DE4433738A1 - Doppelbrechungsarmer planarer optischer Wellenleiter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen doppelbrechungsarmen planaren optischen Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Mit der wachsenden Verbreitung von Glasfaser-Übertragungs­ strecken in der Kommunikationstechnik entsteht ein zunehmen­ der Bedarf an kostengünstigen optischen Sende- und Empfangs­ elementen, optischen Kopplern, optischen Schaltern und opti­ schen Verteilelementen für die End- und Verknüpfungspunkte des Übertragungsnetzes. Bisher werden solche Koppler oder Schalter meist auf der Basis von Glasfasern hergestellt, beispielsweise in Form von Faserschmelzkopplern.

Neuerdings werden aber für diese Zwecke zunehmend Wellenlei­ ter-Strukturen in Planartechnik bevorzugt, die besonders fertigungsfreundlich sind. Auf der Oberfläche eines planaren Substrats lassen sich viele derartige Wellenleiter-Struktu­ ren, die beispielsweise in Form von Filmen, Stegen, Kanälen oder Kombinationen aus diesen Elementen bestehen, gleichzei­ tig mit Hilfe von bewährten Fertigungsmöglichkeiten der Halbleitertechnologie herzustellen.

Die Glasfaser ist kreissymmetrisch und weist aus diesem Grund im lichtführenden Kern in der Regel keine Doppelbrechung auf. Linear polarisiertes Licht eines Halbleiterlasers breitet sich daher längs der Faser unabhängig vom Azimut der Einstrahlebene aus. Über längere Faserstrecken kann es jedoch depolarisiert werden.

Planare Wellenleiter weisen im Unterschied zur Faser häufig unterschiedliche Brechzahlen parallel und senkrecht zur Ebene der Oberfläche des Substrats auf. Unpolarisiertes Licht, das aus der optischen Faser in das doppelbrechende planare Ele­ ment eintritt, wird in eine parallel und eine senkrecht zur Oberfläche des Substrats schwingende Komponente aufgespalten, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Dies erschwert die Auslegung optischer Schaltungen, da wel­ lenlängenselektive Elemente, z. B. Richtkoppler oder Wellen­ längen-Multiplexer-/Demultiplexer auf der Basis von Reflexionsgittern oder auf der Basis von aus Wellenleiter- Arrays (Phased Arrays) bestehenden Transmissionsspektrogra­ phen nur für eine Polarisationsrichtung, entweder die TE- oder TM-Polarisation, optimal ausgelegt werden können.

Bei kristallinen planaren Schichten ergibt sich die Doppel­ brechung infolge der Kristallstruktur und der gewählten Kristallorientierung zur Ebene. Amorphe transparente Materia­ lien, wie sie die Gläser darstellen, weisen keine Doppelbre­ chung auf, sofern sie spannungs- und dehnungsfrei sind.

Eine besonders aussichtsreiche optische Planartechnik ist die SiO₂/Si-Technik, bei der als lichtführendes Material wie bei der optischen Faser SiO₂-Glas verwendet wird (siehe siehe M. Kawachi: "Silica waveguides on silicon and their application to integrated-otpic components", Optical and Quantum Electro­ nics 22 (1990), S. 391-416 und H.W. Schneider: "Realization of SiO₂-B₂O₃-TiO₂ waveguides and reflectors on Si substrates" in Optical Waveguide Materials, edited by M.M. Broer, R. Th. Kersten, G. H. Sigel und H. Kawazoe, Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol. 244, 1992, S. 337-342). Dies ermöglicht niedrige Koppelverluste beim Übertritt von der Lichtwelle aus der Faser in den planaren Wellenleiter.

Das SiO₂-Glas, das in der von Mantelschichten umgebenen licht führenden Kernschicht zur Modifikation seiner Brechzahl auch mit GeO₂, P₂O₅ oder TiO₂ dotiert sein kann, wird bei dieser Technik auf einem Substrat in Form einer Scheibe bzw. eines Wafers aus Silizium abgeschieden und bei hoher Tempera­ tur aufgeschmolzen. Ahnlich wie bei der Glasfaser lassen sich auf diese Weise hochreine Gläser mit geringen Lichtverlusten gewinnen. Dabei kommt vielfach eine Technik zum Einsatz, die als Flammenhydrolyse bekannt ist und die auch bei der Her­ stellung von Vorformen für Glasfasern eingesetzt wird.

