Elipsometrie optická metoda pro určovani optickych parametrů systemů tenkych vrstev
Spektroskopická reflektometrie • Problém určení optických parametrů, tedy tloušťky a optickych konstant (soustav) tenkých vrstev • Jednou z těchto metod je spektroskopická reflektometrie. V této optické technice je spektrální závislost odrazivosti či propustnosti nejčastěji měřena pro téměř kolmý dopad monochromatického světla v neabsorbujícím prostředí, např. ve vzduchu. Pro tuto metodu měření existuje několik způsobů zpracovaní pro určení tloušťky či optických konstant měřené tenké vrstvy. Jedním ze způsobů je tzv. obálková metoda založena na principu tvorby obálek, které se sestrojují pomocí maxim či minim ve spektrální závislosti odrazivosti. • Tenká vrstva musí mít dostatečně velkou tloušťku, aby se projevila interference
Spektroskopická elipsometrie •
•
•
Tato metoda narozdíl od spektroskopické reflektometrie využívá šikmý dopad monochromatického světla a je založena na změně polarizace světla po odrazu na rozhraní dvou různých prostředí. Zpracování elipsometrických experimentálních dat je velmi složité a vyžaduje užití počítačové techniky. Uvažujme model tenké vrstvy na substrátu a předpokládejme: 1) Optické prostředí, ve kterém je tenká vrstva umístěna, je z optického hlediska neabsorbující, homogenní a isotropní materiál. 2)Materiály, ze kterých je tvořena tenká vrstva a substrát, jsou opticky homogenní. Obecně se předpokládá, že jsou tyto materiály též opticky anisotropní a absorbujicí. 3) Obě rozhraní systému jsou ideálně rovné, hladké a nekonečně tenké. Ve skutečnosti mnoho systémů tenkých vrstev projevuje nehomogenitu nejen v tloušťce, ale i v indexu lomu či absorpce, který bývá v nestejných místech vrstvy různý, a anisotropii, tedy závislost optických parametrů na směru. Tyto vlastnosti se poté musí brát v úvahu při zpracování experimentálnich dat.
Polarizované světlo • • • • •
Pro světlo, jakožto druh elektromagnetických vln, platí soustavy Maxwellových rovnic rot H = j+∂D/∂t rot E = −∂B/∂t div D = ρ div B = 0 Jedno z řešení Maxwellových rovnic pro intenzitu elektrického pole E může nabývat tvaru E= E0 exp[ iω(t−z/v) ]= Eexp [iτ] vektor E intenzity elektrického pole je vždy kolmý na směr,kterým se vlnění šíří.
• směr vektoru E v dané rovině zcela nahodilý – nepolarizované světlo
• směr vektoru E stále stejný v rovině kolmé na směr šíření ‐ lineární polarizace
• koncový bod výsledného vektoru E v závislosti na čase t opisuje v průmětu elipsu , která je charakterizována úhly θ (azimut), γ (úhel elipticity) a velikostmi ε (elipticita), a (hlavní poloosa) a b (vedlejší poloosa). Zvlaštním případem elipticity polarizovaného světla je světlo kruhově polarizované, kdy se velikosti poloos elipsy sobě rovnají
• • • •
Ex = A cos ( τ +δ1 ) Ey = B cos ( τ +δ2 ) Δ = δ1 − δ2 tanψ = B/A
• kde Δ je rozdíl fází a ψ je azimut. Jestliže Δ =0 nebo Δ = ±π , pak se jedná o světlo lineárně polarizované. V případě Δ =1/2 π nebo Δ =3/2 π se jedná o světlo kruhově polarizované.
