NÁVODY PRO LABORATOŘE OBORU ANORGANICKÁ CHEMIE LABORATOŘ F05
Planární optické vlnovody
Pavla Nekvindová a kol. 2007
Na publikaci se podílel kolektiv autorů, jmenovitě: Ing. Pavla Nekvindová Ph.D. RNDr. Jarmila Špirková CsC. (kontrola a odborné připomínky k textu) Ing. Blanka Švecová (kontrola textu, editace) Ing. Stanislava Janáková (kontrola textu)
2
OBSAH 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 2.
Teorie ..................................................................................................................2 Úvod ....................................................................................................................2 Princip vedení světla ve vlnovodu.........................................................................3 Materiály a technologie pro přípravu optických vlnovodů.....................................5 Měření vlastností optických vlnovodů – vidová spektroskopie ..............................7 Praktická příprava planárního vlnovodu metodou iontové výměny ve skleněné podložce a měření jeho vlastností .................................................10 2.1 Jak vyčistit podložku – substrát?.........................................................................10 2.2 Jak provést iontovou výměnu?............................................................................10 2.3 Jak měřit vlastnosti vlnovodu pomocí jednohranolové vidové spektroskopie? .................................................................................................11 2.4 Jak měřit vlastnosti vlnovodu pomocí dvouhranolové vidové spektroskopie? .................................................................................................12 2.5 Jak vyhodnotit naměřená data? ...........................................................................12 3. Úlohy .................................................................................................................13 3.1 Základní úloha – příprava planárního optického vlnovodu a jeho charakterizace metodou vidové spektroskopie ...................................................13 3.2 Příprava optických vlnovodů iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+..............................15 3.3 Odhad vlastností optického vlnovodu připravovaného iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+ ...................................................................................16 3.4 Výpočet difusního koeficientu D pro difúzi Ag+ při přípravě optického vlnovodu iontovou výměnou ......................................................................17 3.5 Srovnání vlastností optických vlnovodů připravených iontovou výměnou různých iontů.................................................................................19 3.6 Přesnost metody vidové spektroskopie................................................................20 4. Slovník...............................................................................................................21 5. Literatura..........................................................................................................24
3
1. Teorie
1. 1.1
TEORIE Úvod1
Vedení světla optickým vláknem a využití tohoto jevu pro telekomunikaci je „technologickým zázrakem“ konce minulého století. Tento způsob přenosu světla má významné aplikace při zavádění světla do těžko přístupných míst, při zřizování spolehlivých komunikačních systémů. Obor, který se soustředí na výzkum optických struktur, které nejen mohou vést optický signál, ale také jej mohou ovládat se nazývá fotonika. Základní princip zachycení a vedení světla je přitom jednoduchý. Prostředí s nějakým indexem lomu, jež je obklopeno prostředím o indexu lomu nižším, působí jako „lapač“ světla, uvnitř něho zůstávají následkem mnohonásobných totálních odrazů na rozhraní obou prostředí zachyceny optické paprsky. Vzhledem k tomu, že tento jev umožňuje prostorové zachycení světla, generované uvnitř prostředí s vyšším indexem lomu, lze ho využít ke zhotovení světlovodů (vlnovodů) pro přenos světla z jednoho místa na druhé. Optický vlnovod jako světelný „kanál“ je nejčastěji tvořen vrstvou, páskem či válcem dielektrického materiálu obklopeného jiným dielektrikem s nižší hodnotou indexu lomu (Obr. 1). Světlo se šíří vnitřním prostředím bez vyzařování do okolí. Nejčastěji se pro vedení optického signálu užívá optické vlákno tvořené vnitřním válcovým jádrem, jež je koncentricky obaleno vnější válcovou plochou – tzv. pláštěm. Pro ovládání optického signálu pak mohou být využívány struktury páskovékanálové.
a)
b)
c)
Obr. 1 Optický vlnovod a) vrstvový, b) páskový (kanálkový), c) vlákno. Pro výrobu velmi spolehlivě pracujících optických struktur je potřeba vypracovat přesný technologický postup přípravy optického vlnovodu. Příklad jednotlivých kroků zjednodušeného vývoje optoelektronické struktury je znázorněn v následujícím schématu (Obr. 2). Prvním krokem je výběr vhodného materiálu, na kterém se různými technikami vytvoří optická vrstva vedoucí světlo - planární vlnovod. Dosáhneme-li vhodného spojení materiálu a technologie, vytvoří se na materiálu pomocí spojení litografie s technologií přípravy planárního vlnovodu vhodná optická struktura např. kanálkový vlnovod, odbočnice. Dalším krokem je pak připojení optické struktury na optické vlákno a vytvoření obalu pro distribuci výrobku.
2
1. Teorie
Obr. 2 Zjednodušené schéma vývoje optické vlnovodné struktury
1.2
Princip vedení světla ve vlnovodu2,3 Strukturu planárního dielektrického vlnovodu tvoří tři základní části (viz Obr. 3):
1)
okolní prostředí (vzduch) - index lomu n1
2)
dielektrická vrstva - index lomu n2
3)
základní materiál (substrát) - index lomu n3
Obr. 3 Struktura dielektrického planárního vlnovodu Vlna se v takovéto struktuře šíří pomocí tzv. vidů (modů).Vyvstává tedy otázka: Co je vid nebo mod? K vysvětlení tohoto pojmu lze použít v zásadě dvou představ. 3
1. Teorie První z nich vychází z teorie harmonického vlnění2, ve které platí rovnice pro závislost kmitající veličiny na čase i prostoru: ∇ 2ψ = kde ψ u t
1 σ 2ψ , . u2 σ t2
je vlnová funkce závislá na čase i prostoru, je rychlost šíření vlny, je čas.
