DE3641285C2

DE3641285C2 -

Info

Publication number: DE3641285C2
Application number: DE3641285A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 6500 Mainz De Siefert; Ralf Th. Prof. Dr. 6239 Bremthal De Kersten
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1986-12-03
Filing date: 1986-12-03
Publication date: 1988-09-08
Also published as: DE3641285A1; FR2607800B1; IT8768022A0; US4851025A; GB2199157B; GB2199157A; FR2607800A1; IT1211564B; GB8725947D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines planaren Lichtwellenleiters zur Führung von Licht mit definierter Polarisation, durch Abscheiden dünner glasartiger Schichten aus einer Gasphase auf einem Substrat zur Erzeugung eines vorgegebenen Brechzahlverlaufs der Schichten, so daß eine erste Mantelschicht, danach ein lichtführender Kernbe reich und auf diesen Kernbereich eine zweite, der ersten Mantel schicht gleichartige Mantelschicht abgeschieden wird, wobei aus dieser Beschichtung anschließend durch Maskierung und Wegätzen bis auf das Substrat der nicht maskierten Bereiche lichtführende Streifenleiter erzeugt werden.

Planara Monomode-Lichtwellenleiter zur Führung von Licht mit definierter Polarisation sind von Bedeutung zur Verwendung als Grundbaustein in integriert-optischen Anordnungen für Sensor- Systeme und für die Monomode-Faser-Kommunikation, besonders für die Übertragung von kohärentem Licht mit bevorzugter Polarisa tionsebene. Eine spezielle Anwendung für derartige Lichtwellen leiter ist beispielsweise ein Gyroskop.

Bisher werden zur Herstellung planarer Monomode-Lichtwellenlei ter, die Licht mit definierter Polarisation (polarisationser haltender und polarisierender Lichtwellenleiter) leiten können, überwiegend aus LiNbO₃-Kristallen (Lithiumniobat) aufgebaut, deren lichtführender Kern durch Diffusion von Titan in einen in einen LiNbO₃-Kristall ausgebildeten Kanal und durch Protonen austausch über eine kurze Strecke des lichtführenden Bereichs von Li⁺ gegen H⁺ hergestellt wurde (Electronic Letters, February 1984, Vol 20 No. 3, S. 128). Das Funktionsprinzip derartiger integriert-optischer Polarisatoren beruht darauf, daß die Brech zahlen des den Mantel des Lichtwellenleiters bildenden LiNbO₃- Kristalls in Richtung der verschiedenen Kristallachsen unter schiedlich sind (Doppelbrechung).

Polarisierende oder polarisationserhaltende Monomode-Lichtwellen leiter-Fasern entstehen auch durch Spannungsdoppelbrechung. Durch Einwirkung unterschiedlicher Druck- und/oder Zugspannungen auf den Monomode-Lichtwellenleiterkern aus entgegengesetzten Rich tungen entsteht diese Spannungsdoppelbrechung, die dafür verant wortlich ist, daß die beiden, zueinander senkrechten Ausbrei tungsmoden (Polarisationsebenen) in Monomode-Lichtwellenleitern nicht miteinander koppeln.

In der DE 29 01 092 A1 sind planare Lichtwellenleiter zur Führung von Licht mit definierter Polarisation mit Hilfe span nungsinduzierter Doppelbrechung beschrieben. Diese Lichtwellen leiter sind optische Glasfasern, die aus Vorformlingen gezogen werden, welche geometrische und materielle Asymmetrien aufweisen.

Die vorstehend erwähnten, in einem LiNbO₃-Kristall eingebetteten Lichtwellenleiter haben verschiedene, mehr oder minder schwerwie gende Nachteile:

a) durch die Kristallstruktur des LiNbO₃ ist die Richtung der bevorzugten Polarisation vorgegeben; je nach Kristallschnitt kann es sich um die ordentliche oder außerordentliche Polarisations richtung handeln. Das hat zur Folge, daß Lichtwellenleiter-Krüm mungen die Doppelbrechung ändern oder sogar ganz aufheben können; dadurch wird der mögliche Einsatzbereich stark eingeschränkt;
b) das durchgeleitete Licht erfährt eine relativ hohe Dämpfung;
c) wegen des relativ hohen Brechzahlunterschiedes zwischen dem LiNbO₃-Kristall und dem anzukoppelnden lichtführenden Monomode- Lichtwellenleiter treten bei der Faserankopplung Probleme auf, insbesondere eine hohe Reflexion an der Schnittstelle LiNbO₃- Kristall/Lichtwellenleiter sowie eine schlechte Feldanpassung;
d) besonders gravierender Nachteil ist die feste Vorgabe der Doppelbrechung durch die Materialkonstanten;
e) das Verfahren zur Herstellung derartiger integriert-optischer Polarisatoren ist sehr aufwendig und langwierig.