Vícepaprsková interference odraženého světla na tenké vrstvě Odrazivost R systému podložka + tenká vrstva R= rj·rj∗ j≡s,p složky elipticity polarizovaného světla rj Fresnelovy koeficienty pro odraz rj= (r1j+r2j exp (i x1))/(1+r1j r2j exp (i x1)) fázový rozdíl x1= 4π/λ (n1 d1 cos α1)
r1s = (n0cos α0− n1cos α1)/(n0cos α0 + n1cos α1) r2s = (n1cos α1− n cos α2)/(n1cos α1 + n cos α2) r1p = (n1cos α0− n0cos α1)/(n1cos α0 + n0cos α1) r2p = (n cos α1− n1 cos α2)/(n2cos α1 + n1 cos α2)
Elipsometr
Spektroskopická elipsometrie Metoda založená na šikmém dopadu světla ‐ měřeni světla měnícího polarizaci (především úhel elipticity γ ) při odrazu na vzorku (prostředí, vrstva, substrát) Experimentální data ψ a Δ ρ= rp / rs = rp / rs exp (i Δ) = tan ψ exp (i Δ) = tan ψ exp [i (δp− δs)] cos 2 ψ = cos 2γ cos 2θ tan Δ = tan 2γ / sin 2θ
• Z hlediska nabízených přístrojů existují kompaktní elipsometry s fixním úhlem měření a s omezeným spektrálním rozsahem měření, které neumožňují plnohodnotný výzkum nových materiálů, ale pro běžné aplikace či pro měření standardních materiálů bohatě dostačují. • Nebo se pak nabízejí univerzální, modulární systémy, které mohou měnit úhel měření, lze s nimi skenovat v širokém spektrálním rozsahu (od UV až do NIR či IR), mají celou škálu přídavných možností a hodí se hlavně pro oblast výzkumu nových materiálů nebo pro studium vlastností při nestandardních podmínkách (vakuum, nízké či vysoké teploty atd.). Systémy využívají buď laditelný monochromatický zdroj světla (světelný zdroj v kombinaci s monochromátorem) a na výstupu pak jednoduchý Si případně InGaAs detektor pro pokrytí oblasti od UV do NIR oblasti, nebo je na vstupu klasický širokopásmový světelný zdroj (výbojová lampa či halogenová žárovka) a na výstupu pak CCD či InGaAs lineární detektor, kam se zaznamená celé spektrum v jednom okamžiku. Tento princip je vhodný i pro insitu měření, tj. on‐line měření v průběhu procesu.
Holografie Holografie je vyspělá forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu.
Historie • Dennis Gabor dal v roce 1948 holografii teoretické základy, avšak plného rozvinutí dosáhla až s vynalezením laseru v roce 1960, který dodal dostatečně bodové a koherentní světlo. První trojrozměrný záznam, zobrazující vláček, se podařilo vytvořit vědcům na michiganské univerzitě (Emmett Leith a Juris Upatnieks) v roce 1964. Následný vývoj se ubíral přes holografický záznam pohybu, trojrozměrné obrázky na obálkách knih a časopisů až k datovému záznamu. • Termín holografie vznikl sloučením dvou řeckých slov holos (úplný) a grafie (záznam).
Záznam hologramu • Na rozdíl od běžné fotografie, která zachycuje bod po bodu intenzitu jednotlivých paprsků světla, holografie umožňuje trojrozměrný záznam předmětu na dvourozměrný obrazový nosič (citlivá vrstva fotografického filmu, emulze na skle, plastová fólie), kam se zapíše informace jak o intenzitě, tak i o fázi světla odraženého od předmětu.
Svazek koherentních světelných paprsků ,které vyzařuje laser, a který je dostatečně široký,aby mohl zaznamenat úplně celý předmět,se obvykle pomocí optických prostředků (např. polopropustné zrcadlo) rozdělí na svazek osvětlovací a svazek referenční. Po dopadu a následném odrazu osvětlovacího svazku od snímaného předmětu vzniká předmětový svazek, jenž nese informaci nejen o intenzitě světla, ale i jeho fázi, která vypovídá o trojrozměrné struktuře. Tyto informace se zaznamenají v obrazovém nosiči (např. fotografický film) díky referenčnímu svazku, jenž v místě obrazového nosiče interferuje s obrazovým svazkem. Vznikne tak interferenční obrazec ‐ hologram, kde se nepravidelně zapíšou rozmístěná interferenční maxima a minima.