Řešením této rovnice jsou pak ψ1, ψ2, ψ3 … ψm, které představují různé typy elektromagnetických vln, jejichž počet, tedy číslo m závisí na rozměrech a parametrech vlnovodu. Tato řešení pak nazýváme vidy nebo mody. Představa šíření elektromagnetických vln je vhodná pro studium detailních vlastností planárních vlnovodů, ve kterých může elektromagnetická vlna obsahovat různé nenulové složky elektrického a magnetického pole, resp. lze v těchto strukturách uvažovat šíření transverzálně elektrických (TE) a transverzálně magnetických (TM) vidů. Označíme-li složky intenzity elektrického pole Ex, Ey, Ez a složky magnetického pole Hx, Hy, Hz, a předpokládáme-li, že směr šíření vlny ve vlnovodu je rovnoběžný se směrem z, povrch vlnovodu je rovnoběžný se směrem y a normála k tomuto povrchu rovnoběžná se směrem x, pak za transverzálně elektrický vid (TE) se považuje takový vid, který obsahuje nenulové složky Ey, Hx a Hz. Analogicky pak transverzálně magnetický vid (TM) obsahuje nenulové složky Hy, Ex a Ez.2 Druhá představa je založena na zákonu totálního odrazu, který tvrdí, že je-li splněna podmínka n2 > n3 > n1, pak úhel odrazu se rovná úhlu dopadu. Tento zákon platí i pro optický vlnovod a je-li dále splněno, že vlnová délka šířeného optického záření λ je srovnatelná s hloubkou (v kanálkovém vlnovodu i s šířkou) vlnovodné vrstvy a změna indexu lomu je dostatečná, pak se vedená vlna šíří ve vlnovodu způsobem znázorněným na Obr. 4.
T.O.
Obr. 4 Totální odraz vedené vlny ve vlnovodu Kdybychom tímto způsobem vybudili pouze jeden druh elektromagnetické vlny, jednu tzv. “cik - cak“ čáru, pak bychom daný optický vlnovod nazvali jednovidovým vlnovodem. Ve vícevidovém vlnovodu je možné jedním zavedeným paprskem vybudit více tzv. „cik-cak“ čar, to jest více vidů (viz Obr. 5).
4
1. Teorie Vedení dvou vidů
Vedení čtyř vidů
Obr. 5 Vedení záření ve vícevidových vlnovodech Paprsek se však nemusí vlnovodem šířit právě tímto způsobem. Mohou nastat ještě další dva případy. Paprsky nesplňují podmínku totálního odrazu ani na jednom z rozhraní ve struktuře tj. na rozhraní okolí-substrát, okolí-vlnovodná vrstva a substrátvlnovodná vrstva a šíří se do okolí. Pak tyto vidy nazýváme vidy prostorové. Druhý případ nastane, jestliže se paprsky úplně odrážejí na rozhraní vrstvy s okolím, ne však na rozhraní se substrátem.Vidy odpovídající těmto paprskům nazýváme substrátové. Substrátové vidy jsou využívány k určení indexu lomu podložky. Tyto dva druhy vidů jsou však obvykle zdrojem ztrát, proto pro vedení optického signálu jsou důležité pouze vidy vedené.2 Právě optické ztráty jsou důležitým parametrem pro praktické využití vlnovodů. Souhrnnou charakteristikou ztrát je v našem případě útlum (udává se v dB/cm) - tj. ztráty výkonu optického záření při jeho šíření určitým prostředím. Ke ztrátám ve vlnovodu dochází různými mechanismy: a)
absorpcí, která je vlastností použitého materiálu; absorpce závisí však také na přítomnosti příměsí, a to především na iontech některých kovů (Fe2+, Cr3+...) a nebo OH- iontech;
b)
rozptylem na nehomogenitách rozložených v objemu vlnovodu (praskliny, inkluze, hranice zrna),
c)
rozptylem na nerovnostech na obou rozhraních vlnovodu s okolním prostředím.2
Má-li vlnovod útlum pod 0,5 dB/cm jsou jeho vlastnosti považovány za dobré, záleží ovšem také na materiálu substrátu. 1.3
Materiály a technologie pro přípravu optických vlnovodů
Materiál pro fotonické struktury musí splňovat speciální požadavky, a proto jsou na jeho výběr kladeny zvláštní nároky. Obecně závisí výběr materiálu na druhu vlnovodu a na technologii přípravy. Ve vláknových optických vlnovodech, které jsou jen pasivními vodiči záření na velké vzdálenosti, je kritickou vlastností útlum vlnovodu, dále pak mechanické vlastnosti a snadnost přípravy. V současné době jsou proto nejpoužívanějšími materiály pro vlákna velmi čistá skla, velmi čistý oxid křemičitý. Připravena byla i vlákna z polymerních látek, která však dnes nemají takové uplatnění především pro jejich časovou degradaci, velké ztráty a náročnost přípravy. V planárních optických vlnovodech mohou být nároky na hodnotu útlumu nižší, protože paprsek v nich urazí pouze malou dráhu, zato však jsou kladeny nároky na speciální fyzikální vlastnosti, jejichž pomocí je možné procházející svazek ovládat.
5
1. Teorie Materiály, které se používají pro přípravu planárních vlnovodů, se dělí do tří základních skupin2,4: 1)
materiály pro vrstvové vlnovody,
2)
materiály podložek,
3)
ostatní materiály (dotační, elektrodové, pomocné aj.).
Důležitých požadavků, které jsou kladeny na materiály pro přípravu vhodných vrstev a na materiály podložek, je celá řada: •
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. Pro aktivní planární struktury (ovládají paprsek) jsou dnes používány monokrystaly např. LiNbO3, méně LiTaO3, KTiOPO4 a některé druhy speciálních skel. Planární optické vlnovody jsou dnes připravovány nejrůznějšími technikami. Pro skleněné podložky jsou nejrozšířenější difusní procesy založené na výměně vybraných iontů tzv. iontová výměna (IE – ion exchange). Pro podložky z monokrystalů existuje vedle iontových výměn více možností přípravy např. jsou to epitaxe, implantace, vakuové naprašování, vysokoteplotní difuse z kovové vrstvy. 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.