Aus der DE-OS 30 47 589 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleitern mittels Abscheidens dünner, glasartiger Schichten aus einer Gasphase und anschließendes Ätzen bekannt. Der mit diesem Verfahren herstellbare Lichtleiter dient jedoch nicht der Führung von Licht mit definierter Polarisation.

In der DE-PS 35 36 780 wird ein Verfahren beschrieben, wonach die Herstellung planarer Lichtwellenleiter derart erfolgt, daß licht führende Streifen durch Abscheiden dünner, glasartiger Schichten auf einem Substrat erzeugt werden, wobei insbesondere ein vorge gebener Brechzahlverlauf entsteht. Auch der mit diesem Verfahren herstellbare Lichtleiter eignet sich nicht zur Führung von Licht mit definierter Polarisation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Herstellung eines planaren Monomode-Lichtwellenleiters, der nur Licht mit definierter Polarisation führt; wobei die Polarisa tionsrichtung frei vorgebbar sein, der Lichtwellenleiter eine geringe Lichtdämpfung aufweisen, schnell und einfach herstellbar sein, eine bequeme Faserkopplung ermöglichen und die Doppel brechung durch den geometrischen Verlauf des Lichtwellenleiters nicht beeinflußt werden soll.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß nach der Bildung dieser lichtführenden Strei fenleiter ein beidseitig an diese lichtführenden Streifenleiter angrenzender glasartiger Mantelbereich abgeschieden wird, daß die Abmessungen des Mantelbereichs und des lichtführenden Streifen leiters senkrecht zur Substratoberfläche ungefähr gleich sind, und daß der thermische Längenausdehnungskoeffizient dieses Man telbereichs deutlich verschieden ist von dem thermischen Längen ausdehnungskoeffizient der beiden gleichartigen Mantelschichten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die zur Aufrechterhaltung der Polarisation und die zur Stabilisierung der beiden sich zueinander senkrecht ausbreitenden Moden bei Monomode-Lichtwel lenleitern erforderliche Spannungsdoppelbrechung dadurch erzielt, daß auf den Kernbereich des vorliegenden Lichtwellenleiters, der zur Führung von Licht mit definierter Polarisation in der Lage ist, aus Richtung der gleichartigen Mantelschichten und/oder des Mantelbereichs senkrecht auf den Kern Zugspannungen und/oder Druckspannungen einwirken.

Die Vorzeichen (Zug oder Druck) der auf den Kern einwirkenden Spannungen hängen von den linearen thermischen Ausdehnungskoef fizienten der Materialien des Kernbereichs, der beiden gleich artigen Mantelschichten und des Mantelbereichs untereinander ab. Darauf wird später innerhalb der Ausführungsbeispiele genauer eingegangen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit den Merkmalen der Unteransprüche erreicht.

Zusätzlich lassen sich durch geeignete Wahl der Brechzahlen des Kernbereichs, der gleichartigen Mantelschichten und des Mantel bereichs die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Lichtwellenlei ters bezüglich der die Polarisation erhaltende Wirkung auf die Lichtausbreitung (monomode Lichtleitung) gezielt einstellen.

Weisen nämlich die Materialien der beiden gleichartigen Mantel schichten und des Mantelbereichs außer unterschiedlichem Ausdeh nungskoeffizienten auch noch geringere Brechzahlen als das Ma terial des Kernbereichs auf, so hat der entsprechende Lichtwel lenleiter für die beiden aufeinander senkrecht stehend sich aus breitenden Moden polarisationserhaltende Wirkung und beide Po larisationsebenen (Moden) können unabhängig voneinander jede für sich geführt werden.

Weist das Material der beiden gleichartigen Mantelschichten oder des Mantelbereichs zwar unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten jedoch ungefähr die gleiche Brechzahl wie der Kernbereich auf, findet an der durch die Materialien ungefähr gleicher Brechzahlen gebildeten Grenzfläche Auskopplung der auf diese Grenzfläche treffenden Lichtmode statt; der so hergestellte Lichtwellenleiter besitzt also polarisierende Wirkung und es wird nur eine Polari sationsebene (Mode) des sich monomodig ausbreitenden Lichtes übertragen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können die den Lichtwellenleiter aufbauenden glasartigen Schichten und der Mantelbereich mittels eines nichtisothermen Plasma-CVD-Verfahrens (H. Karstensen; "Her stellungsverfahren optischer Wellenleiter: Eine Übersicht" in Laser- und Optoelektronic, Nr. 4/1982, S. 13-31) abgeschieden werden.

