Światłowody planarne wytworzone metodą zol-żelową

Abstract

Technologia zol-żelowa (ang. sol-gel), której gwałtowny rozwój obserwuje się w ostatnim dwudziestoleciu, szybko stała się jedną z ważniejszych metod wytwarzania materiałów zaawansowanych. Możliwość wytwarzania nanokompozytów oraz materiałów amorficznych o wyjątkowych właściwościach chemicznych oraz fizycznych, znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach nauki. Otrzymywanie szkieł metodą zol-żelową umożliwiło między innymi wytwarzanie elementów optyki zintegrowanej, zarówno pasywnych jak i aktywnych. Dodatkowo dzięki niskiej temperaturze procesu oraz porowatości otrzymywanych warstw istnieje możliwość domieszkowania ich związkami organicznymi, co umożliwia otrzymywanie czujników. Dzięki doskonałym właściwościom optycznym uzyskiwanych materiałów technologia ta stała się alternatywną metodą wytwarzania światłowodów planarnych oraz paskowych. W artykule przedstawiono proces otrzymywania krzemionkowo-tytanianowych światłowodów planarnych dzięki zastosowaniu technologii zol-żelowej. Cienkie warstwy SiO2:TiO2 naniesione zostały na podłoża krzemowe z warstwą SiO2 przy wykorzystaniu metody „dip coating”. Po wysuszeniu w atmosferze powietrza w temperaturze 60st.C, uzyskano przeźroczyste, stabilne, wolne od pęknięć i łuszczenia się cienkie filmy. W dalszej części artykułu zaprezentowano proces wytwarzania sprzęgacza siatkowego, umożliwiającego efektywne i kontrolowane wprowadzenie światła laserowego do cienkich, o grubości rzędu kilkuset nanometrów, warstw. Sprzęgacz siatkowy, wytworzony metodą holograficzną w dodatkowej warstwie fotorezystu, umożliwia wzbudzanie ściśle określonych modów światła prowadzonych następnie w strukturze jak i odsprzęganie wiązki rozchodzącej się w światłowodzie planarnym. W ostatniej części artykułu rozważono możliwość wykorzystania takiego układu w zastosowaniach czujnikowych.
Autorzy: Anna ŁUKOWIAK, Rafał DYLEWICZ, Sergiusz PATELA, Krzysztof MARUSZEWSKI, Michał NOWACKI, Szymon LIS

1. ZASTOSOWANIE WE WSPóŁCZESNEJ FOTONICE MATERIAŁóW WYTWORZONYCH TECHNOLOGIĄ ZOL-ŻELOWĄ

Technologia zol-żelowa umożliwia wytwarzanie materiałów o bardzo atrakcyjnych właściwościach. Prostota i nie syntetyczność tego procesu, jak i zadowalające parametry uzyskiwanych materiałów spowodowały, iż znalazły one zastosowanie we współczesnej fotonice. Jednym z zastosowań są światłowodowe warstwy planarne i paskowe na potrzeby optyki zintegrowanej. Jeden z przykładów został przedstawiony przez R.M Almeida [1], który badał krzemionkowo-tytanianowe warstwy planarne. Okazało się, że konkretną wartość współczynnika załamania można uzyskać dobierając odpowiednią temperaturę suszenia próbki. Tłumienie uzyskanego światłowody zawierało się w przedziale od 0,7 ÷ 1 dB/cm dla długości fali świetlnej 633nm. Po wprowadzeniu domieszki erbu, uzyskujemy materiał do budowy elementów aktywnych optyki zintegrowanej tj. laserów i wzmacniaczy.



Innym przykładem jest światłowód paskowy (Rys. 1.) wykonany przez Groupe Moresu Coudray (Université de Montpellier) i Groupe Najafi & Andrews (McGill University) [2]. W tym przypadku uzyskano wartość współczynnika załamania warstwy prowadzącej równą 1.52, natomiast wartość współczynnika załamania pokrycia wynosiła 1.42. Tłumienie światłowodu było na poziomie 0.13 dB/cm dla długości fali równej 1.3 μm. Przekrój poprzeczny warstwy prowadzącej miał wymiary: szerokość równa 7 μm, grubość 4 μm. Chropowatość powierzchni wytworzonych warstw równa jest ±10nm. Kolejnym zastosowaniem technologii zol-żelowej jest możliwość wytwarzania czujników optycznych. Niska temperatura procesu i porowatość otrzymanych materiałów umożliwia domieszkowanie ich związkami organicznym. W zależności od rodzaju domieszki dany materiał reaguje na konkretne zmiany składu chemicznego otoczenia, przez co zmienia swoje właściwości optyczne. Jeżeli na warstwę prowadzącą światłowodu planarnego naniesiemy cienki film to w zależności od jego składu będzie on absorbować lub emitować energię [3]. Ostatecznie zmiana otoczenia wpłynie na właściwości optyczne filmu, a to spowoduje zmianę rozkładu pola w warstwie prowadzącej. Ważną zaletą materiałów wytwarzanych techniką zol-żelową jest dobra stabilność chemiczna, co w przypadku czujników jest bardzo ważne. Ponadto czujniki te charakteryzują się krótkim czasem reakcji. Do najważniejszych czujników opartych na technologii zol-żelowej należą czujniki chemiczne np. tlenu, pH i bioczujniki: glukozy, cholesterolu.