6
1. Teorie
1.4
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. Princip metody vidové spektroskopie je následující. Monochromatický světelný svazek je navázán do vlnovodu pomocí vazebního hranolu a stejným způsobem se opět vyvazuje. Jak již bylo uvedeno výše, v každém malém ohraničeném prostoru, jako je tomu u planárních nebo kanálkových vlnovodů, se mohou šířit elektromagnetické vlny jen s určitými vektory šíření. Těmto „vlnám“ říkáme vidy a každý takový vid vystupuje z hranolu pod určitým charakteristickým úhlem α, tzv. synchronním úhlem vidu. Pokud tento úhel změříme a známe-li hodnotu indexu lomu hranolu a jeho lámavý úhel, můžeme ze vztahů geometrické optiky určit efektivní index lomu šířícího se vidu. V naší laboratoři se můžete setkat s dvěma základními principy měření: a)
jednohranolová (tmavá) vidová spektroskopie,
b)
dvouhranolová vidová spektroskopie. Jednohranolová vidová spektroskopie
Uspořádání metody je znázorněno na Obr. 6.
Obr. 6 Uspořádání metody tmavé vidové spektroskopie Zdroj monochromatického záření tvoří v tomto přístroji LED dioda produkující záření s vlnovou délkou 671 nm. Široký laserový svazek 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
7
1. Teorie 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 (na Obr. 6 jsou tedy na stínítku patrné dvě tmavé čáry – jedná se tedy o dvouvidový vlnovod). Vazební oblast musí být co nejmenší, jinak by docházelo k okamžitému vyvázání světla z vlnovodu. To je v našem případě zajištěno 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 (v našem případě je hranol ze skla SF4 s indexem lomu 1,7496).
Obr. 7 Vidové spektrum pozorované na stínítku jednohranolové vidové spektroskopie (14 vidů) Dvouhranolová vidová spektroskopie Princip metody je znázorněn na Obr. 8.
Obr. 8 Princip dvouhranolové vidové 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 (Obr. 9).
8
1. Teorie
Obr. 9 Příklad vidového spektra vlnovodu s deseti patrnými vidy 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. Ze spektra vedených vidů je dále možné určit profil indexu lomu, což znamená závislost efektivního indexu lomu na hloubce vlnovodné vrstvy. Výpočet profilu indexu lomu se provádí metodou Whita a Heidricha5. Měření vidového rozložení je přesnější než určení absolutních hodnot vidových indexů, protože absolutní indexy lomu velmi závisí na hodnotách úhlů indexů lomu vazebných hranolů. Je možné tak dostat určité posunutí křivek profilů indexu lomu, tvar křivek však odpovídá skutečnosti. Obecně je známo, že při dobrém seřízení aparatury by přesnost měření efektivního indexu lomu vidu vlnovodu standardní (dvouhranolovou) vidovou spektroskopií neměla být horší než 2.10-4.
9
2. Příprava planárního vlnovodu
2.
2.1
PRAKTICKÁ PŘÍPRAVA PLANÁRNÍHO VLNOVODU METODOU IONTOVÉ VÝMĚNY VE SKLENĚNÉ PODLOŽCE A MĚŘENÍ JEHO VLASTNOSTÍ Jak vyčistit podložku – substrát?
Při přípravě vlnovodů je kladen velký důraz na vysokou čistotu používaných povrchů. Skleněné substráty mohou být často znečištěny po předcházejících úpravách (řezání a leštění) zbytky organických látek, které je nutno odstranit. Pro čištění je používán následující postup. • vzorek je ponořen 2 - 3 min do nasyceného vodného roztoku CrO3, •
následuje opláchnutí v destilované vodě,
•
vzorek je vatou osušen do sucha a umístěn v hliníkové spirále,
•
vzorek se ve spirále vloží do vroucího izopropylalkoholu (aparatura sestávající z vodní lázně a zpětného chladiče), kde je ponechán cca. 10 min,
•
vzorek je ve spirále zavěšen na okraj kádinky, tak aby substrát již nebyl ani částí ponořen v izopropylalkoholu a ponechán v jeho parách cca. 10 min,
•
po vyjmutí z par je vhodné vzorek jemně přetřít izopropylalkoholem a vysušit vatou do sucha.
Po provedení celého postupu čištění se již není vhodné povrchu vzorku dotýkat. Je tedy nutné se vzorkem manipulovat v hliníkové spirále nebo jej držet pinzetou za hrany. 2.2
Jak provést iontovou výměnu?
Iontová výměna proběhne, je-li skleněná destička – substrát ponořena do taveniny popř. roztoku, tj. do vnějšího zdroje vyměňovaných iontů. Postup provedení iontové výměny je následující: Nejprve je nutné navážit vhodné množství látky, která bude sloužit jako vnější zdroj vyměňovaných iontů, a umístit ji do platinového nebo křemenného kelímku. Jedná-li se o směs dvou či více složek, navážené složky dobře promíchejte. Naváženou látku (popř. směs) následně umístěte do pece nastavené na požadovanou teplotu a dostatečnou dobu homogenizujte (cca. několik hodin). Tavenina před ponořením vzorku musí vypadat jako čirá, málo viskosní kapalina. Má-li tavenina již takový vzhled, umístíme do pece vedle ní vyčištěný substrát umístěný ve spirále zavěšený na okraji čisté kádinky. Pec zavřeme a vzorek necháme vytemperovat na pracovní teplotu (cca. 5 min). Po té vzorek i se spirálou ponoříme do taveniny a začneme odměřovat dobu iontové výměny. Po uplynutí zvolené doby vzorek vyjmeme, zavěsíme na prázdnou teplou kádinku, kterou i se vzorkem vyndáme z pece a ponecháme na vzduchu chladnout. Během chladnutí vzorku vylijeme použitou taveninu do připravené nádoby. POZOR tavenina na rukou nebo v botách pálí!!! Zbylou taveninu na vychladlém vzorku odstraníme rozpuštěním ve vodě – neprovádějte pod tekoucí vodou! Nakonec je vhodné vzorek přetřít isopropylalkoholem, osušit vatou a umístit do čisté Petriho misky. Takto očištěný vzorek je možné měřit pomocí vidové spektroskopie.