Während bei der Glasfaserherstellung ein zylindrisches Substrat benutzt wird, wird für planare Wellenleiter die Substratscheibe benötigt. Eine einkristalline Scheibe aus Silizium kann vorteilhafterweise mit Hilfe von Ätztechniken präzise mikrostrukturiert werden und als Aufnahmeplattform für weitere Elemente, wie Glasfaser, Laser oder Detektoren dienen. Die günstigen thermischen und elektrischen Eigen­ schaften sind ebenfalls von Vorteil. Darüberhinaus ist ein polierter Si-Wafer vergleichsweise kostengünstig.

Erforderlich ist bei diesem wie auch bei anderen Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern aus Glas auf im wesentli­ chen planaren Substraten, daß die Schichten aus Glas bei erhöhter Temperatur hergestellt werden und/oder eine Hochtem­ peraturbehandlung, die typischerweise mehr als 900°C beträgt, zu ihrer Homogenisierung oder Ausgasung benötigt. Nur dann ist hohe Lichtdurchlässigkeit gewährleistet.

Die Temperaturbehandlung hat zur Folge, daß der Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Si und Si bzw. dotiertem SiO₂, der für Si größer als für Glas ist, beim Abkühlen von der Homogenisierungstemperatur auf Raumtem­ peratur zu erheblichen Spannungen, und im Falle einseitiger Beschichtung, sogar zu einer Durchbiegung des Wafers führt. Infolge des spannungsoptischen Effekts bedingen diese Span­ nungen eine Doppelbrechung in der lichtleitenden Schicht aus Glas.

Anhand eines konkreten Beispiels sei das Problem der Doppel­ brechung in einer Schicht aus SiO₂ auf einem Substrat aus Si erläutert.

In P.C. Clemens, R. März, A. Reichelt, H. W. Schneider "Flat- Field Spectrograph in SiO₂/Si", IEEE Photon. Technol. Lett. 4(8) (1992) S. 886-887, ist ein planares Bauteil, ein flacher Spektrograph, angegeben, dessen Zweck es ist, als Wellenlän­ gendemultiplexer Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlänge, die aus einer Glasfaser austreten, spektral zu zerlegen und jeweils auf zugeordnete Detektoren in Form eines Arrays zu fokussieren. Zu diesem Zweck ist ein konkaves Gitter mit fokussierenden Eigenschaften senkrecht zur Ebene der Oberflä­ che des Substrats in einen aus Schichten aus Glas bestehenden Schichtenstapel geätzt, der auf die Oberfläche des Substrats in Form eines Wafers aus Si aufgebracht ist. Der Schichten­ stapel besteht aus zwei Mantel schichten und aus einer zwi­ schen den Mantelschichten angeordneten Kernschicht mit einer zu einer Brechzahl jeder Mantelschicht größeren Brechzahl. Die Schichten bestehen aus mit Boroxid dotiertem SiO₂, wobei die Kernschicht zusätzlich mit TiO₂ und GeO₂ dotiert ist.

Doppelbrechung in der Kernschicht bedingt unterschiedliche Brechzahl parallel und senkrecht zur Ebene der Oberfläche des Substrats. Da die Dispersion des Gitters von der Brechzahl abhängt, wird unpolarisiertes Licht einer Wellenlänge, das aus der Faser austritt, im planaren Spektrographen in ortho­ gonal polarisierte Anteile zerlegt und lateral, d. h. in der Ebene der Oberfläche des Substrats, getrennt fokussiert. Die Polarisationsverschiebung entsprach einer Wellenlängenver­ schiebung von 0,7 nm. Eine enge Zuordnung der Wellenlängenka­ näle zu den einzelnen Detektoren ist daher nicht mehr gege­ ben, so daß das Bauteil nicht optimal genutzt werden kann.