Die Gläser, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Lichtwel lenleiters abgeschieden werden, können sowohl Oxidgläser, Fluo ridgläser als auch Chalkogenidgläser sein. Untereinander kommen jedoch immer nur Gläser des gleichen Typs zum Einsatz.

Chalkogenidgläser bieten beispielsweise den Vorteil, daß sie auch zur Übertragung von Licht im infraroten Wellenlängenbereich eingesetzt werden können.

Für alle möglichen und denkbaren Ausführungsformen der vorliegen den Erfindung kann als Substratmaterial billiges Quarzglas zum Einsatz kommen.

Bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Lichtwellenleitern mit besonders geringer Lichtdämpfung wird die Dicke der Mantelschicht zwischen Substrat und Kernbereich mindestens so groß gewählt, daß das sich ausbreitende Licht nicht mit dem Substrat in Wechselwir kung treten kann, da andernfalls eine starke Dämpfung des sich ausbreitenden Lichtes erfolgen kann. Dadurch werden auch die Her stellungskosten für den Lichtwellenleiter verringert, weil das Substratmaterial nicht aus besonders dämpfungsarmen Material zu sein braucht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher in

Fig. 1 ein vertikaler Querschnitt durch die lichtführenden Schichten des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters vor der Bildung der lichtführenden Streifenleiter, in

Fig. 2 ein vertikaler Querschnitt durch den lichtführenden Streifenleiter des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters dargestellt ist, und in

Fig. 3 ein vertikaler Querschnitt durch den gesamten, fertigen Lichtwellenleiter gezeigt ist.

Ausführungsbeispiel 1

Auf ein Substrat 4 aus Quarzglas wird durch ein nicht isothermes Plasma-CVD-Verfahren eine erste Mantelschicht 2 aus reinem SiO₂ aufgebracht (Fig. 1). Auf dieser ersten Mantelschicht 2 wird danach eine Kernschicht 1 abgeschieden; diese Kernschicht ist auf 85 Gew.-% SiO₂ und 15 Gew.-% GeO₂ zusammengesetzt; die Kernschicht hat also einen höheren Brechungsindex als die beiden gleichar tigen Mantelschichten.

Auf der Kernschicht 1 wird eine weitere Mantelschicht 2′ mit der gleichen Zusammensetzung wie die erste Mantelschicht 2 abgeschie den. Demnach besitzt die Kernschicht 1 eine höhere Brechzahl als die an sie angrenzenden Mantelschichten 2 und 2′. Mit der üblichen Maskenätztechnik, die in der einschlägigen Literatur ausführlich beschrieben ist, wird dann aus dem aus den Schichten 2, 1, 2′ bestehenden Schichtensystem auf dem Substrat 4 ein Streifenleiter herausgearbeitet (Fig. 2). In einem nächsten Verfahrensschritt werden die beiden Mantelbereichhälten 3 und 3′ abgeschieden, die beidseitig an den Streifenwellenleiter direkt angrenzen (Fig. 3). Dieser gesamte Mantelbereich aus 3 und 3′ hat die Zusammensetzung 83,5 Gew.-% SiO₂, 15 Gew.-% GeO₂ und 1,5 Gew.-% P₂O₅; der Mantelbereich hat also ungefähr die gleiche Brechzahl wie der Kernbereich.

Beim Aufbringen des Mantelbereichs, bestehend aus den beiden Hälften 3 und 3′ aus der Gasphase findet wieder Erhitzung des zuvor herausgearbeiteten lichtführenden Streifenleiters statt. Beim anschließenden gemeinsamen Abkühlen des lichtführenden Streifenleiters und der beiden Mantelbereichshälften 3 und 3′ können die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Längen ausdehnungskoeffzienten auftretenden Spannungen über die Abkühl geschwindigkeit gezielt gesteuert werden.

Durch die unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffi zienten des Mantelbereichs (3, 3′) von 15 · 10^-7/°C und der beiden gleichartigen Mantelschichten (2, 2′) von 5 · 10^-7/°C des vorlie genden Ausführungsbeispiels 1 bauen sich im Kern bei gesteuerter Abkühlung stark unterschiedliche Spannungen parallel und senk recht zum Substrat 4 auf; hierdurch entsteht Spannungsdoppel brechung im Kern 1. Im Kern 1, der für Monomode-Übertragung di mensioniert ist, sind dann zwei Wellen mit zueinander orthogo nalen Polarisationsebenen ausbreitungsfähig; wegen der Spannungs doppelbrechung sind diese weitgehend entkoppelt.