10
2. Příprava planárního vlnovodu 2.3
Jak měřit vlastnosti vlnovodu pomocí jednohranolové vidové spektroskopie?
Jednohranolová vidová spektroskopie se v laboratoři měří pomocí přístroje OVIS zhotoveného pro naše účely na ÚRE AVČR. Postup měření je následující: Nejprve je nutné přístroj zapnout černou páčkou umístěnou na zadní části přístroje. Přístroj je zapnutý, jestliže se pohybem páčky nahoru červeně rozzáří stínítko se stupnicí umístěné na čelní stěně přístroje. Po té je nutné nastavit polarizaci vstupního záření. To umožňuje přepínač polarizace (páčka umístěná na pravé straně přístroje). Je-li v poloze TE, do vlnovodu vstupuje pouze transverzálně elektrická složka záření, je-li v poloze TM, do vlnovodu vstupuje pouze transverzálně magnetická složka záření. Dále je nutné do přístroje vložit připravený vzorek. Vzorek těsně před umístěním na terčík přístroje očistíme acetonem a osušíme vatou. Vysuneme výsuvný stolek s přítlačným hrotem (zásuvka umístěná na pravé straně přístroje) a objeví se terčík, v jehož středu je umístěn přítlačný hrot. Přímo na tento hrot položíme pomocí pinsety měřený vzorek a stolek zpátky zasuneme. Na levé straně přístroje jsou umístěny šrouby přítlačného mechanismu, pomocí nichž přitlačujeme vzorek k měřícímu hranolu. Nejprve použijeme hrubé dotažení (větší šroub) a po té jemný posun (menší šroub) a dotahujeme tak dlouho, dokud se na stínítku se stupnicí na čele přístroje neobjeví tmavé proužky – vidy. Pokud se vidy neobjeví, nesnažte se je vytvořit vyvinutím větší síly, hrozí prasknutí hranolu a zničení přístroje!!! Po té na stínítku se stupnicí jednotlivým vidům přiřadíme odpovídající hodnoty na stupnici. Podle přiložené tabulky pak k těmto hodnotám vyhledáme příslušné hodnoty efektivního indexu lomu a ty pak vkládáme do programu PLANPROF. Dále změříme celé spektrum ještě jednou pro druhou polarizaci, tedy nejprve povolíme oba šrouby a pak posuneme přepínač polarizace umístěný na pravé straně přístroje do opačné polohy TE - TM a celé měření opakujeme.
Obr. 10 Jednohranolová vidová spektroskopie
11
2. Příprava planárního vlnovodu 2.4
Jak měřit vlastnosti vlnovodu pomocí dvouhranolové vidové spektroskopie?
Metoda dvouhranolové vidové spektroskopie je umístěna v naší optické laboratoři. Sestava pro její měření se skládá z He-Ne laseru s výkonem 35 mW, který produkuje monochromatický červený svazek světla o vlnové délce 633 nm a je nasměrován do osy rotace goniometru tak, aby byl na ni kolmý. K tomuto nastavení jsou do sestavy zařazena posuvná zrcadla, štěrbina, lámavé hranoly. Fázová destička spolu s polarizátorem natáčejí rovinu polarizace do žádaného směru, tj. polarizace TE nebo TM. Úzký laserový svazek pak budí nejsilněji vždy jeden vid, který detekujeme na stínítku a můžeme odečíst jeho synchronní úhel. Protože je světlo nutné do vlnovodu navázat i je z něho vyvázat, prakticky je nejprve nutné vytvořit dobrý optický kontakt jak na vstupním tak na výstupním hranolu. Nejprve tedy znovu acetonem očistíme povrch vlnovodu a přitlačované plochy obou měřících hranolů. Poté umístíme do přípravku nejprve vlnovod, následně také hranol a pomocí přítlačných šroubů zvyšujeme opatrně tlak na hranol, dokud se neobjeví u hrany hranolu optický kontakt. Stejně postupujeme i u druhého hranolu. Jestli máme dobré oba optické kontakty, pak umístíme přípravek na goniometr a nastavíme vstupní hranol do osy rotace. Pomocí polarizátoru a fázové destičky nastavíme buď polarizaci TE nebo TM. Pak již můžeme zahájit samotné měření. Jako referenční vždy bereme kolmý odraz od hranolu, jeho úhel tedy naměříme jako první a zapíšeme jeho hodnotu. Dále nalezneme vidové spektrum a „rozsvěcujeme“ jeden vid za druhým, odečítáme a zapisujeme jednotlivé úhly. Pokud je to možné, je vhodné změřit ještě úhel odrazu světla od povrchu vlnovodu – máme možnost tak vypočítat přesný úhel vstupního hranolu, zvyšuje se přesnost měření. Po skončení měření opatrně povolíme přítlačné šrouby, rozděláme přípravek, vyjmeme hranoly a vlnovod. Při měření s takto výkonným laserem je třeba nosit ochranné brýle a dbát zvýšené opatrnosti, neboť hrozí trvalé poškození zraku. Práce proto musí být prováděna vždy za pomoci a dohledu odborného asistenta!!! 2.5
Jak vyhodnotit naměřená data?