Zur Lösung des Problems der Doppelbrechung in Schichtensta­ peln aus Glas auf Substraten aus anderen Materialien, bei­ spielsweise aus Silizium, sind bisher verschiedene Möglich­ keiten vorgeschlagen oder angegeben worden:

• 1) Einätzen von seitlichen Entlastungsschlitzen,
• 2) Aufbringen einer zusätzlichen Schicht auf den Schichten­ stapel aus Glas zur Spannungskompensation (siehe M. Kawachi: "Silica waveguides on silicon and their applica­ tion to integrated-otpic components", Optical and Quantum Electronics 22 (1990), S. 391-416), oder
• 3) Einsägen eines schmalen, beispielsweise 18 µm breiten Schlitzes und Einschieben einer speziellen dünnen doppel­ brechenden Folie als λ/2-Platte mit der Wirkung eines TE/TM-Modenkonverters in die Mitte der licht führenden Kernschicht eines Phased Arrays (siehe H. Takahashi, Y. Hibino, I. Nishi "Polarization-insensitive arrayed-wa­ veguide grating wavelength multiplexer on silicon", Opt. Lett. 17 (1992), S. 499-501).

Während das Verfahren nach 1) nur für seitlich schmale licht­ führende Strukturen geeignet ist, lassen sich mit den Verfah­ ren nach 2) und 3) auch für lateral ausgedehnte Wellenleiter, wie sie bei Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexern verwendet werden, Erfolge erzielen. Beim Verfahren nach 3) muß eine Dämpfungserhöhung in Kauf genommen werden, da im Schlitz eine Lichtführung entfällt. Den Verfahren nach 2) und 3) ist gemeinsam, daß sie speziell auf des entsprechende Bauelement zugeschnitten werden müssen, und daß sie in Design und Her­ stellung einen nicht unerheblichen Zusatzaufwand erfordern.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie auf einfache Weise ein doppelbrechungsarmer planarer optischer Wellenlei­ ter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Wellenleiters wird vorzugsweise so vorgegangen, daß ausgehend vom gewählten Material des Substrats, beispielsweise Si, das Glas der Kernschicht oder auch der übrigen Schichten des Schichtensta­ pels an das gewählte Substrat angepaßt werden, obgleich von vorneherein das Glas und das Material des Substrats aufeinan­ der abgestimmt gewählt oder ausgehend vom gewählten Glas der Kernschicht oder auch anderen Schichten des Schichtenstapels das Material des Substrats an das gewählte Glas angepaßt werden kann.

Eine in einem aus einer Kernschicht und Mantelschichten gebil­ deten Wellenleiter geführte Lichtwelle wird nicht vollständig in der Kernschicht geführt, sondern dringt auch zum geringen Teil in die angrenzenden Mantelschichten ein. Aus diesem Grunde ist es notwendig, Doppelbrechung auch in den Mantel­ schichten zu vermeiden. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, nicht nur den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Mate­ rials der Kernschicht, sondern auch den des Glases der übri­ gen Schichten des Schichtenstapels und den thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten des Materials des Substrats aneinander anzupassen. Dies ist jedoch aus folgenden Gründen nicht ohne weiteres möglich.

Die Zusammensetzung des Glases der Kernschicht kann aus zwei Gründen nicht identisch mit der Zusammensetzung des Glases der Mantelschichten sein. Zum einen muß das Glas der Kern­ schicht brechzahlerhöhende Anteile enthalten, zum anderen sollte die Viskosität des Glases des Schichtenstapels eine in Richtung von der Oberfläche des Substrats fortzunehmende Viskosität aufweisen, da nur dann gewährleistet ist, daß durch Flammenhydrolyse hergestellte aufeinanderfolgende Schichten scharf begrenzt und mit ebener Grenzschicht aufeinander aufgeschmolzen werden können und daß beim Aufbringen einer Mantelschicht auf die Kernschicht langgestreckte, schmale Kernschichtstreifen nicht unzulässig stark zusammensinken und verflachen. Da die Glaseigenschaften Brechzahl, Viskosität, Erweichungstemperatur und thermischer Ausdehnungskoeffizient meist in ähnlicher Weise mit der Glaskomposition verknüpft sind, ist es in der Regel nicht in einfacher Weise möglich, zusätzlich zu den genannten Anforderungen auch den thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten des Glases der Mantelschichten an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Substrats anzupassen.