In einem Lichtwellenleiter der vorstehend beschriebenen Art wird eine sich ausbreitende Welle, deren Polarisationsebene parallel zum Substrat 4 ist, nicht geführt und dadurch stark gedämpft, da der Kern 1 keine höhere Brechzahl als der Mantelbereich (3, 3′) (b) besitzt. Dagegen wird eine Welle, deren Polarisationsebene in der Senkrechten zum Substrat 4 liegt, unter Erhalt ihrer Polari sationsebene geführt; eine Kopplung in die dazu orthogonale Posi tion, in der dann Auskopplung aus dem Kern 1 eintreten würde, kann wegen der Spannungsdoppelbrechung nicht stattfinden.

Ein derartiger planarer Lichtwellenleiter wirkt also polarisie rend. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs koeffizienten der eingesetzten Glaszusammensetzungen wirkt in einem solchen Lichtwellenleiter senkrecht zum Substrat 4 auf den Kern eine Zugspannung (α ₁ < α _{2, 2}′) und parallel zum Substrat 4 auf den Kern eine Druckspannung (α _{3, 3}′ < α ₁).

Ausführungsbeispiel 2

Es wird analog wie in Ausführungsbeispiel 1 ein planarer Licht wellenleiter hergestellt, mit der Abweichung, daß für den Man telbereich (3, 3′) eine Glaszusammensetzung gewählt wird, die aus 87 Gew.-% SiO₂ und 13 Gew.-% B₂O₃ besteht; der Mantelbereich hat demnach einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 13 · 10^-7/°C und eine niedrigere Brechzahl als der Kern.

Durch diese Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffzienten der Materialien für die glasartigen Schichten ergibt sich wieder die zur Vermeidung der Kopplung der beiden Ausbreitungsmoden erfor derliche Spannungsdoppelbrechung. Ein derartiger planarer Licht wellenleiter gestattet es im Gegensatz zu dem im Ausführungsbei spiel 1 beschriebenen Lichtwellenleiter, eine Welle mit Polarisa tionsebene senkrecht oder parallel oder auch zwei Wellen mit Po larisationsebenen senkrecht und parallel zum Substrat 4 annähernd dämpfungsfrei unter Erhalt der jeweiligen Polarisationsebenen zu führen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines planaren Lichtwellenleiters zur Führung von Licht mit definierter Polarisation, durch Ab scheiden dünner glasartiger Schichten aus einer Gasphase auf einem Substrat zur Erzeugung eines vorgegebenen Brechzahl verlaufs der Schichten, so daß eine erste Mantelschicht, da nach ein lichtführender Kernbereich und auf diesen Kernbereich eine zweite, der ersten Mantelschicht gleichartige Mantelschicht abgeschieden wird, wobei aus dieser Beschichtung anschließend durch Maskierung und Wegätzen bis auf das Substrat der nicht maskierten Bereiche lichtführende Streifenleiter erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Bil dung dieser lichtführenden Streifenleiter ein beidseitig an diese lichtführenden Streifenleiter angrenzender glasartiger Mantel bereich (3, 3′) abgeschieden wird, daß die Abmessungen des Man telbereichs (3, 3′) und des lichtführenden Streifenleiters senk recht zur Substratoberfläche ungefähr gleich sind und daß der thermische Längenausdehnungskoeffizient dieses Mantelbereichs (3, 3′) deutlich verschieden ist von dem thermischen Längenaus dehnungskoeffizient der beiden gleichartigen Mantelschichten (2, 2′).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichartigen Mantelschichten (2, 2′) und der Mantel bereich (3, 3′) aus Materialien gebildet werden, die beide eine geringere Brechzahl aufweisen als der Kernbereich (1).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die gleichartigen Mantelschichten (2, 2′) oder der Mantelbereich (3, 3′) aus einem Material gebildet wer den/wird, das ungefähr die gleiche Brechzahl aufweist wie der Kernbereich (1).

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Abscheiden dieser glasartigen Schichten mittels eines nichtisothermen Plasma-CVD-Verfahrens durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich (1), die gleichartigen Mantelschichten (2, 2′) und der Mantelbereich (3, 3′) aus oxidischen Gläsern gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich (1), die gleichartigen Mantelschichten (2, 2′) und der Mantelbereich (3, 3′) aus Fluoridgläsern ge bildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich (1), die gleichartigen Mantelschichten (2, 2′) und der Mantelbereich (3, 3′) aus Chalkogenidgläsern gebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Substrat (4) Quarzglas verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Mantelschicht (2) zwischen Substrat (4) und Kernbereich (1) so gewählt wird, daß das sich ausbreitende Licht nicht mit dem Substrat in Wechselwirkung treten kann.