит в моду волновода. Процесс перекачки энергии из падающего излучения в моду волновода происходит за счет эванесцентных мод излучения в области зазора. Теоретические основы этого способа описаны в работах [Ulrich R. "Theory of the prism-film coupler by plane-wave analysis", JOSA, 1970, Ulrich R. "Optimum excitation of optical surface waves", JOSA, 1971]. Из них следует, что максимальная эффективность призмы с однородным зазором между призмой и волноводом ограничена. Это ограничение связано с тем, что одновременно с процессом ввода излучения в волновод происходит обратный процесс вывода излучения из волновода. Конкуренция этих двух процессов приводит к существованию оптимальной длины основания призмы и ограничению максимальной эффективности ввода излучения. Однако эффективность может быть повышена подбором правильной формы зазора. Такая эффективность достигается за счет деструктивной интерференции излучения, выходящего из волновода, и излучения, отраженного от основания призмы. Основной технической трудностью реализации этого метода ввода излучения в волновод является контроль зазора между призмой и волноводом. Величина этого зазора составляет сотни нанометров.

На сегодняшний день существует множество конструктивных решений призм для введения излучения в волновод. В патенте US 3,584,230 показана возможность ввода излучения в пленочный волновод с помощью призмы с однородным зазором. При этом зазор предлагается заполнять материалом с маленьким показателем преломления (например, ThOF2). Это позволяет точно контролировать величину зазора при напылении тонких пленок в процессе изготовления призмы. Высокая эффективность заведения излучения в волновод обеспечивается за счет увеличения величины зазора после окончания области ввода излучения в волновод. В одном из вариантов осуществления устройства основание призмы после области ввода излучения выполнено со скошенной поверхностью. В другом варианте пленочный волновод нанесен непосредственно на призму. Для этого основание призмы сначала покрывают пленкой материала с маленьким показателем преломления для создания зазора между волноводом и призмой, а затем эту пленку покрывают пленкой материала, заполняющего зазор. При этом данная пленка (заполняющая зазор) может быть изготовлена с переменной шириной, обеспечивая увеличение величины зазора между призмой и волноводом после области заведения.

В патенте US 3,610,727 повышение эффективности заведения излучения в волновод достигается с помощью использования зазора переменной величины. Как было отмечено ранее, повышение эффективности в этом случае достигается за счет деструктивной интерференции излучения, выходящего из волновода, и излучения, отраженного от основания призмы. Для реализации этого способа ввода излучения в волновод предлагается использовать подложку, на которую нанесен волновод, в качестве призмы. Для этого край подложки должен быть срезан под таким углом, чтобы после преломления падающего излучения на краю подложки выполнялось условие синхронизма падающего излучения и моды волновода. Зазор переменной величины может быть реализован аналогично варианту, предложенному в патенте US 3,584,230: на подложку наносят пленку из материала с маленьким показателем преломления, на которую сверху наносят волноводную пленку. При этом величина зазора изменяется по закону, обеспечивающему максимальную эффективность.

Однако решения, представленные в патентных источниках информации, характеризуются рядом недостатков. Во-первых, устройства реализованы таким образом, что входящее излучение падает под некоторым углом, отличным от нормального. Во-вторых, геометрические размеры призм характеризуются миллиметровым диапазоном. Это значит, что предложенные конфигурации призм подходят только для слабо сфокусированных пучков. В-третьих, зазор между призмой и волноводом заполнен материалом с показателем преломления больше 1.3. Это накладывает ограничения на моды волновода, которые можно возбудить с помощью таких призм, так как необходимо выполнения условия n_gap<n_eff.

В патенте (US 7,428,358 В2) предложена призма, реализующая возможность ввода в волновод излучения, распространяющегося параллельно поверхности оптического чипа. Данная возможность обеспечивается дизайном призмы, основанным на явлении полного внутреннего отражения. Излучение, выходящее из волокна, падает под нормалью к боковой гране призмы, далее в призме происходит полное внутреннее отражение на другой боковой гране и излучение попадает на основание призмы под углом, определяемым условием синхронизма. Призму предлагается изготавливать из материалов с большим показателем преломления (Si, GaAs и т.д.) методом полировки или фотолитографии с серой шкалой. После изготовления призму помещают на волновод и дополнительно прижимают пневматическим поршнем. Зазор между призмой и волноводом регулируют величиной давления поршня. Дизайн призмы оптимизирован под размер входящего пучка излучения, соответствующий 20.4 мкм на длине волны 1.5 мкм.