Um dennoch Doppelbrechung auch in den Mantelschichten zu vermeiden, ist ein erfindungsgemäßer Wellenleiter vorteilhaf­ terweise derart ausgebildet, daß das Glas der zwischen der Oberfläche des Substrats und der Kernschicht angeordneten Mantelschicht einen niedrigeren und das Glas der auf der von der Oberfläche des Substrat abgekehrten Seite der Kernschicht angeordneten Mantelschicht einen höheren thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten als das Glas der Kernschicht aufweist (Anspruch 2).

Durch diese Maßnahme lassen sich die resultierende Doppel­ brechung der Mantelschichten und der dazwischenliegenden Kernschicht gegeneinander kompensieren. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Mantelschicht mit dem relativ zur Kernschicht höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten die Kernschicht dreiseitig umgibt (Anspruch 3). Diese Maßnah­ me ist insbesondere von Vorteil, wenn die Kernschicht lang­ gestreckt streifenförmig ist.

Insbesondere der Wellenleiter nach Anspruch 2 hat den Vor­ teil, daß ein doppelbrechungsarmer Wellenleiter bereitge­ stellt werden kann, bei dem das Glas der Schichten eine in Richtung von der Oberfläche des Substrats fortzunehmende Viskosität aufweist (Anspruch 4) und die durch dieses Visko­ sitätsprofil gegebenen und oben beschriebenen Vorteile gege­ ben sind.

Vorteilhaft sind Gläser, die einen oder mehrere chemisch verschiedene kationische Si-Substituenten, d. h. Substituenten des Si⁴⁺ aufweisen. Ein entsprechender vorteilhafter erfin­ dungsgemäßer Wellenleiter ist in Anspruch 5 angegeben. Vor­ teilhaft sind in diesem Zusammenhang Gläser, die schon hohe Anteile an kationischen Si-Substituenten im SiO₂-Netzwerk aufweisen.

Bevorzugte kationische Si-Substituenten sind B, Al, Ge, Ti, P, As (Anspruch 6).

Vorteilhaft ist es, wenn das Glas der Kernschicht 30 bis 40 Kationprozent Si-Substituenten enthält (Anspruch 7). Kation­ prozent ist definiert durch die Anzahl bestimmter Kationen geteilt durch die Gesamtzahl der Kationen.

Vorteilhaft ist es überdies, wenn das Glas der zwischen der Oberfläche des Substrats und der Kernschicht angeordneten Mantelschicht 20 bis 30 Kationprozent Si-Substituenten und das Glas der auf der von der Oberfläche des Substrats umge­ kehrten Seite der Kernschicht angeordneten Mantelschicht 35 bis 40 Kationprozent Si-Substituenten aufweist (Anspruch 8).

Wegen der unvermeidlichen verfahrensbedingten Kompositions­ schwankungen bei hohem Si-Substituentenanteil ist für die Einhaltung der erforderlichen Brechzahlabstufung zwischen Kernschicht und umgebenden Mantelschichten, die etwa 0,5 bis 1 Prozent beträgt, ein Substitut erwünscht, das einen kleinen Effekt auf die Brechzahl und einen hohen Effekt auf die thermische Ausdehnung aufweist. Dies ist im Falle des Bors gegeben und entsprechend ist ein erfindungsgemäßer Wellenlei­ ter vorteilhafterweise so ausgebildet, daß im Glas einer Schicht Bor als Si-Substituent wenigstens vorherrscht (Anspruch 9).

Bei einem erfindungsgemäßen Wellenleiter kann vorteilhafter­ weise das Glas einer Schicht einen Gesamtanteil an Si- Substituenten aufweisen, bei dem ein Anteil von 1/3 aus Bor und ein Anteil von 2/3 aus einem oder mehreren verschiedenen anderen Substituenten besteht (Anspruch 10), wobei bevorzug­ terweise die anderen Si-Substituenten aus der chemischen Stoffgruppe Ge, Ti und P ausgewählt sind (Anspruch 11).

Das Substrat besteht vorzugsweise aus Si (Anspruch 12).