Naměřená data se zpracují programem PLANPROF. Tento program počítá nejprve ze synchronních úhlů a známých parametrů vazebního hranolu efektivní indexy lomu pro jednotlivé vidy (v případě jednohranolové vidové spektroskopie jsou efektivní indexy lomu jednotlivých vidů zadávány přímo). Metodou White a Heidricha řeší profil indexu lomu. Do programu zadáváme vlnovou délku vstupujícího optického svazku, index lomu vakua (1), polarizaci, při které měření probíhala, index lomu hranolu, úhel na goniometru pro kolmý odraz laserového svazku od přepony hranolu, index lomu hranolu a synchronní úhly jednotlivých vidů. Lámavý úhel hranolu můžeme také změřit pomocí kolmých odrazů laserového svazku od přepony hranolu a od povrchu vlnovodu a jejich úhly zadat do programu (větší přesnost měření.).
12
3. Úlohy
3. 3.1
ÚLOHY Základní úloha – příprava planárního optického vlnovodu a jeho charakterizace metodou vidové spektroskopie
Úkol: Podle zadaných podmínek připrav jeden optický vlnovod iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+ (podmínky přípravy: tavenina typu E, doba výměny 1 hod, teplota 280 °C). Princip: Příprava planárního optického vlnovodu iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+. Postup: Zapni pec a nastav požadovanou teplotu 280 °C. Navaž jednotlivé složky taveniny, ve které bude probíhat iontová výměna (tj. tavenina E – 23,7 % AgNO3, 43 % KNO3, 33,3 % NaNO3), dobře směs promíchej, nasyp ji do křemenné nádoby, dále křemennou nádobu se směsí umísti ještě do ochranné kádinky a takto ji postav do pece. Sklo vyčisti přesně podle postupu v odstavci 2.1. Dále proveď iontovou výměnu přesně podle postupu v odstavci 2.2. Doba iontové výměny je jedna hodina. Na konci iontové výměny je nutné taveninu z křemenné kádinky vylít do připravené kovové nádoby. Vlastnosti připravené vrstvy na omytých, očištěných a suchých sklech charakterizuj metodou jednohranolové vidové spektroskopie (postup kapitola 2.3) a metodou dvouhranolové vidové spektroskopie (postup kapitola 2.4) a výsledky zpracuj v programu Planprof.
13
3. Úlohy Vzor protokolu: Protokol z laboratoří oboru anorganická chemie Jméno a příjmení Kruh Datum
Školní rok
Název úlohy: Princip: max. 5 vět Postup: v bodech (max. 10 bodů) Podmínky experimentu: Typ substrátu Tavenina Teplota IE Čas IE Výsledky: 1. Jednohranolová vidová spektroskopie 1 graf závislosti indexu lomu na hloubce při polarizaci TE a TM Vyhodnocená data z Planprofu 2. Dvouhranolová vidová spektroskopie 1 graf závislosti indexu lomu na hloubce pro polarizaci TE a TM Vyhodnocená data z Planprofu Závěr: Musí obsahovat způsob a podmínky přípravy optického vlnovodu a jeho vlastnosti (hloubku, přírůstek indexu lomu a počet vidů).
14
3. Úlohy
3.2
Příprava optických vlnovodů iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+
Úkol: Podle literatury navrhni podmínky přípravy (tj. složení taveniny, teplotu a dobu iontové výměny) planárního optického vlnovodu vedoucího za a) čtyři vidy a b) deset vidů. Své výsledky porovnej s výsledky v literatuře a diskutuj shodu popř. neshodu s nimi. Princip: Příprava planárního optického vlnovodu iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+. Postup: Po prostudování dodaného odborného článku navrhni složení taveniny, teplotu a dobu iontové výměny Ag+ ↔ Na+ pro přípravu planárního optického vlnovodu vedoucího a) čtyři vidy b) deset vidů v podložce ze skla o následujícím složení: 71,9 % SiO2, 13,8 % Na2O, 9,0 % CaO, 4,1 % MgO, 0,2 % K2O, 0,2 % Fe2O3. Návrh diskutuj s asistentem. Zapni pec a nastav na displeji požadovanou teplotu. Navaž jednotlivé složky taveniny, ve které bude probíhat iontová výměna, dobře směs promíchej, nasyp ji do křemenné nádoby dále křemennou nádobu se směsí umísti ještě do ochranné kádinky a takto ji postav do pece. Dodané sklo rozřezej na čtyři kusy. Skla vyčisti přesně podle postupu v odstavci 2.1. Dále proveď iontovou výměnu přesně podle postupu v odstavci 2.2 s tím rozdílem, že taveninu ponech v peci pro následující iontovou výměnu. Druhé sklo dej vedle již roztavené taveniny opět nahřát a iontovou výměnu proveď podle postupu 2.2 do druhé podložky. Na konci výměny je nutné taveninu z křemenné kádinky vylít. Vlastnosti připravených vrstev na omytých , očištěných a suchých sklech charakterizuj metodou jednohranolové vidové spektroskopie (postup kapitola 2.3) a výsledky zpracuj v programu Planprof. Výsledky: Protokol bude obsahovat hloubkový profil indexu lomu pro oba připravené vlnovody a diskusi shody návrhu podmínek a skutečných výsledků.