Rekonstrukce hologramu • Pro správné zobrazení zaznamenaného předmětu je nutné hologram osvětlit koherentním svazkem paprsků (rekonstrukční svazek) vyzařovaným obvykle laserem pod stejným úhlem, pod jakým dopadal během snímání referenční svazek. Díky difrakci rekonstrukčního svazku se vytvoří světelné pole (rekonstruovaný svazek) odpovídající trojrozměrnému obrazu předmětu, který je v hologramu zaznamenán. Jednoduše řečeno, hologramem projdou jen paprsky odpovídající paprskům odraženým od zaznamenaného předmětu. Výsledkem je zdánlivý prostorový obraz.
Záznamový materiál • Na záznamový materiál pro holografické paměti jsou kladeny vysoké nároky. Způsob záznamu vyžaduje dostatečnou optickou propustnost, citlivost, homogenitu, rozměrovou a teplotní stabilitu. Důležité je také nedestruktivní čtení a malá tloušťka. • Již od prvních pokusů o holografický záznam informace je ve středu zájmu niobičnan lithný (LiNbO3) dopovaný železem (Fe) a prvky vzácných zemin (např. praseodymem ‐ Pr). Tento materiál se získává růstem z taveniny podobně jako polovodičové materiály. Vyznačuje se piezoelektrickými vlastnostmi, spojenými se změnou indexu lomu v důsledku odlišného vnitřního pnutí.
•
Jinými významnými kandidáty záznamových materiálů jsou polymery. Pro trvalý záznam lze využívat difuse barviva za tepla, vázaného na polymerované řetězce nebo změny absorpce fotochronních molekul ozářením. Jiný mechanismus je založen na vzniku optické anisotropie v důsledku polymerizace pod vlivem ozáření, takže záznam je zobrazen změnou dvojlomných vlastností. Dvojlomný je i záznam využívající reorientace chromoforů na bázi azo‐barviv v důsledku ozáření. Vlastnosti polymerů většinou převyšují vlastnosti niobičnanu lithného. Zatím se polymery jeví jako vhodnější pro trvalý holografický záznam. To ukazují i výzkumy firem, které se holografickými záznamy zabývají. Např. firma InPhase tech. vytvořila speciální fotopolymer vykazující potřebné parametry. Je tvořen směsí dvou nezávisle polymerovaných, ale ještě kompatibilních chemických materiálů. Zapisovatelné disky jsou tvořeny místní polymerizací jedné složky, která vytvoří matrici média. Druhá složka, která je fotocitlivá, zůstane bez reakce a roztroušená v této matrici. Záznam hologramů nastává skrz prostorový vzor generovaný během holografického zápisu (zjednodušeně: v nosném médiu se vytvoří díky jedné chemické sloučenině matrice, do které se, díky druhé sloučenině, zapisují data).
• Důležitá skutečnost oproti klasickým CD či DVD diskům je ta, že holografická média jsou propustná. Tedy žádný odraz. Na jedné straně se médium osvítí a na druhé se data čtou. Tyto materiály umožňují zaznamenat až 31,2 Gb na čtvereční palec, což v přepočtu na velikost klasické 5.25" diskety obnáší 45 GB! Ovšem nově vyvíjené materiály jsou schopny zaznamenat až 300 Gb na čtvereční palec i se zachováním velmi rychlého datového přenosu. Tato technologie také nevyžaduje vysoké otáčky média, aby byl zachován rychlý přenos dat, tak jak vidíme u dnešních CD a DVD. Na následujícím grafu je znázorněna závislost kapacity na velikosti použitého média, při použití modrého laseru (405‐407 nm) a jednoduchého způsobu zápisu u média TapestryTM vyvinutého firmou InPhase Technologies:
Další využití holografie • • • •
Reklamní účely Zabezpečovací prvky (bankovky) Zpřístupnění vzácných archivoválií veřejnosti. Datový záznam – nevýhoda je nemožnost přepisu
Interference Interference (interferenční jev) znamená vzájemné ovlivňování, prolínání nebo střetání jevů či hmoty
• Světlo je elektromagnetické vlnění (vlnová délka viditelného světla 380 ‐ 760 nm). • Interference patří mezi jevy, které potvrzují vlnový charakter světla. Jev spočívá ve skládání různých příspěvků vlnění v daném místě (v případě světla elektrického a magnetického pole).