Bei einem bevorzugten und vorteilhaften Verfahren zur Her­ stellung eines erfindungsgemäßen Wellenleiters wird das Glas der Schichten mittels Flammenhydrolyse hergestellt (Anspruch 13).

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1e schematisch im Querschnitt und der Reihe nach eine Ausgangsstufe, verschiedene Verfahrens­ zwischenstufen und das Endprodukt eines Verfah­ rens zur Herstellung einer aus erfindungsgemäßen doppelbrechungsarmen planaren optischen Streifen­ wellenleitern bestehenden Wellenleiterstruktur auf der Oberfläche eines Substrats.

Die Figuren sind nicht maßstäblich.

Bei dem beispielhaften Verfahren wird auf die Oberfläche 10 des in Fig. 1a dargestellten Substrats 1 aus einem Material mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α als erstes die Mantelschicht 2 aus Glas aus SiO₂-Basis der Brechzahl n₂ und eines im Vergleich zum Ausdehnungskoeffizienten α nie­ drigeren Ausdehnungskoeffizienten α₂ in bekannter Weise mittels Flammenhydrolyse abgeschieden und bei hoher Tempera­ tur aufgeschmolzen, wonach die in Fig. 2b dargestellte Herstellungszwischenstufe entstanden ist.

Auf die Mantelschicht 2 wird die Kernschicht 3 der Brechzahl n₃ und des im wesentlichen mit dem Ausdehnungskoeffizienten α des Substrats 1 übereinstimmenden thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten in bekannter Weise mittels Flammenhydrolyse abgeschieden und bei hoher Temperatur aufgeschmolzen, wonach die in Fig. 1c dargestellte Herstellungszwischenstufe ent­ standen ist.

Der herzustellende doppelbrechungsarme Wellenleiter könnte ein sich flächig über die ganze Oberfläche 10 des Substrats 1 erstreckender Schichtwellenleiter sein, bei dem eine Struktu­ rierung der Kernschicht 3 nicht erforderlich ist. Auf die Kernschicht 3 nach Fig. 1c könnte dann unmittelbar die nächste Schicht, d. h. eine Mantelschicht 4 aufgebracht wer­ den. Beim beispielhaften Verfahren werden jedoch langge­ streckt streifenförmige planare Wellenleiter erzeugt, die vor dem Aufbringen der nächsten Schicht eine entsprechende Struk­ turierung der flächigen Kernschicht 3 erforderlich machen.

Zu dieser Strukturierung wird auf die Kernschicht 3 eine Ätzmaske 5 aufgebracht, die beispielsweise aus langgestreck­ ten Streifen 51, 52, 53 aus einem gegen das verwendete Ätz­ mittel resistente Maskenmaterial bestehen, deren Längsachse beispielsweise vertikal zur Zeichenebene steht und die in vorbestimmten Abständen voneinander angeordnet sind. Die entsprechende Herstellungszwischenstufe ist in der Fig. 1d dargestellt.

In den von der Ätzmaske 5 freien Teilen, d. h. in den Berei­ chen zwischen den Streifen 51, 52 und 53 und außerhalb der Streifen 51 und 52 wird die Kernschicht 2 bis zur darunter­ liegenden Mantelschicht 2 abgeätzt, so daß unter den Masken­ streifen 51, 52 und 53 entsprechende langgestreckte Kern­ schichtstreifen 31, 32 und 33 mit zur Zeichenebene senkrech­ ter Längsachse stehenbleiben, so daß die in Fig. 1e darge­ stellte Herstellungszwischenstufe entsteht, bei der überdies die Streifen 51, 52 und 53 aus dem Maskenmaterial entfernt sind.

Die aus diesen übriggebliebenen Kernschichtstreifen 31, 32 und 33 bestehende Kernschicht 3 wird mit der Mantelschicht 4 abgedeckt, welche die Streifen 31, 32 und 33, wie darge­ stellt, dreiseitig umgibt und auch die freiliegenden Teile der Mantelschicht 2 abdeckt. Das Glas der Mantelschicht 4 hat eine im Vergleich zur Brechzahl n₃ der Kernschicht 3 kleinere Brechzahl n₄ und einen größeren thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten α₄ als die Kernschicht 3. Es ist auf diese Weise das in Fig. 1f dargestellte fertige Endprodukt entstanden, bei dem der aus den Schichten 2, 3 und 4 gebildete Schichten­ stapel 234 den erfindungsgemäßen planaren Wellenleiter defi­ niert, wobei genaugenommen drei streifenförmige planare Wellenleiter entstanden sind, deren lichtleitende Bereiche durch die allseitig von Mantelglas umgebenen Streifen 31, 32 und 33 der Kernschicht 3 definiert sind.