Однако известное решение характеризуются рядом недостатков. Излучение вводится в волновод из оптического волокна, расположенного параллельно волноводу. Такой способ ввода не подходит для волноводов, расположенных далеко от границы чипа, и ограничивает возможности интеграции таких призм на чипе. Геометрические размеры призмы были порядка миллиметра. Кроме того, зазор между призмой и волноводом зависит от величины давления пневматического поршня. Данный способ контроля величины зазора является неподходящим для хрупких образцов волноводов. Кроме того, для фиксации призмы на поверхности волновода необходимо использование эпоксидной смолы, что снижает эффективность ввода излучения в волновод не менее чем на 10%.

Наиболее близким к заявляемому решению является оптический элемент предложенный в работе Ахременков Д.В., Сафронов К.Р. «Возбуждение блоховских поверхностных волн с помощью микропризм, изготовленных методом двухфотонной лазерной литографии», «Ломоносов-2019», секция Физика, подсекция Оптика, ISBN 978-5-8279-0168-6. В этой работе предложена полимерная микропризма, реализующая схему Отто для нормального угла падения, для возбуждения блоховских поверхностных волн в одномерных фотонных кристаллах. Достоинством этого оптического элемента является его компактный размер (несколько десятков микрометров) и крепление устройства прямо к поверхности фотонного кристалла.

Однако данное решение обладает рядом недостатков. Во-первых, призма крепится к фотонному кристаллу таким образом, что область зазора между призмой и фотонным кристаллом является не сквозной, а открытой лишь со стороны боковой грани напротив наклонной боковой грани. Это может приводить к тому, что в процессе изготовления в области зазора остается неполимеризованный материал или происходит загрязнение области зазора. Оба этих фактора приводят к существенному снижению эффективности возбуждения блоховских поверхностных волн из-за рассеяния в области зазора. Во-вторых, оптический элемент обладает однородным зазором между нижней гранью и фотонным кристаллом, однако, как было упомянуто выше, зазор правильной формы может обеспечить повышение эффективности. В-третьих, предложенный дизайн призмы не подходит для ввода излучения из оптического волокна, так как излучение, вышедшее из волокна, является расходящимся, а для оптимальной работы призмы нужен сфокусированный пучок. В-четвертых, отсутствует информация о ширине области зазора и ширине крепящих ножек, хотя эти параметры также сказываются на работе призмы.

Раскрытие полезной модели

Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является разработка оптических интегральных чипов с элементами, выполненными из оптически прозрачных полимеров, имеющих микрометровый масштаб (от 10 до 100 мкм), предназначенными для ввода излучения в волновод, устраняющими недостатки перечисленных выше аналогов, и обеспечивающими получение улучшенных характеристик, а именно возможность однонаправленного высокоэффективного (не менее 50%) заведения излучения, падающего под нормалью к поверхности оптического чипа, на котором расположен волновод, и крепление устройства непосредственно к поверхности оптического чипа с созданием сквозной области зазора между призмой и волноводом.

Техническим результатом полезной модели является увеличение эффективности ввода излучения в волновод с помощью оптического элемента (призмы) из оптически прозрачного полимера с обеспечением возможности однонаправленного и высокоэффективного заведения излучения, распространяющегося под нормалью к поверхности оптического чипа, на котором расположен волновод. Кроме того, призма обладает малыми размерами (несколько десятков микрометров), что позволяет увеличить плотность расположения таких элементов на оптическом чипе.