Interference na tenké vrstvě • Barvy, které vidíme, když sluneční světlo dopadá na mýdlovou bublinu nebo olejovou skvrnu, jsou důsledkem interference světelných vln odražených od přední a zadní plochy této průhledné vrstvy. Tloušťka mýdlové nebo olejové vrstvy je obvykle řádově rovna jednotkám vlnových délek. • Tento jev je znázorněn na obrázku. Jakmile na tenkou planparalelní destičku tloušťky d s indexem lomu n dopadá rovinná monochromatická vlna pod úhlem α, světelný paprsek l dopadající na rozhraní I. Se částečně láme a částečně odráží. Podobná situace nastane i na rozhraní II. Na tenké vrstvě nastává interference v odraženém i prošlém světle.
• Lom na rozhraní dvou prostředí nikdy nezpůsobí fázovou změnu. Ale odraz, v závislosti na indexu lomu na obou stranách rozhraní, může tuto změnu způsobit. • Světlo po odrazu od opticky hustšího prostředí (např. ze vzduchu do skla), mění fázi. • Změní svou fázi a π rad neboli o polovinu vlnové délky.
Tři základní situace • n2=1…..vzduchová vrstva mezi dvěma skly (n1 a n3 ≠ 1) • n1=n3=1…..planparalelní destička ve vzduchu (n2 ≠ 1) • n1=1; n3〉 n2…..protiodrazová vrstva na skle
Dráhový rozdíl • V bodě C se setkávají paprsky a“ a b“ s určitým dráhovým rozdílem; v bodech A a E jsou paprsky a a b ve fázi, v bodě C tedy mají již určitý dráhový rozdíl – paprsek b vykoná dráhu EC a za stejnou dobu paprsek a´ vykoná dráhu AB + BC = 2 AB • Δ = 2 AB n2 – EC n1 plus případně ještě změna fáze (λ/2)podle toho, zda jde o případ 1, 2, 3
• Δ = 2 d n2 cosε´ V případě: 1) Paprsek b se odráží v bodě C na prostředí opticky řidším; v tomto případě nedochází ke změně fáze. Paprsek a se odráží v bodě B na prostředí opticky hustším; v tomto případě se fáze mění v opačnou 2) Paprsek b se odráží v bodě C na prostředí opticky hustším; v tomto případě se fáze mění v opačnou. Paprsek a se odráží v bodě B na prostředí opticky řidším; v tomto případě nedochází ke změně fáze
λ/2
3) Oba paprsky se odrážejí na opticky hustším prostředí, tedy v obou případech dochází ke změně fáze, ale celkově se nic nemění (dvakrát dochází o posun π rad)
Využití interference na tenkých vrstvách v praxi • • • • • •
měření tloušťky tenké vrstvy určování indexu lomu materiálu určování vlnové délky světla kontrola opracování optických ploch určování poloměru křivosti čoček. snížení odrazivosti optických ploch soustavy (antireflexní vrstvy) • zvýšení odrazivosti ploch(dielektrická zrcadla) • získání světelných filtrů s velmi úzkým pásem propustnosti (interferenční filtry) • k zabránění koroze kovových zrcadel a ke zvýšení jejich odrazivosti
Antireflexní vrstvy • Odraz světla na rozhraní vzduch – brýlová čočka působí nepříjemné potíže jak uživateli, tak ruší estetický dojem uživatele brýlí ve styku s okolím. Proto je třeba snížení nebo odstranění reflexe na brýlích věnovat pozornost. Přední odlesky pozorovatelné pouze okolím překrývají oblast očí uživatele brýlí vzadu za čočkami. Mnohem větší význam mají odlesky, které vnímá sám uživatel brýlí. Nejrušivější jsou především odlesky, které se objevují jako vedlejší obrazy světelného zdroje před tmavým základem. Příklad můžeme uvést osvětlení silnic a reflektorů aut na noční silnici. • Antireflexní vrstvy mají důležitý význam i u řady optických přístrojů.