15
3. Úlohy
3.3
Odhad vlastností optického vlnovodu připravovaného iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+
Úkol: Podle zadaných podmínek připrav iontovou výměnou čtyři planární optické vlnovody. Nalezni závislosti sledovaných veličin (tj. hloubky posledního vidu, povrchové hodnoty indexu lomu, počtu vidů) na čase iontové výměny a z aproximace těchto závislostí odhadni jaké vlastnosti by měl vlnovod po 4 hod iontové výměny. Princip: Příprava planárního optického vlnovodu iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+. Postup: Zapni pec a nastav požadovanou teplotu 280 °C. Navaž jednotlivé složky taveniny, ve které bude probíhat iontová výměna (tj. tavenina E – viz úloha 3.1), dobře směs promíchej, nasyp ji do křemenné nádoby dále křemennou nádobu se směsí umísti ještě do ochranné kádinky a takto ji postav do pece. Dodané sklo rozřezej na čtyři kusy. Skla vyčisti přesně podle postupu v odstavci 2.1. Dále proveď iontovou výměnu přesně podle postupu v odstavci 2.2 s tím rozdílem, že taveninu ponech v peci pro následující iontovou výměnu. U jednotlivých substrátů zvol vždy jiný čas iontové výměny tj. 30 min, 60 min, 90 min a 120 min. Na konci poslední iontové výměny je nutné taveninu z křemenné kádinky vylít do připravené nádoby. Vlastnosti připravených vrstev na omytých, očištěných a suchých sklech charakterizuj metodou jednohranolové vidové spektroskopie (postup kapitola 2.3) a výsledky zpracuj v programu Planprof. Poté ve zvolené grafickém programu zakresli závislosti a) počtu vidů na čase iontové výměny, b) hloubky posledního vidu a povrchové hodnoty indexu lomu na čase iontové výměny. Nalezni příslušné závislosti a aproximuj dané vlastnosti na 4 hod čas iontové výměny. Výsledky: Protokol bude obsahovat hloubkový profil indexu lomu pro čtyři připravené vlnovody a závislosti a) počtu vidů na čase iontové výměny, b) hloubky posledního vidu a povrchové hodnoty indexu lomu na čase iontové výměny s aproximací pro 4 hod čas iontové výměny.
16
3. Úlohy
3.4
Výpočet difusního koeficientu D pro difúzi Ag+ při přípravě optického vlnovodu iontovou výměnou
Úkol: Podle zadaných podmínek připrav tři optické planární vlnovody při třech různých teplotách iontové výměny, podle základního vztahu pro odhad hloubky průniku iontů vypočti D pro dané teploty, zakresli teplotní závislost D Arheniovského typu a s její pomocí odhadni hloubku vrstvy po 4 hod iontové výměně při teplotě 350 °C. Princip: Příprava planárního optického vlnovodu iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+. Postup: Zapni dvě pece a nastav na jedné teplotu 280 °C a na druhé 300 °C. Navaž 2x jednotlivé složky taveniny, ve které bude probíhat iontová výměna Ag+ ↔ Na+ (tj. tavenina E – viz úloha 3.1), dobře směs promíchej, nasyp ji do křemenných nádob, dále křemenné nádoby se směsí umísti ještě do ochranných kádinek a takto je postav do pece, kde je nastavená teplota. Dále naplň další křemennou nádobu znovu naváženou směsí, vlož do ochranné kádinky a ponechej ji připravenu dokud se jedna z pecí neuvolní. Dodané sklo rozřezej na čtyři kusy. Tři skla vyčisti přesně podle postupu v odstavci 2.1. Dále proveď iontovou výměnu přesně podle postupu v odstavci 2.2. Iontovou výměnu prováděj vždy po dobu 1 hod Na konci iontové výměny je nutné taveniny z křemenných kádinek vylít do připravené nádoby. Poté nastav na vybrané peci teplotu 330 °C a celý postup opakuj s naváženou směsí. Vlastnosti připravených vrstev na omytých, očištěných a suchých sklech charakterizuj metodou jednohranolové vidové spektroskopie (postup kapitola 2.3). Výsledky zpracuj v programu Planprof. Z výsledných hloubek daných vlnovodů vypočti D podle základního vztahu pro odhad hloubky průniku iontů při difusi: x = 2 Dτ , kde x je hloubka vlnovodné vrstvy, τ je doba iontové výměny.
17
3. Úlohy Po té zakresli do grafu teplotní závislost D podle Arhenia: ln D = ln D0 +
1 Q . , T R
kde D je difúzní koeficient při dané teplotě T, D0 je difúzní koeficient při extrémně vysoké teplotě (vyjadřuje citlivost vyměňovaných iontů na změnu pracovní teploty), Q je aktivační energie procesu, R je universální plynová konstanta. Na základě výsledků zjisti D0 a Q, vypočti D a hloubku vlnovodné vrstvy při teplotě 350 C a době výměny 4 hod. Výsledky: Protokol bude obsahovat hloubkový profil indexu lomu pro šest provedených měření, tabulku výpočtů D pro různé teploty, teplotní závislost D podle Arhenia, závěr obsahující zjištěný odhad hloubky vlnovody při zadaných podmínkách.
18
3. Úlohy
3.5
Srovnání vlastností optických vlnovodů připravených iontovou výměnou různých iontů
Úkol: Podle zadaných podmínek připrav jeden optický vlnovod iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+ a druhý iontovou výměnou K+ ↔ Na+. Diskutuj rychlost výměny a hodnotu optického dvojlomu. Dále srovnej přesnost jednohranolové a dvouhranolové vidové spektroskopie. Princip: Příprava planárního optického vlnovodu iontovou výměnou. Postup: Zapni dvě pece a nastav na jedné teplotu 280 °C a na druhé 430 °C. Navaž jednotlivé složky taveniny, ve které bude probíhat iontová výměna Ag+ ↔ Na+ (tj. tavenina E – viz úloha 3.1), dobře směs promíchej, nasyp ji do křemenné nádoby dále křemennou nádobu se směsí umísti ještě do ochranné kádinky a takto ji postav do pece kde je nastavená teplota 280 °C. Dále naplň další křemennou nádobu KNO3, vlož do ochranné kádinky a postav do pece, kde je nastavená teplota 430 °C, zde bude probíhat iontová výměna K+ ↔ Na+. Dodané sklo rozřezej na čtyři kusy. Dvě skla vyčisti přesně podle postupu v odstavci 2.1. Dále proveď iontovou výměnu přesně podle postupu v odstavci 2.2. Stříbrnou iontovou výměnu prováděj po dobu 1 hod a draselnou výměnu po dobu 4 hod Na konci iontové výměny je nutné obě taveniny z křemenných kádinek vylít do připravené nádoby. Vlastnosti připravených vrstev na omytých , očištěných a suchých sklech charakterizuj metodou jednohranolové vidové spektroskopie (postup viz kapitola 2.3) a metodou dvouhranolové vidové spektroskopie (postup viz kapitola 2.4). Výsledky zpracuj v programu Planprof a porovnej. Výsledky: Protokol bude obsahovat hloubkový profil indexu lomu pro osm provedených měření, hodnoty dvojlomu pro každý druh iontové výměny, diskusi výsledků se závěrem charakterizujícím rozdíl mezi použitými typy iontových výměn.