Технический результат достигается заявляемой конструкцией оптического интегрального чипа, включающей размещенные на подложке волновод и оптический элемент, выполненный в виде микропризмы из оптически прозрачного полимерного материала с возможностью ввода в волновод оптического излучения, распространяющегося (в свободном пространстве или оптическом волокне) под нормалью к поверхности чипа, и имеющей верхнюю, нижнюю и боковые грани, где две противоположные боковые грани выполнены наклонными и расположенными под углом α к нормали к поверхности оптического чипа, определяемым длиной волны источника оптического излучения и эффективным показателем преломления моды волновода, при этом микропризма имеет высоту h, определяемую шириной пучка излучения w по формуле h≥w ctg(α), и снабжена ножками, расположенными вдоль боковых граней, смежных с наклонными боковыми гранями, с образованием сквозного зазора, имеющего П-образное поперечное сечение, между нижней гранью призмы и поверхностью волновода, где высота зазора d порядка длины волны источника оптического излучения. Предпочтительно призма выполнена с расстоянием между ножками призмы не менее ширины пучка излучения.

В одном из вариантов реализации полезной модели нижняя грань призмы в области зазора выполнена скошенной (в виде поверхности, обеспечивающей монотонное увеличение величины зазора при увеличении расстояния от наклонной грани). Кроме того верхняя грань призмы может быть выполнена с возможностью фокусировки или коллимации падающего на призму излучения (имеет параболическую\сферическую\асферическую\цилиндрическую поверхность).

В качестве подложки может быть использована многослойная структура, состоящая из слоев оптически прозрачных материалов и\или металлических слоев. В качестве волновода выступает слой или полоса оптически прозрачного материала на поверхности подложки. В качестве прозрачного полимерного материала микропризмы может быть использован фоторезист SZ2080 или OrmoComp, или любой другой оптически прозрачный полимерный материал.

Заявляемый оптический интегральный чип с оптическим элементом характеризуется следующими преимуществами: геометрические размеры призмы не превышают нескольких десятков микрометров по каждой из осей; с помощью призмы можно осуществить ввод в волновод излучения, распространяющегося под нормалью к поверхности волновода; с помощью призмы можно осуществить вывод излучения из волновода и направить это излучение под нормалью к поверхности волновода; призма обеспечивает ввод излучения в волновод только в одном направлении, обеспечивает высокую эффективность заведения излучения в волновод, позволяет заводить излучение из оптического волокна, прикреплена с поверхности оптического чипа и имеет контролируемый зазор заданной формы. Кроме того, возможно размещение нескольких призм на одном оптическом чипе.

Оптический элемент может быть изготовлен по аддитивной лазерной технологии, а именно, с помощью двухфотонной лазерной литографии [Malinauskas М. et al. "Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances", Physics Reports, 2013]. В основе этого способа изготовления лежит явление двухфотонного поглощения, благодаря которому запускается химическая реакция полимеризации (отвердения) светочувствительной мономерной жидкости (фоторезиста) в области перетяжки жестко сфокусированного лазерного излучения. Достоинством этого метода является возможность создавать трехмерные полимерные структуры с суб-микрометровым разрешением. Данный метод позволяет создавать призмы любой заданной формы с высокой точностью, в том числе призмы с заданной формой зазора между призмой и волноводом. Также метод позволяет изготавливать массив призм, размещенный на поверхности одного оптического чипа.

Реализация таких оптических элементов ввода и вывода излучения в/из волновода позволит расширить область применения и увеличить плотность расположения этих оптических элементов. Заявляемое конструктивное решение призмы позволит размещать отдельные призмы над каждым отдельным волноводом на чипе, что обеспечит возможность возбуждения различных мод (разного порядка или на разных длинах волн) в разных волноводах при одном и том же угле падения излучения. То есть заявляемый оптический элемент позволит работать одновременно на нескольких длинах волн на одном оптическом чипе, что является необходимым в оптических коммуникациях с применением спектрального уплотнения каналов.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид призмы. Полимерная призма 1 прикреплена к поверхности пленочного волновода 2 с помощью ножек 3. Призма имеет трапециевидную форму с двумя наклонными гранями 4. Между двумя ножками 3 формируется область зазора 5, то есть пространство между нижней гранью призмы 6 и волноводом 2, заполненное воздухом.

На фиг. 2 представлено сечение призмы 1 в вертикальной плоскости вдоль области зазора 5. Сфокусированное излучение лазера 8 падает на верхнюю грань призмы 7 под нормальным углом.

На фиг. 3 представлено сечение призмы 1 в вертикальной плоскости с областью неоднородного зазора 5.