• odrazivost (reflexe) R = I´´ / I [%] • propustnost(transmise) T = I´ / I [%] • absorpce (pohlcování) na vrstvě tloušťky d Ad = 1‐ (1 – α)d [%] I…..intenzita světla dopadajícího na rozhraní I´…..množství světla prošlého rozhraním I“…..intenzita světla odraženého od rozhraní a…..činitel absorpce = (I´ ‐ I1´) / I
R + T + Ad = 1
• Dá se odvodit, že pro odrazivost platí vztah: 1 ⎡ sin 2 (ε − ε ´) tg 2 (ε − ε ´) ⎤ R= ⎢ 2 + 2 ⎥ 2 ⎣ sin (ε + ε ´) tg (ε + ε ´) ⎦
ε….. úhel dopadu ε´…..úhel lomu • Pro úhly dopadu 0o ≤ ε ≤ 20o je odrazivost přibližně konstantní a je přibližně stejná jako odrazivost pro kolmý dopad. Při kolmém dopadu pro odrazivost světla platí tento vztah: (n2 je index lomu vrstvy, n1 index lomu prostředí před vrstvou)
⎛ n 2 − n1 ⎞ ⎟⎟ R = ⎜⎜ ⎝ n 2 + n1 ⎠
• světlo prochází ze vzduchu na čočku o různých indexech lomu materiálu n3 : n3 R [%]
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
4
5,3
6,7
8,2
9,6
• Tedy se zvětšujícím se indexem lomu materiálu se reflexe zvyšuje. Běžná čočka z korunového skla má na obou plochách reflexi asi 8%, vysokoindexová téměř 20%. • Aby došlo ke snížení odrazivosti, musí být splněny dvě základní podmínky pro jednoduchou tenkou vrstvu: podmínka fázová a podmínka amplitudová
Podmínka fázová
2 dn 2 = (2 k − 1 ) 2dn2 =
λ 2
⇒d =
λ 4n2
λ 2
• Šikmý dopad 2 dn 2 cos ε ´= (2 k − 1 )
• k=1 d =
λ 4 n 2 cos ε ´
λ 2
Podmínka amplitudová • Aby došlo ke co nejvýraznějšímu snížení odrazivosti, aby se světelné vlny setkaly na prvním i druhém rozhraní se stejnou intenzitou (odrazivost na obou rozhraních by měla být stejná).
R1, 2 = R 2 ,3 • Matematický zápis této podmínky:(pro jednoduchost uvažujeme téměř kolmý dopad) 2
⎛ n2 − 1 ⎞ ⎛ n3 − n2 ⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎜⎜ + 1 n + n n 2 ⎠ ⎠ ⎝ 3 ⎝ 2
• Po úpravě :
n2 = n3
2
• Pro zajímavost již dříve zmiňovaná tabulka závislosti odrazivosti a indexu lomu n3 čočky a index lomu antireflexní vrstvy n2: n3
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
R [%]
4
5,3
6,7
8,2
9,6
n2
1,225
1,265
1,3
1,34
1,378
• Pro běžné korunové sklo vhodný matriál s indexem lomu 1,225 pro vrstvu neexistuje. Proto má brýlová čočka z korunového skla s jednoduchou vrstvou vždy částečnou reflexi sníženou asi na polovinu. Tloušťka vrstvy se volí rovna čtvrtině vlnové délky žlutozeleného světla, antireflexní účinek pro světlo červené a modré je menší a světlo odražené od čočky má purpurové nebo nahnědlé zabarvení. Fluorid hořečnatý s indexem lomu 1,38, který se většinou používá lépe vyhovuje pro vysokoindexové čočky s indexem lomu 1,8 nebo 1,9. Antireflexní vrstva se nanáší na oba povrchy brýlové čočky.