19
3. Úlohy
3.6
Přesnost metody vidové spektroskopie
Úkol: Podle zadaných podmínek připrav jeden optický vlnovod iontovou výměnou Ag+ ↔ Na+. Optický vlnovod proměř nejméně třikrát na jednohranolové metodě a nejméně třikrát na dvouhranolové metodě vidové spektroskopie pro obě polarizace. Výsledky statisticky zpracuj a vyhodnoť chybu měření pro obě metody. Princip: Příprava planárního optického vlnovodu iontovou výměnou. Postup: Zapni pec a nastav požadovanou teplotu 280 °C. Navaž jednotlivé složky taveniny, ve které bude probíhat iontová výměna (tj. tavenina E – viz úloha 3.1), dobře směs promíchej, nasyp ji do křemenné nádoby dále křemennou nádobu se směsí umísti ještě do ochranné kádinky a takto ji postav do pece. Dodané sklo rozřezej na čtyři kusy. Skla vyčisti přesně podle postupu v odstavci 2.1. Dále proveď iontovou výměnu přesně podle postupu v odstavci 2.2, kde doba iontové výměny bude 50 min Na konci poslední iontové výměny je nutné taveninu z křemenné kádinky vylít do připravené nádoby. Vlastnosti připraveného optického vlnovodu na omytých, očištěných a suchých sklech charakterizuj třikrát metodou jednohranolové vidové spektroskopie (postup kapitola 2.3) a třikrát metodou dvouhranolové vidové spektroskopie (postup kapitola 2.4) pro obě polarizace. Výsledky zpracuj v programu Planprof a statisticky zpracuj. Dále srovnej přesnost obou způsobů měření vidovou spektroskopií. Výsledky: Protokol bude obsahovat hloubkový profil indexu lomu pro šest provedených měření, statistický výpočet a srovnání chyby měření pro obě uspořádání vidové spektroskopie.
20
4. Slovník
4.
SLOVNÍK
Dielektrikum (nevodič, izolant) Látka, ve které nevzniká elektrický proud pohybem elektronů – nevede elektrický proud, jestliže na ni působí elektrické pole. Nastane pouze nepatrné posunutí nábojů uvnitř atomů (elektrická polarizace). Dielektrikum má nulovou vodivost čili nekonečně velký odpor. V praxi se tak označuje látka s měrným odporem větším než 107 Ωm. Dvojlom Rozdvojení směru šíření optického záření při průchodu anizotropním prostředím. Při dopadu optické vlny na anizotropní prostředí dochází ke vzniku dvou vln se vzájemně kolmými rovinami polarizace. Např. v jednoosých krystalech křemen vápenec má jedna vlna rovinu polarizace kolmou k rovině určené osou krystalu a o.o. (viz Obr. 11) a směrem šíření p vlny (tzv. řádná vlna) rovina polarizace druhé je rovnoběžná s rovinou určenou osobou a směrem šíření (mimořádná vlna). Rychlost šíření řádné vlny, tudíž i jí příslušející index lomu n0 nezávisejí na směru šíření, zatímco rychlost a index lomu ne mimořádné vlny na něm závisejí.