На фиг. 4 представлен график, демонстрирующий зависимость эффективности возбуждения блоховских поверхностных волн ц от угла наклона боковых граней призмы α и величины зазора d.

На фиг. 5 представлен график распределения электромагнитного поля при возбуждении блоховских поверхностных волн с помощью призмы с оптимальными параметрами (длина основания призмы L=16 мкм, высота зазора d=280 нм, угол наклонных граней α=25.5°, высота призмы Н=21 мкм).

Фиг. 6 демонстрирует изображение изготовленной призмы, полученное с помощью растрового электронного микроскопа. Изображение демонстрирует вид призмы со стороны боковой грани, граничащей с наклонными боковыми гранями.

На Фиг. 7 представлено изображение, полученное с помощью микроскопии утечки излучения, при возбуждении блоховской поверхностной волны с помощью призмы. Штриховой линией показаны границы верхней грани призмы 7 и области зазора 5.

Осуществление полезной модели

Общий вид заявляемого устройства (в одном из возможных вариантов реализации) представлен на фиг. 1. Полимерная призма 1 прикреплена к поверхности пленочного волновода 2 с помощью ножек 3. Призма имеет трапециевидную форму с двумя наклонными боковыми гранями 4. Между двумя ножками 3 формируется область зазора 5, то есть пространство между нижней гранью призмы 6 и волноводом 2, заполненное воздухом. Схема работы предложенного устройства иллюстрируется фиг. 2. Сфокусированное излучение лазера 8 падает на верхнюю грань призмы 7 под нормальным углом. При этом часть излучения отражается и формирует отраженный пучок 9, а часть проходит и попадает на наклонную грань 4 под углом β, где происходит полное внутреннее отражение, после чего излучение попадает под углом ϕ на основание призмы 6, где происходит нарушенное полное внутреннее отражение, то есть часть излучения отражается от нижней грани призмы 6, формируя вышедший пучок 10, а часть излучения туннелирует сквозь зазор и приводит к возбуждению волны 11 в волноводе 2. При этом часть излучения может пройти сквозь зазор и оптический чип, сформировав прошедший пучок 12. В случае нормального падения излучения угол α наклона граней 4, отсчитываемый от нормали к поверхности оптического чипа, связан с углом падения излучения на наклонную грань призмы β соотношением β=90°-α. Угол падения излучения на основание призмы (нижнюю грань) ϕ связан с углом α соотношением ϕ=2α. Для работы призмы необходимо, чтобы угол ϕ удовлетворял условию фазового синхронизма n_prism sin (ϕ)=n_eff, где n_prism - показатель преломления материала призмы, а Пей - эффективный показатель преломления моды волновода, которую требуется возбудить с помощью призмы. Важными характеристиками призмы являются длина нижней грани 6 (основания призмы) L, расстояние между волноводом 2 и нижней гранью призмы 6 d и высота призмы h. Высота призмы определяется условием полного попадания пучка излучения 8 на наклонную боковую грань 4. Пучок сфокусированного лазерного излучения 8 характеризуется шириной перетяжки (шириной пучка) w, и таким образом h≥w ctg(α). Величина зазора d определяется из условия максимальной эффективности заведения излучения в волновод и зависит от степени фокусировки (ширины пучка w) падающего излучения 8. Длина основания призмы L определяется конкуренцией двух процессов - процесса заведения излучения в волновод и обратного процесса высвечивания излучения из волновода в призму. Определение параметров L и d может быть проведено методом, приведенным в работе Ulrich R. "Theory of the prism-film coupler by plane-wave analysis", JOSA, 1970. В частности, L≈w/cos(ϕ). Для оптимальной работы призмы излучение 8 должно быть сфокусировано на основание призмы 6. Важно отметить, что процесс заведения излучения происходит во всей области зазора 5, таким образом, для достижения наибольшей эффективности расстояние S между ножками призмы 3, равное ширине области зазора 5, должно быть не меньше ширины пучка излучения 8. При этом ширина Δ ножек призмы 3 должна быть не меньше 10 мкм, чтобы обеспечить устойчивость микропризмы и не допустить проседание нижней грани призмы 6. Предложенное устройство подходит как для пленочных, так и для гребенчатых волноводов. Эффективность предложенного оптического элемента может быть оценена по формуле 1-(I_отр+I_прош)/I_пад, где I_отр - интенсивность отраженного излучения (состоит из пучков 9 и 10), I_прош - интенсивность прошедшего излучения (состоит из пучка 12), I_пад - интенсивность падающего излучения (состоит из пучка 8).