Vícenásobné antireflexní vrstvy • Jednoduchá antireflexní vrstva může úplně zrušit odrazy jen pro jednu vlnovou délku z viditelného spektra. Další odrazy se dají eliminovat vícenásobnými vrstvami s různými tloušťkami a indexy lomu. Každá z vrstev odrazí sérii světelných vln, které interferují a odrazivost se může snížit až na 0,2%. • Vícenásobné vrstvy mají obvykle lichý počet vrstev. Liché vrstvy tvoří materiál s malým indexem lomu (např. kryolit n=1,43, křemen n = 1,45), sudé vrstvy jsou z materiálu s velkým indexem lomu(Ti O2 n=2,5, Sb2O3 n=4,5).
• Například pro trojnásobnou vrstvu uvedeme bez odvození vztah: ⎛ n − N3 ⎞ ⎟⎟ R = ⎜⎜ č ⎝ nč + N 3 ⎠
2
N
3
=
n2 n1n 3
nč….index lomu čočky N3…..index lomu trojnásobné antireflexní vrtsvy n2….index lomu sudé vrstvy n1 a n3…..indexy lomu lichých vrstev • Vrstvy 1 a 3 mají tloušťku λ/4 pro vybrané vlnové délky viditelné oblasti. Tloušťka mezivrstvy je λ/2 a je z materiálu s vyšším indexem lomu.
Odrazné vrstvy •
Značný význam v optické praxi mají také vrstvy, které zvyšují odrazivost, tzv, vrstvy odrazné. Užívá se jich u optických přístrojů, když je třeba rozdělit světlo na dvě části v různém poměru, tj. určitá část světla má být propuštěna a určitá se má odrážet. Nejčastější jsou vrstvy polopropustné, u nichž se dopadající světlo dělí v poměru 1:1. K tomuto účelu se používají kovové vrstvy určité tloušťky, např. vrstvy stříbra, hliníku a jiné.
•
Jednosměrné zrcadlo, zvané též polopropustné zrcadlo, odráží asi polovinu světla a druhou polovinu propouští. Je to tabule skla pokrytá vrstvou kovu o tloušťce jen několika atomů, která propouští část světla (na obě strany). Používá se mezi tmavou místností a jasně osvětlenou místností. Osoby na jasně osvětlené straně vidí svůj vlastní odraz ‐ vypadá jako obyčejné zrcadlo. Osoby na tmavé straně vidí skrze zrcadlo ‐ zrcadlo vypadá jako průhledné okno. Může být použito v nemocnicích na kontrolu pacientů atd. V optice se polopropustné zrcadlo také nazývá dělič svazku. Jeho účelem je rozdělit paprsek světla tak, aby část prošla přímo, zatímco druhá část je odražena ‐ to se využívá např. v interferometrii nebo v kamerách (některé barevné digitální kamery, analogový systém Technicolor).
•
Materiál vhodný pro výrobu odrazných vrstev je např. Ti O2. V praxi se stejně jako u antireflexních vrstev používají vícenásobné odrazné vrstvy, např. trojnásobná odrazná vrstva N3 = 4,66 R3 = 76%, N5 = 8,65 R5 = 92%. Odrazivost kolem 90 % materiálu představuje dokonalé zrcadlo. Zrcadla tohoto druhu se označují jako zrcadla dialektrická – jejich odrazivost se blíží odrazivosti stříbra.
Planární optické vlnovody
Optický vlnovod : vrstvový kanálkový vlákno
Princip vedení světla ve vlnovodu
Zavedeme‐li do vlnovodné vrstvy vlnu pod dostatečně velkým úhlem dopadu θ, nastává na obou rozhraních totální odraz. Energie šířící se vlny tak nemůže z vlnovodné vrstvy uniknout.