Obr. 11 Princip dvojlomného materiálu (p - paprsek vstupující do dvojlomného materiálu, o.o. směr optické osy dvojlomného materiálu, o - řádná vlna, e - mimořádná vlna) Epitaxe Epitaxe z kapalné fáze je zvláštní případ růstu krystalů z nasyceného roztoku. Rozdíl je v tom, že při růstu krystalů z taveniny nebo roztoků je matečný zárodečný krystal relativně malý, kdežto při epitaxním růstu roste epitaxní vrstva na relativně velké monokrystalické podložce, přičemž materiál podložky a epitaxní vrstvy nebývá stejný. Epitaxe z plynné fáze (CVD - Chemical Vapour Deposition) je chemicko-fyzikální metoda vzniku tuhých látek chemickou reakcí z plynných výchozích složek. Fázová destička Přesně vybroušená destička z dvojlomného materiálu (např. křemene), ve které se dráhový rozdíl řádného a mimořádného paprsku rovná čtvrtině nebo polovině vlnové délky. Vybroušené plochy destičky musí být rovnoběžné s osou krystalu. Mění světlo z kruhově polarizovaného na lineárně polarizované. Fotonika (optoelektronika) Technický vědní obor, zabývající se vlastnostmi a metodami využití optického záření, zejména metodami generace, detekce, přenosu a přeměn optického záření, zejména metodami generace, detekce, přenosu a přeměn optického záření na jiné formy energie. 21
4. Slovník Goniometr Zařízení pro přesné měření úhlů. Index lomu Veličina charakterizující dané prostředí a je definována vztahem: c N= , v kde c je rychlost světla ve vakuu (299 792 458 m.s-1), v je fázová rychlost světla závisející na vlnové délce λ světla v daném prostředí. Vzhledem k tomu, že rychlost v závisí na vlnové délce světla, bude i index lomu záviset na vlnové délce světla. Závislosti indexu lomu na vlnové délce světla se říká disperze prostředí. Index lomu definovaný výše uvedeným vztahem se nazývá absolutní index lomu. Praktický význam má však index lomu n(λ) vzhledem ke vzduchu v (λ ) n(λ ) = 0 , v (λ ) kde vo(λ) je fázová rychlost světla o vlnové délce λ ve vzduchu. Koherence optického záření Statická uspořádanost optického záření. Každé optické pole má jistou míru statické neurčitosti, která se projevuje fluktuacemi charakteristických veličin (např. intenzity elektrického pole nebo magnetické indukce). Fluktuace pole mají svůj původ buď v principech generace spontánní emise mnoha částic, nebo ve fluktuacích parametrů prostředí (např. indexu lomu turbulentní atmosféry). LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla vynucenou emisí záření – kvantový zesilovač světla) Zařízení, které mnohonásobně zesiluje a silně usměrňuje světelné záření. Laser sestává z tyčinky vhodného krystalu nebo trubice naplněné plynem či kapalinou. Na obou čelních stěnách jsou zrcadla s vysokou odrazivostí, takže tvoří optický resonátor. Světelné fotony „běhají“ látkou v rezonátoru mezi zrcadly a způsobují vynucenou emisi jejích excitovaných atomů. Excitované atomy jsou tak přinuceny vyzářit svoji energii dříve, než dojde k jejich spontánnímu přechodu na nižší hladinu energie. Přední zrcadlo propouští asi 1% fotonů ven. Unikající fotony mají přesně sladěné kmity: kmitají se stejnou frekvencí a jejich kmity jsou přesně srovnány – říkáme, že záření je monochromatické a koherentní. LED (Light Emited Diode) Luminiscenční dioda - zdroj optického záření požadované vlnové délky a postačujícího výkonu. Využívá jevu zářivé rekombinace elektronů a děr v polovodičovém materiálu v blízkosti přechodu PN. Monochromatické záření Elektromagnetické záření jedné, přesně určené frekvence. Označení monochromatické vzniklo z toho, že lidské oko vnímá různé frekvence jako různé barvy (monochromatický znamená jednobarevný). Optický vlnovod Optická součástka k přenosu optického záření na určitou vzdálenost v požadovaném směru s malými ztrátami. Podle druhu použitého materiálu lze optické vlnovody rozdělit např. na dielektrické, polovodičové, z organického materiálu apod., podle jeho uspořádání na vláknové, planární, páskové a difúzní optické vlnovody.
22
4. Slovník Polarizace světla U elektromagnetického záření (ale i jiného příčného vlnění) preference některého směru kmitů. Za normálních podmínek jsou např. u světla kmity rozloženy rovnoměrně do všech směrů kolmých k paprsku. Takové světlo je přirozené, nepolarizované. Je-li v jednom směru intenzita maximální a ve směru k němu kolmém minimální, hovoříme o částečné polarizaci záření. Je-li minimální intenzita nulová, je polarizace úplná. Rovina proložená paprskem, v níž je intenzita maximální, se nazývá polarizační rovina. Pokud polarizační rovina zachovává svou orientaci v prostoru, je záření lineárně polarizované. Někdy se polarizační rovina stáčí pravidelně tak, že jeden kmit se otočí o 360°. Takové záření je kruhově polarizované. Polarizátor Zařízení sloužící k získání polarizovaného světla s libovolnými polarizačními vlastnostmi. V závislosti od typu získané polarizace dělíme polarizátory na lineární, kruhové nebo eliptické. Kruhové a eliptické jsou většinou složeny z lineárního polarizátoru a fázové destičky. Polarizátor může být tvořen např. destičkou z vhodného materiálu, který v důsledku absorpce propustí jen lineárně polarizované světlo. Nebo hranoly vhodného tvaru zhotovenými z dvojlomných materiálů (křemen, vápenec). Vlnová délka (λ) Vzdálenost, kterou urazí v homogenním prostředí vlna za dobu jednoho kmitu (jedné periody). Je to vzdálenost dvou sousedních bodů, které kmitají ve stejné fázi. Vlnová délka vynásobená kmitočtem (frekvencí) dává rychlost vlnění. Vakuové naprašování Nejrozšířenější metoda přípravy tenkých vrstev, kdy se při zahřívání uvolňují z pevné nebo kapalné látky atomy nebo molekuly a v uzavřeném systému se při dané teplotě ustaví určitý rovnovážný tlak (tenze nasycených par). Není-li systém v rovnováze a je-li v určité části teplota nižší, pak v této části páry kondenzují a vytvoří tak podmínky pro přenos látky z vypařovacího prvku na chladnější podložku. Pro zajištění přímočarého pohybu částic musí být prostor mezi vypařovadlem a podložkou vyčerpán.
23
5. Literatura
5. [1]
LITERATURA B.E.A. Saleh a M.C. Teich, Základy pro fotoniku 2, John Wiley & Sons, INC New York 1991.
[2]
Schröfel J., Novotný K.: Optické vlnovody, SNTL, Praha 1986.
[3]
Schröfel J., Hradilová J.: Základní principy a materiály v integrované optice, Chem. Listy 88 (1994) 686 - 695.
[4]
Čtyroký J., Hüttel I., Šimánková L.: Integrovaná optika, SNTL Praha, 1986.
[5]
White J. M. and Heidrich P.F.: Optical waveguides refraction index profiles determinated
from measurement of mode indices a simple analysis, Appl.
Opt. 15 (1976) 151. [6]
24
Vrbová M. a kol.: Lasery a moderní optika, Prometheus Praha, 1994.