Геометрические параметры призмы определяются показателем преломления материала призмы n_prism, эффективным показателем преломления моды волновода n_eff, которую требуется возбудить с помощью призмы, и шириной пучка w излучения 8, падающего на верхнюю грань призмы 7. Призма предназначена для работы со сфокусированными пучками с шириной w в диапазоне от 10 мкм до 25 мкм и эффективным показателем преломления моды n_eff в диапазоне от 1 до 1.45. Таким образом, угол α, определяемый по формуле α=0.5 arcsin (n_eff/n_prism), лежит в диапазоне от 20.9° до 37.6° при n_prism=1.5. При этом высота h лежит в диапазоне от 13 мкм до 67 мкм, а длина L лежит в диапазоне от 13 мкм до 97.5 мкм. Как упоминалось ранее, расстояние S между ножками призмы 3 должно быть не меньше w, то есть лежит в диапазоне от 10 мкм до 25 мкм. Ширина Δ самих ножек 3 должна быть не меньше 10 мкм для устойчивости призмы. Таким образом, все геометрические измерения призмы лежат в диапазоне от 10 до 100 мкм, то есть являются значительно меньше геометрических параметров прототипа. Предложенный вариант выполнения микропризмы позволяет добиться однонаправленности и высокой эффективности заведения излучения в волновод, характерного для призменного метода заведения излучения в волновод. Одной из отличительных особенностей предлагаемой микропризмы является возможность ввода излучения, распространяющегося под нормалью к поверхности оптического чипа, на котором расположен волновод. Как было описано выше, эта особенность достигается за счет использования явления полного внутреннего отражения от наклонной грани призмы. Кроме того, микропризма направляет вышедшее излучение 10, состоящее из высвеченного из волновода излучения и отразившегося от нижней грани призмы, под нормалью к поверхности оптического чипа. Это свойство дает возможность легко оценить эффективность заведения излучения с помощью микропризмы.

Кроме того, зазор между призмой и волноводом может быть неоднородным. На фиг. 3 приведена схема призмы с изменяющейся величиной зазора по линейному закону. Такая форма зазора может повысить эффективность заведения излучения в волновод. Форма зазора может быть не ограничена линейной функцией, зазор может быть произвольной формы с постепенным увеличением расстояния между нижней гранью призмы и волноводом (параболической, экспоненциальной и т.д.). Из уровня техники известно, что подбор профиля зазора может повысить эффективность заведения излучения в волновод до 100%. При этом величина зазора может увеличиваться от 100 нм до 5 мкм вдоль нижней грани призмы.

Для изготовления призм может быть использован метод двухфотонной лазерной литографии - метод фотолитографии, основанный на явлении двухфотонного поглощения ([Malinauskas М. et al. "Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances", Physics Reports, 2013]. Этот метод позволяет изготавливать трехмерные полимерные структуры с разрешением, превосходящим дифракционный предел. Для изготовления призм используется светочувствительный материал (фоторезист), в котором при облучении жестко сфокусированным лазерным излучением происходит реакция полимеризации. Изготовление призм происходит путем перемещения перетяжки сфокусированного лазерного излучения в толще фоторезиста по заданным траекториям. Для задания траекторий необходимо создать трехмерную модель призмы и провести разбивку модели на траектории. Призмы могут быть изготовлены на любом типе подложек и чипов (в том числе и непрозрачных), в случае если материал подложки и фоторезист обладают достаточной адгезией.

Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

Пример. Микропризмы заявляемой конструкции были изготовлены с использованием метода двухфотонной лазерной литографии. Экспериментальная установка двухфотонной лазерной литографии основана на титан-сапфировом фемтосекундном лазере с центральной длиной волны 800 нм, шириной спектра 25 нм, частотой повторения импульсов 80 МГц и интегральной мощностью 580 мВт. Излучение лазера проходит через призменный компрессор импульсов, который вносит отрицательную дисперсию в каждый импульс. Компрессор необходим для того, чтобы достичь минимально возможной длительности импульса в объеме фоторезиста. Далее излучение проходит через акусто-оптический модулятор, который используется как быстрый прерыватель пучка. После этого следует система контроля мощности, состоящая из полуволновой пластинки, установленной на механизированной вращающейся платформе, и призмы Глана. Эта система позволяет менять мощность проходящего излучения с шагом 0.1 мВт. После этого излучение проходит через телескоп, увеличивающий поперечный размер пучка в 2 раза, и попадает на моторизированное двухкоординатное зеркало. После зеркала следует 4f система, состоящая из ахроматических дуплетов с фокусными расстояниями 200 мм и 125 мм, в конце которой установлен маслянно-имерсионный объектив 100Х с числовой апертурой 1.4. Такая система позволяет перевести угол поворота моторизированного зеркала в перемещение перетяжки излучения, сфокусированного объективом. Точность позиционирования перетяжки составляет 1 нм в поле 150×150 мкм. Образец с нанесенным фоторезистом помещают на моторизированный двухкоординатный микроскопный столик, осуществляющий перемещение в диапазоне 110×75 мм с точностью 100 нм. Визуализация процесса изготовления происходит с помощью КМОП камеры и освещения в схеме Келлера. Призмы изготавливались из коммерчески доступного фоторезиста SZ2080. Контроль высоты зазора осуществлялся по сигналу двухфотонной люминесценции фоторезиста. Для этого использовался метод, предложенный в работе Jung В. J. et al. Autofocusing method using fluorescence detection for precise two-photon nanofabrication, Opt. Express, 2011.

Демонстрация работы призм с предварительно рассчитанными оптимальными параметрами проведена на примере волноводов для блоховских поверхностных волн (БПВ). БПВ - поверхностные электромагнитные волны на границе раздела фотонный кристалл - диэлектрик. Эти волны возбуждаются в спектральной области фотонной запрещенной зоны и за пределами светового конуса. БПВ возбуждались на поверхности одномерного фотонного кристалла, состоящего из 10 пар чередующихся слоев SiO₂ и Ta₂O₅ с толщинами 204 нм и 142 нм, соответственно. БПВ возбуждались на длине волны 780 нм. Для определения оптимальных геометрических параметров было проведено численное моделирование возбуждения БПВ с помощью призмы методом конечных разностей во временной области. Для этого численно определялась зависимость эффективности возбуждения БПВ от трех параметров призмы L, d, α при условии h=w ctg(α). Ширина пучка w считалась равной 10 мкм. На фиг. 4 представлен график зависимости эффективности возбуждения БПВ η от d и α при длине L равной оптимальной длине для каждой пары d и α. Полученные оптимальные параметры призмы оказались равны L=16 мкм, d=280 нм, α=25.5°, Н=21 мкм. Фиг. 5 демонстрирует распределение электромагнитного поля при возбуждении БПВ с помощью призмы с оптимальными параметрами. Призмы с оптимальными параметрами были изготовлены на поверхности фотонного кристалла методом двухфотонной лазерной литографии. При этом ширина крепящих призму к фотонному кристаллу ножек 3 равна 10 мкм. Ширина области зазора 5 определяется шириной пучка w и равна 10 мкм. На Фиг. 6 приведено изображение изготовленной призмы, полученное с помощью растрового электронного микроскопа.

