DE3536780A1 - Verfahren zur herstellung eines planaren lichtwellenleiters - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines planaren lichtwellenleitersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
planaren Lichtwellenleiters mit lichtführenden Streifen,
durch Abscheiden dünner glasartiger Schichten aus der
Gasphase nach einem Schema, das einen vorgegebenen Brech
zahlverlauf ermöglicht, auf einem Substrat, so daß ein
lichtführender Kernbereich und an diesen Kernbereich angren
zende Mantelschichten gebildet werden, wobei aus dieser
Beschichtung anschließend diese lichtführenden Streifen
erzeugt werden.
Planare Lichtwellenleiter werden in optischen Kommunika
tionssystemen als Kopplungselemente von optischen Wellenlei
tern eingesetzt. Je nach Anordnung dienen diese Kopplungs
elemente zur Signalverzweigung oder zum Mischen von Signalen
(Demultiplexer/Multiplexer).
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung dieser Wellenleiter
ist das OVD-Verfahren, bei dem hochreines SiCl4 mit einigen
Prozent TiCl4 vermischt und in einer offenen Flamme mit
Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird. Diese durch Flammen
hydrolyse hergestellten Glaspartikel werden auf einem
Substrat abgelagert. Während der Ablagerung wird der Brenner
ständig hin- und herbewegt, so daß sich mehrere Schichten
ausbilden. Der Brechungsindex wird dabei durch den TiCl4-
Strom gesteuert. Danach wird das Substrat mit den porösen
Glasschichten erhitzt, damit sich die einzelnen Schichten
verfestigen (Kawachi et al., Electronics Letters 1983, Vol.
19, No. 15, S. 583).
Anschließend wird das Schichtensystem mit einer Silizium
maske bedeckt und durch gezieltes Wegätzen werden die
Führungsnuten zur Aufnahme der Wellenleiter sowie die
lichtführendn Streifen hergestellt (Yamada et al., Electro
nic Letters 1984, Vol. 20, No. 8, S. 313). Diese
bekannten planaren Wellenleiter haben jedoch den Nachteil,
daß der Verlauf der Brechzahl durch die Schichtenablagerung
nur in einer Richtung - nämlich in Richtung der Flächennor
malen des Substrates - vorgegeben werden kann. Nach dem
Ätzen hat der lichtführende Streifen einen im wesentlichen
rechteckigen Querschnitt, und das Profil des lichtführenden
Kerns ist seitlich nicht angepaßt, was zu erheblichen
Dämpfungsverlusten führt. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß nur relativ dicke Schichten hergestellt werden
können, so daß kein fein abgestuftes Brechzahlprofil
hergestellt werden kann.
Aus der EP-00 52 901 ist ein Verfahren bekannt, mit dem
Kopplungselemente mit im Querschnitt runden lichtführenden
Streifen hergestellt werden. Hierzu werden in die Substrat
glasplatte Nuten mit einem halbkreisförmigen Querschnitt
nach einem vorgegebenen Muster eingeätzt oder mechanisch
eingebracht. Im nächsten Schritt werden aus der Gasphase
mittels eines CVD-Verfahrens glasartige Schichten auf der
Glasplatte und in diesen Nuten abgeschieden. Mit Zunahme der
Schichtdicke wird immer mehr Dotiermaterial zusammen mit dem
Quarzglas abgeschieden. Dies wird solange fortgeführt, bis
die Nuten mit diesen Schichten vollständig ausgefüllt sind.
Das gleiche wird mit einem Substrat durchgeführt, das mit
dem spiegelbildlichen Nutenmuster versehen ist. Danach
werden beide Substratplatten abgeschliffen und aneinanderge
fügt, so daß die Nuten mit den glasartigen Schichten
übereinanderliegen. Obwohl diese Streifenleiter einen kreis
förmigen Querschnitt mit einer radial nach außen abnehmenden
Brechzahl aufweisen, ist ihre Herstellung nicht unpro
blematisch.