Beispielsweise besteht das Substrat 1 aus Si, die zwischen der Oberfläche 10 des Substrats 1 der Kernschicht 3 angeord­ nete Mantelschicht 2 aus SiO₂-Glas, das mit B₂O₃ dotiert ist, die Kernschicht 3 aus SiO₂-Glas, das mit B₂O₃ und zusätzlich mit TiO₂ dotiert ist, und die auf der Kernschicht 3 aufge­ brachte Mantelschicht 4 aus SiO₂-Glas, das mit B₂O₃ dotiert ist. Die Maske 5, d. h. die Streifen 51, 52 und 53 können aus amorphem Si bestehen und die Kernschicht 3 kann außerhalb der Maske 5 durch reaktives Ionenätzen abgetragen werden.

Ein einfaches bekanntes Meßverfahren zur Kontrolle der Schichtspannung σ und damit der Doppelbrechung in einer dünnen Schicht der Dicke t auf einer vergleichsweise dicken Platte der Dicke D besteht darin, die Krümmung R der einsei­ tig beschichteten Platte mit einem mechanischen Profilometer zu messen. Dieses Verfahren kann auch zur Messung der Doppel­ brechung in den Schichten 2, 3 und 4 des Schichtenstapels 234 auf dem Substrat 1 verwendet werden. Wenn die Dicke t einer solchen Schicht 2, 3 und/oder 4 sehr klein gegen die Dicke D des Substrats 1 ist, was üblicherweise der Fall ist, gilt

σ = E · D²/[6 · (1-ν) · R · t],

wobei E der Elastizitätsmodul und ν die Poisonzahl des Sub­ strats 1 bedeuten. Aus den bekannten Größen erhält man die Schichtspannung σ. Mit Hilfe des spannungsoptischen Koeffizi­ enten K ergibt sich die Doppelbrechung B gemäß

B = n_TE-n_TM = K · σ,

wobei n_TE die Brechzahl für den TE-Mode und n_TM die Brechzahl des TM-Modes bedeuten.

Der spannungsoptische Koeffizient K beträgt für SiO₂ etwa 3,5 nm/cm/bar.

Zur Ermittlung einer geeigneten Schichtkomposition ist es zweckmäßig, die Schichten einzeln auf dem Substrat, bei­ spielsweise dem Si-Wafer, herzustellen und die Schreiben­ krümmung zu messen. Mit Hilfe dieses Verfahrens und der Elektronenmikrosonden-Röntgenfluoreszenz-Analyse konnte gefunden werden, daß 30 bis 30 Kationprozent an Bor in SiO₂ erforderlich sind, um eine geringe Doppelbrechung zu gewähr­ leisten. Bei Mehrkomponentengläsern können bis zu zwei Drit­ tel des Boranteils durch ein, zwei oder mehrere Kationen, insbesondere durch Ge, Ti oder P ersetzt werden. Eine geeig­ nete Abstufung im Substitut-Gehalt erhält man, wenn die Mantelschicht 2 zwischen der Oberfläche 10 des Substrats 1 und der Kernschicht 3 gleich 20-30 Kationprozent Bor und die Mantelschicht 4 auf der Kernschicht 3 gleich 35-45 Kationprozent Bor enthält. Auch hier kann bis zu zwei Drittel des Boranteils durch andere Kationen ersetzt werden.

Ein Schichtenstapel 234 für äußerst doppelbrechungsarme planare optische Wellenleiter wurden mit Hilfe der Flammenhy­ drolyse unter Verwendung der in der Tabelle angegeben Flüsse der Reaktionsgase, die als Ausgangsstoffe in die Flamme eingeleitet wurden, hergestellt.