Работа призм была исследована методом микроскопии утечки излучения [Abrashitova K. et al. "Bloch Surface Wave Photonic Device Fabricated by Femtosecond Laser Polymerisation Technique", Applied Sciences, 2018]. Пучок излучения лазерного диода 780 нм фокусировался с помощью объектива 10Х с числовой апертурой 0.25 на основание призмы на поверхности фотонного кристалла. Это приводило к возбуждению БПВ на поверхности фотонного кристалла. При распространении БПВ по поверхности фотонного кристалла часть излучения БПВ высвечивалась в стеклянную подложку, на которой располагался фотонный кристалл. Эта часть излучения собиралась с помощью масляно-иммерсионного объектива 100Х с числовой апертурой 1.3. Собранное излучение визуализировалось с помощью двух КМОП камер: на одной строилось изображение фокальной плоскости собирающего объектива, а на второй - изображение задней фокальной плоскости. Дополнительно в установке микроскопии сразу после собирающего объектива следовала 4f-система, целью которой была фильтрация изображения. С помощью этой системы возможно выделять область в пространстве, сигнал из которой давал вклад в изображения на камерах, и набор волновых векторов излучения, дающего вклад в изображения. На Фиг. 7 приведено изображение, полученное при возбуждении БПВ на поверхности фотонного кристалла с помощью призмы.

Методом двухфотонной лазерной литографии были получены призмы из фоторезистов SZ2080 и OrmoComp для излучения с шириной пучка w 10 мкм, 15 мкм, 20 мкм, 25 мкм, эффективным показателем преломления моды волновода n_eff 1 и 1.45. Полученные из SZ2080 (n_prism=1.5) микропризмы характеризовались следующими геометрическими размерами:

Полученные из OrmoComp (n_prism=1.52) микропризмы характеризовались следующими геометрическими размерами:

Эффективность заведения излучения в волновод составляла от 50% до 60%.

Таким образом, оптический элемент из оптически прозрачного полимера, имеющий микрометровый масштаб (от 10 до 100 мкм), демонстрирует возможность однонаправленного высокоэффективного (не менее 50%) заведения излучения, падающего под нормалью к поверхности оптического чипа, на котором расположен волновод.

Для сравнения работы предложенной призмы и прототипа был изготовлен оптический элемент на поверхности фотонного кристалла, предложенный в работе Ахременков Д.В., Сафронов К.Р. «Возбуждение блоховских поверхностных волн с помощью микропризм, изготовленных методом двухфотонной лазерной литографии», «Ломоносов-2019», секция Физика, подсекция Оптика, ISBN 978-5-8279-0168-6. Эффективность ввода излучения данным оптическим элементом оказалась равна 30%, что оказалось меньше эффективности заявляемого устройства (не менее 50%). Основным ограничивающим фактором эффективности аналога оказалось рассеяние излучения на неоднородностях в области зазора.

Claims (7)

1. Оптический интегральный чип, включающий размещенные на подложке волновод и оптический элемент, выполненный в виде микропризмы из оптически прозрачного полимерного материала с возможностью ввода в волновод оптического излучения, распространяющегося под нормалью к поверхности чипа, и имеющей верхнюю, нижнюю и боковые грани, где две противоположные боковые грани выполнены наклонными и расположенными под углом α к нормали к поверхности оптического чипа, определяемым длиной волны источника оптического излучения и эффективным показателем преломления моды волновода, при этом микропризма имеет высоту h, определяемую шириной пучка излучения w по формуле h≥w ctg(α), и снабжена ножками, расположенными вдоль боковых граней, смежных с наклонными боковыми гранями, с образованием сквозного зазора, имеющего П-образное поперечное сечение, между нижней гранью призмы и поверхностью волновода, где высота зазора d порядка длины волны источника оптического излучения.

2. Оптический интегральный чип по п. 1, характеризующийся тем, что нижняя грань в области зазора выполнена скошенной (в виде поверхности, обеспечивающей монотонное увеличение величины зазора при увеличении расстояния от наклонной грани).

3. Оптический интегральный чип по п. 1, характеризующийся тем, что верхняя грань выполнена с возможностью фокусировки или коллимации падающего на призму излучения (имеет параболическую/сферическую/асферическую цилиндрическую поверхность).

4. Оптический интегральный чип по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве подложки использована многослойная структура, состоящая из слоев оптически прозрачных материалов и/или металлических слоев.

5. Оптический интегральный чип по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве волновода выступает слой или полоса оптически прозрачного материала на поверхности подложки.

6. Оптический интегральный чип по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве прозрачного полимерного материала микропризмы использован фоторезист SZ2080 или OrmoComp.

7. Оптический интегральный чип по п. 1, характеризующийся тем, что призма выполнена с расстоянием между ножками призмы не менее ширины пучка излучения.

Images