Das Herstellungsverfahren und insbesondere der Poliervorgang
sind sehr aufwendig. Die Nuten müssen exakt übereinan
derliegen, wobei an der Nahtstelle zwischen den Substrat
platten im Bereich der lichtführenden Schichten weder
Verunreinigungen noch Luftspalten vorhanden sein dürfen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Herstellung von planaren Wellenleitern, mit dem die oben
genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden
werden. Das Verfahren soll wesentlich einfacher sein, wobei
sich gleichzeitig der planare Wellenleiter durch geringere
Verluste gegenüber den bekannten planaren Wellenleitern
auszeichnen soll.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren erreicht, bei dem
dieses Abscheiden aus der Gasphase mittels einer Heterogen
reaktion (CVD-Verfahren) durchgeführt wird und bei dem nach
dem Ausbilden der lichtführenden Streifen, was mechanisch
oder auch nach den bekannten Ätzverfahren geschehen kann,
die Brechzahl der den Kern bildenden Schichten im seitlichen
Randbereich der Streifen durch Ausdiffusion des den Brech
zahlverlauf im Kern bestimmenden Dotierstoffes gezielt
geändert wird. Anschließend werden diese Streifen und das
Substrat mit einer Deckschicht aus einem Material mit einer
bezüglich des Kernmaterials niedrigeren Brechzahl überzogen.
Die Ausdiffusion kann so gesteuert werden, daß man in den
seitlichen Randbereichen des lichtführenden Kerns einen
Brechzahlverlauf erhält, der im wesentlichen dem Verlauf der
Brechzahl in Richtung senkrecht zu den Schichten entspricht.
Vorzugsweise wird das Abscheiden dieser glasartigen Schich
ten mittels eines nichtisothermen Plasma-CVD-Verfahrens
durchgeführt.
Unter diesen bereits beispielsweise aus der EP-00 17 296
bekannten Verfahren ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem
mit einem sogenannten kalten Plasma gearbeitet wird, in dem
nur Elektronen eine hohe kinetische Energie besitzen. Mit
einem solchen Plasma kann man selbst Gasgemische zur
Reaktion bringen, die thermisch nicht reaktiv
sind. Mit diesem nicht-isothermen PCVD-Verfahren lassen sich
bei ziemlich niedriger Temperatur direkt aus der Gasphase
glasartige Schichten abscheiden, so daß sich eine nachfolg
ende Erhitzung zur Verglasung erübrigt. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß sich bei Abscheidung bei niedriger
Temperatur, d.h. zwischen Raumtemperatur und 300°C, ein
etwaiger Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Glasplattenmaterials und der abgeschiedenen Schichten
nicht nachteilig bemerkbar macht.
Als ausdiffundierbares Dotiermittel wird z.B. Germanium
verwendet. Selbstverständlich können auch andere ausdiffun
dierbare Stoffe eingesetzt werden. Je nachdem, ob die
lichtführenden Streifen als Multimodenwellenleiter, als
Monomodewellenleiter oder als polarisierender Wellenleiter
ausgebildet sein sollen, werden die Abmessungen des Kerns
und die numerische Apertur sowie der Brechzahlverlauf
entsprechend eingestellt.
Damit die Wellenenergie vollständig vom Substrat getrennt
wird, wird die Dicke der Mantelschicht zwischen diesem
Substrat und dem Kernbereich entsprechend groß gewählt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Substrat an der
Lichtführung nicht beteiligt ist, so daß das Substrat nicht
aus hochreinem Material bestehen muß, was wiederum zu
Kosteneinsparungen führt.
Zur Faserankopplung werden von den lichtführenden Streifen
in dem Substrat Führungsnuten ausgebildet, in die die
anzukoppelnden Wellenleiter eingesetzt werden.
Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
planaren Wellenleitern betragen die Dämpfungsverluste deut
lich weniger als 0,2 dB/cm.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der
Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten planaren Wellenleiter
Fig. 2 den Brechzahlverlauf längs der Linie II-II in Fig.
1.