In der Tabelle bedeutet sccm das Gasvolumen unter Standardbe­ dingungen in cm³/Minute. Der Schichtenstapel 234 wurde auf einem Substrat aus Si abgeschieden.

Durch Reaktion in der Flamme und nach Abscheidung der Oxide auf dem Substrat und nach Ausbildung der Glasschichten im Sinterofen bei 1100°C bis 1200°C wurden die jeweiligen Schichtkompositionen, wie in der Tabelle angegeben, ana­ lysiert und ein Näherungswert für die Doppelbrechung aus der Durchbiegung des Substrats ermittelt. Der Tabelle ist zu entnehmen, daß sich bei hinreichend großem Boranteil doppel­ brechungsarme Schichten herstellen lassen. Die Schicht mit niedrigstem Si-Anteil weist hier negative Doppelbrechung auf, da sie, bezogen auf Si, unter Zugspannung steht. Sie trägt somit wirksam zur Kompensation der Doppelbrechung in den übrigen Schichten bei. In derartigen Schichten lassen sich Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer vom Typ des Gitter­ spektrographen oder des Phased arrays mit äußerst geringer Polarisationsabhängigkeit herstellen.

Claims (13)

1. Doppelbrechungsarmer planarer optischer Wellenleiter auf der Oberfläche (10) eines Substrats (1) aus vorbestimmtem Material, bestehend aus einem auf der Oberfläche (10) aufge­ brachten Schichtenstapel (234), der zumindest zwei Mantel­ schichten (2, 4) aus Glas auf der Basis von SiO₂ und zumin­ dest eine zwischen den Mantelschichten (2, 4) angeordnete Kernschicht (3) aus Glas auf der Basis von SiO₂ mit einer relativ zur Brechzahl (n₂, n₄) des Glases jeder Mantelschicht (2, 4) höheren Brechzahl (n₃) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Glas der Kernschicht (3) den im wesentli­ chen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α) wie das Material des Substrats (1) aufweist.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas der zwischen der Oberfläche (10) des Substrats (1) und der Kernschicht (3) angeordneten Mantelschicht (2) einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α₂) und das Glas der auf der von der Oberfläche (10) des Substrats (1) abgekehrten Seite der Kernschicht (3) ange­ ordneten Mantelschicht (4) einen höheren thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten (α₄) als das Glas der Kernschicht (3) aufweist.

3. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelschicht (4) mit dem relativ zur Kernschicht (3) höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α₄) die Kern­ schicht (3) dreiseitig umgibt.

4. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas der Schichten (2, 3, 4) eine in Richtung (6) von der Oberfläche (10) des Substrats (1) fort zunehmende Visko­ sität aufweist.

5. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Glas einer Schicht (2, 3, 4) einen oder mehrere chemisch verschiedene kationische Si-Substituenten aufweist.

6. Wellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Si-Substituenten aus der chemischen Stoff­ gruppe B, Al, Ge, Ti, P, As ausgewählt sind.

7. Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas der Kernschicht (3) 30 bis 40 Kationprozent Si- Substituenten enthält.

8. Wellenleiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas der zwischen der Oberfläche (10) des Substrats (1) und der Kernschicht (3) angeordneten Mantelschicht (2) 20 bis 30 Kationprozent Si-Substituenten und das Glas der auf der von der Oberfläche (10) des Substrats (1) abgekehrten Seite der Kernschicht (3) angeordneten Mantelschicht (4) 35 bis 40 Kationprozent Si-Substituenten aufweist.

9. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Glas einer Schicht (2, 3, 4) Bor als Si-Substituent vorherrscht.

10. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas einer Schicht (2, 3, 4) einen Gesamtanteil an Si-Substituenten aufweist, der aus einem Anteil von minde­ stens 1/3 Bor und einem Anteil von höchstens 2/3 eines oder mehrerer verschiedener anderer Si-Substituenten besteht.

11. Wellenleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Si-Substituenten aus der chemischen Stoff­ gruppe Ge, Ti und P ausgewählt sind.

12. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Si besteht.

13. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas der Schichten (2, 3, 4) mittels Flammenhydrolyse hergestellt wird.