• Zmenšujeme‐li tloušťku vrstvy d tak, až se stává srovnatelnou s vlnovodou délkou optického záření, přestává být splnění podmínek totálního odrazu dostačující podmínkou k tomu, aby se vlna ve vlnovodné vrstvě mohla šířit. Začnou se totiž plně projevovat vlnové vlastnosti optického záření, které vyžadují, aby při odrazech od rozhraní docházelo ke konstruktivní interferenci vln. Jinak se jednotlivé příspěvky po mnohonásobných odrazech vzájemně zruší. Podmínka konstruktivní interference je splněna pouze pro některé diskrétní hodnoty úhlu dopadu θ. Vzniklá výsledná vlna tvoří tzv. vlnovodný vid (mód). Každý vid je charakterizován příčným rozložením pole ve vlnovodu, které se při šíření vlnovodem nemění. Různé úhly dopadu odpovídající různým vidům pak způsobují, že se jednotlivé vidy šíří s různou fázovou rychlostí, a v důsledku toho i s různou grupovou rychlostí.
• Podrobnější rozbor ukazuje, že se ve vlnovodu mohou šířit vlny s různou polarizací optického záření, tzv. příčně elektrické (TE) a příčně magnetické (TM) vidy, které mají vzájemně velmi podobné rozložení pole, ale poněkud odlišnou fázovou i grupovou rychlost šíření. • Vektor intenzity elektrického pole TE vidů má jedinou složku ve směru osy y • Dominantní složka intenzity elektrického pole vidů TM leží v rovině dopadu a je rovnoběžná se souřadnicovou osou x.
Rozložení pole optického záření tří nejnižších TE vidů v planárním vlnovodu.
Kanálkové vlnovody • V planárním vlnovodu se optické záření může šířit všemi směry v rovině vlnovodné vrstvy; říkáme, že je lokalizováno v rovině vlnovodu. • Pokud chceme optické záření vést jedním směrem, používáme k tomu některý z typů kanálkového vlnovodu.
pohroužený
nanesený
skrytý
• V kanálkovém vlnovodu se může šířit konečný počet vedených vidů charakterizovaných příčným rozložením pole, které se při šíření zachovává, a fázovou a grupovou rychlostí šíření. • Pro praktické aplikace se nejčastěji využívají vlnovody jednovidové, v nichž se na dané vlnové délce šíří pouze jeden vid. Přesněji řečeno, v těchto vlnovodech se zpravidla šíří dva vidy s podobným rozložením pole, ale s různou polarizací.
Útlum vlnovodu • Důležitou charakteristikou vlnovodu je jeho činitel útlumu; kvalitní vlnovody mají činitel útlumu řádu desetin dB/cm nebo méně. • Ke ztrátám ve vlnovodu dochází různými mechanismy: a) absorpcí, která je vlastností použitého materiálu; b) absorpce závisí také na přítomnosti příměsí c) rozptylem na nehomogenitách rozložených v objemu vlnovodu (praskliny, inkluze, hranice zrna), d) rozptylem na nerovnostech na obou rozhraních vlnovodu s okolním prostředím
Materiál Požadavky které jsou kladeny na materiály pro přípravu vhodných vrstev a na materiály podložek : •
• • • •
• •
malé optické ztráty v oblasti využívaných vlnových délek (λ = 0,632 až 1,53 μm); dnes se v telekomunikacích běžně využívají tři zvolené vlnové délky, tzv. telekomunikační okna (830, 1300, 1550 nm). vhodná velikost indexu lomu v oblasti těchto vlnových délek optická kvalita (homogenita, malá tendence k vytvoření různých poruch apod.) dobré mechanické vlastnosti (dostatečná pevnost a tvrdost) technologická vhodnost (jednoduchost, možnost tvarování, slučitelnost s jinými technologiemi, odolnost vůči vlhkosti a běžným chemikáliím) speciální vlastnosti (elektrooptické, piezoelektrické, magnetooptické aj.) přijatelná cena
• Pro pasivní vlnovody je dnes nejvíce používaným materiálem sodnovápenaté křemičité sklo. (iontová výměna : Li+ ‐ Na+, Ag+ ‐ Na+, K+ ‐ Na+) • Pro aktivní planární struktury (ovládají paprsek) jsou dnes používány monokrystaly např. LiNbO3, méně LiTaO3, KTiOPO4 a některé druhy speciálních skel.