Die Fig. 1 zeigt im Schnitt einen planaren Wellenleiter mit
dem Substrat 2 und den beiden lichtführenden Streifen 1.
Jeder Streifen 1 besteht aus einem Kernbereich 5 und den
Mantelbereichen 3 und 6. Nach der Herstellung der gewünsch
ten Streifen wird durch Erhitzen der in diesem Kernbereich 5
befindliche Dotierstoff ausdiffundiert, so daß sich in etwa
der durch die gestrichelte Linie 4 begrenzte Bereich
ausbildet, in dem die Brechzahl gegenüber der ursprünglichen
Brechzahl im Kernbereich 5 abgefallen ist. Bei der Ausbil
dung der Mantelschicht 6 wird darauf geachtet, daß die Dicke
so gewählt wird, daß die Wellenenergie vollständig vom
Substrat 2 getrennt wird.
Der Brechzahlverlauf längs der Linie II-II (X-Richtung) in
Fig. 1 ist in der Fig. 2 dargestellt. Nach der Ausdiffusion
werden Substrat 2 und Streifen 1 mit einem niedrigbrechenden
Material 7 überzogen.
Zur Herstellung einer Monomodefaser wird ein Kernbereich von
etwa 2-8 µm ausgebildet. Bei einem Germanium-dotierten Kern
wird etwa 2-5 min lang bei einer Temperatur von 2000-2200°C
der Dotierstoff ausdiffundiert.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines planaren Lichtwellen
leiters mit lichtführenden Streifen, durch Abscheiden dünner
glasartiger Schichten aus der Gasphase nach einem Schema,
das einen vorgegebenen Brechzahlverlauf ermöglicht, auf
einem Substrat, so daß ein lichtführender Kernbereich und an
diesen Kernbereich angrenzende Mantelschichten gebildet
werden, wobei aus dieser Beschichtung anschließend diese
lichtführenden Streifen erzeugt werden, dadurch gekennzeich
net,
daß dieses Abscheiden aus der Gasphase mittels einer Heterogenreaktion (CVD-Verfahren) durchgeführt wird,
daß nach dem Ausbilden der lichtführenden Streifen die Brechzahl der den Kern bildenden Schichten im seitlichen Randbereich der Streifen durch Ausdiffusion des den Brech zahlverlauf im Kern bestimmenden Dotierstoffes gezielt geändert wird, und
daß anschließend diese Streifen und das Substrat mit einer Deckschicht aus einem Material mit einer bezüglich des Kernmaterials niedrigeren Brechzahl überzogen werden.
daß dieses Abscheiden aus der Gasphase mittels einer Heterogenreaktion (CVD-Verfahren) durchgeführt wird,
daß nach dem Ausbilden der lichtführenden Streifen die Brechzahl der den Kern bildenden Schichten im seitlichen Randbereich der Streifen durch Ausdiffusion des den Brech zahlverlauf im Kern bestimmenden Dotierstoffes gezielt geändert wird, und
daß anschließend diese Streifen und das Substrat mit einer Deckschicht aus einem Material mit einer bezüglich des Kernmaterials niedrigeren Brechzahl überzogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
dieses Abscheiden dieser glasartigen Schichten mittels eines
nichtisothermen Plasma-CVD-Verfahrens durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der lichtführende Kernbereich aus mit Germanium
dotiertem SiO2 gebildet worden ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Brechzahlprofil, die numerische
Apertur und die Abmessungen des Kernbereichs so gestaltet
werden, daß ein Monomodewellenleiter mit vorgegebenen
Eigenschaften gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Brechzahlprofil, die numerische
Apertur und die Abmessungen des Kernbereichs so gestaltet
werden, daß ein Multimodewellenleiter mit vorgegebenen
Eigenschaften gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Brechzahlprofil, die numerische
Apertur und die Abmessungen so gestaltet werden, daß ein
polarisierender Lichtwellenleiter gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke der Mantelschicht zwischen
diesem Substrat und dem Kernbereich so gewählt wird, daß die
Wellenenergie vollständig vom Substrat getrennt wird.
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