Spektrální závislost materiálového útlumu křemenného skla
Metody přípravy •
Pro skleněné podložky jsou nejrozšířenější difusní procesy založené na výměně vybraných iontů tzv. iontová výměna (IE – ion exchange). Iontovou výměnou se rozumí proces, ve kterém je substrát ponořen na zvolenou dobu do taveniny (iontového zdroje), která obsahuje požadované ionty. Tím, že je sklo přivedeno do kontaktu s taveninou (styk dvou prostředí s různým chemickým složením), vznikají v tomto systému koncentrační gradienty, které jsou hnací silou difuse (základní mechanismus přenosu iontů v obou prostředích). Ionty se začnou vlivem teplotního impulsu (iontová výměna se provádí za zvýšené teploty) pohybovat a vzájemně vyměňovat – snaha systému o dodržení rovnováhy, tj. vyrovnání koncentračních gradientů. Tím, že ve struktuře dojde k záměně iontů o jiném poloměru, popř. s jinou polarizovatelností vznikne vrstva se změněnou hodnotou indexu lomu. Pro přípravu vlnovodu je žádoucí zvýšení indexu lomu. Přesná hodnota změny indexu lomu ve vrstvě pak již záleží na konkrétní kombinaci materiálu substrátu, vyměňovaného iontu a podmínkách iontové výměny.
• Pro podložky z monokrystalů existuje vedle iontových výměn (Ti) více možností přípravy např. jsou to epitaxe, implantace, vakuové naprašování, vysokoteplotní difuse z kovové vrstvy.
Měření vlastností optických vlnovodů – vidová spektroskopie Vlastnosti připraveného optického vlnovodu jsou charakterizovány především: • počtem vedených vidů • hloubkou vlnovodné vrstvy • celkovou změnou indexu lomu • útlumem optického záření ve vlnovodu První tři z uvedených charakteristik určujeme pomocí vidového spektra, které získáme některou z metod vidové spektroskopie
Jednohranolová vidová spektroskopie
• Zdroj monochromatického záření je fokusován na základnu hranolu do vazební oblasti. Světlo dopadá na základnu hranolu pod určitým intervalem úhlů, z nichž některé odpovídají synchronním úhlům. Dopadající svazek se od základny odráží a vytváří na stínítku světlou širokou stopu, ve které můžeme pozorovat tmavé vidové čáry. Tento jev je způsoben tím, že část světla, která se šíří v synchronním směru vidu, se naváže do vlnovodu a na stínítku můžeme pozorovat tmavou čáru • Dvouvidový vlnovod – dvě tmavé čáry • Vazební oblast musí být co nejmenší, jinak by docházelo k okamžitému vyvázání světla z vlnovodu. (lze dosáhnout např. vyleštěním základny hranolu do tvaru kulového vrchlíku) • Efektivní indexy lomu vlnovodných vidů určíme pak ze vztahů geometrické optiky. Maximální měřitelná hodnota indexu lomu je daná materiálem měřícího hranolu
Dvouhranolová vidová spektroskopie
• Světlo z He ‐ Ne laseru (λ = 633 nm) je navázáno do vlnovodu vazebními hranoly z vhodného materiálu a stejným způsobem se opět vyvazuje. Optické záření je vlnovodem vedeno v podobě vidů a každý vid vystupuje pak z hranolu pod určitým charakteristickým úhlem, tzv. synchronním úhlem vidu. Tyto úhly se pro jednotlivé maximálně vybuzené vidy měří pomocí goniometru. Jako referenční hodnota je brán kolmý odraz laserového svazku od přepony hranolu. Dostáváme tedy vidové spektrum • Známe‐li index lomu hranolu a lámavý úhel (vlastnost materiálu a velikosti vazebného hranolu), je možno ze vztahů geometrické optiky určit efektivní index lomu šířícího se vidu.
