Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines optischen Hohlleiters aus Quarz, der die
Wirkung hat eines Laserverstärkers oder eine nichtlineare
optische Wirkung.
Beschreibung des Standes der Technik
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Unter den optischen Hohlleitern haben optiche Hohlleiter
aus Quarz Aufmerksamkeit gefunden, da sie einen niedrigen
Lichtübertragungsverlust haben und mit einer optischen
Faser aus Quarz mit einem niedrigen Anschlußverlust
verbunden werden können.
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Im allgemeinen wird ein solcher optischer Hohlleiter aus
Quarz hergestellt durch eine kombinierte Methode einer
Glasfilmbildung mittels einer Flammenhydrolyse-Abscheidung
(FHD) und einer Feinverarbeitung des gebildeten Glasfilms
durch reaktives Ionenätzen (RIE) (s. Masao Kawachi, "Quartz
Optical Waveguides and Their Application in Integrated
Optical Elements", OPTICS, 18 (12), December 1989, 681-
686).
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Die obige Methode zur Herstellung eines optischen
Hohlleiters aus Quarz wird unter Bezug auf Figur 1
erläutert.
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Wie in Fig. 1A gezeigt wird, wird ein glasbildendes
Rohmaterial wie SiCl&sub4;, TiCl&sub4; und dergleichen einem Brenner
2 zusammen mit einem Brenngas (z.B. Wasserstoffgas,
Sauerstoffgas usw.) zugeführt und in einer Sauerstoff-
Wasserstoffflamme 2 unter Ausbildung von feinen Teilchen 3
(soot) aus Glas hydrolysiert und oxidiert. Der Glas-Soot
wird dann auf einen Träger 4, wie einem Silicium-Wafer
abgeschieden und bildet dabei eine Glas-Soot 5a und 5b,
die unterschiedliche Zusammensetzungen voneinander haben.
Die abgeschiedenen Glasfilme auf dem Träger 4 werden durch
Verglasen bei einer hohen Temperatur unter Erhalt einer
Pufferschicht 6a und einer Kernschicht 6b, wie dies in
Fig 1B gezeigt wird, verglast.
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Die obige Verfahrensweise ist FHD.
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Dann werden mittels RIE unnötige Teile der Kernschicht 6b
entfernt, so daß ein gratförmiger Kernteil 6c zurückbleibt,
wie dies in Fig. 1C gezeigt wird. Dann wird wiederum
mittels FHD eine Plattierschicht 6d ausgebildet, welche
den Kernteil 6c umgibt unter Ausbildung eines optischen
Hohlleiters 7 vom eingebetteten Quarztyp, wie dies in
Fig. 1D gezeigt wird.
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Da das vorgehend beschriebene FHD es ermöglicht, einen
Quarzfilm mit einem niedrigen Lichtübertragungsverlust mit
einer hohen Filmbildungsrate auszubilden, wird diese
Methode in großem Umfang bei der Herstellung von optischen
Hohlleitern aus Quarz angewendet. Jedoch werden die meisten
der nach dieser Methode hergestellten optischen Hohlleiter
als passive optische Elemente verwendet, wie als ein
Element zum Bündeln oder zum Aufteilen von Licht oder als
ein Element zum Verzweigen.
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Es ist daher in hohem Maße wünschenswert, einen
funktionellen optischen Hohlleiter zur Verfügung zu
stellen, der zur Laserverstärkung dient oder eine
Schaltfunktion hat unter Verwendung einer nichtlinearen
optischen Wirkung.
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Um eine solche Funktion zu realisieren ist es erforderlich,
ein Selteneserdelement, das eine Laser-Funktion hat, oder
feine Teilchen aus einem Halbleiter, die eine nichtlineare
optische Wirkung haben, zu dem optischen Hohlleiter
zuzufügen. Jedoch ist es schwierig ein Glas zu
synthetisieren, welches das Selteneerdelement enthält oder
ein bei hoher Temperatur instabiles Halbleitermaterial, da
FHD das Glas in einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme mit
einer Temperatur von 2000ºC oder höher synthetisiert.
Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Herstellung eines funktionellen optischen Hohlleiters
aus Quarz zur Verfügung zu stellen, der eine Laser-
Verstärkungseigenschaft oder eine nichtlineare optische
Wirkung aufweist.
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Gemäß der voliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung eines funktionellen optischen Hohlleiters gemäß
Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
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IEEE Photonics Technology Letters, Band 1, Nr. 11, November
1989, Seiten 349-350, beschreibt einen optischen Hohlleiter
aus Quarz gemäß der Präambel von Anspruch 1.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt schematisch die Stufen der
Flammen-hydrolytischen Abscheidungsmethode zur Herstellung
eines optischen Hohlleiters aus Quarz und
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Fig. 2 und 3 zeigen schematisch die Stufen zur
Herstellung eines optischen Hohlleiters gemäß der
vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet der funktionelle
optische Hohlleiter einen optischen Hohlleiter, der eine
Funktion außer als Hohlleiter hat, wie eine Laser-
Verstärkung und eine nichtlineare optische Wirkung.
Beispielsweise schließt der funktionelle optische
Hohlleiter einen optischen Hohlleiter aus Quarz ein, der
ein Selteneserdelement mit einer Laser-Verstärkungswirkung
enthält, (z.B. Er, Nd, usw.) oder feine Teilchen eines
Halbleiters mit einer nichtlinearen optischen Wirkung (z.B.
CdSxSe1-x, worin x 0< x< 1 ist, PbS, Cucl, usw.).
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Gemäß der vorliegenden Erfindung hat der Kernteil oder der
Teil mit dem niedrigeren Brechungsindex, durch den das
Licht hindurchgeht, einen solchen funktionellen
Hohlleiterfilm, wodurch die Ausbildung eines funktionellen
optischen Hohlleiters vereinfacht wird.
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Da der funktionelle Hohlleiterfilm nicht hergestellt werden
kann durch eine FHD, bei welcher eine Sauerstoff-
Wasserstoff-Flamme mit einer Temperatur von 2000ºC oder
höher angewendet wird, um das Glas zu synthetisieren, wird
er vorzugsweise hergestellt mittels einer anderen Methode
zur Herstellung eines dünnen Glasfilms, wie einer Sol-Gel-
Methode oder durch Sputtern. Das heißt, daß der
funktionelle Hohlleiterfilm durch eine solche andere
Methode hergestellt wird, während die restlichen Teile des
optischen Hohlleiters gemäß der vorliegenden Erfindung
mittels FHD hergestellt werden mittels dem man das Glas,
enthaltend sehr wenig Verunreinigungen, mit einer hohen
Produktionsrate herstellen kann.
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Die Sol-Gel-Methode ist aus dem Stand der Technik bekannt
und umfaßt im allgemeinen das Hydrolysieren und
Polymerisieren eines Siliciumalkoxids (z.B. Si(OCH&sub3;)&sub4;,
Si(OC&sub2;H&sub5;)&sub4;, Si(OC&sub3;H&sub7;)&sub4;, usw.) in einem Alkohol (z.B.
Methanol, Ethanol, Propanol, usw.) unter Entfernung von
Wasser, wobei man einen Sollösung erhält, Auftragen der
Sollösung auf einen Träger und Erhitzen und Trocknen bei
einer Temperatur von beispielsweise 500 bis 1000ºC unter
Ausbildung eines dünnen Glasfilms. Da das Glas keiner hohen
Temperatur bei dieser Sol-Gel-Methode ausgesetzt wird, wird
das funktionelle Material in einfacher Weise zu dem
synthetisierten Glas zugegeben. Da darüber hinaus das
funktionelle Material einfach zu der Sollösung gegeben
wird, wird es gleichmäßig zu dem synthetisierten Glas in
einer hohen Konzentration zugefügt.
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Wird der funktionelle Hohlleiterfilm in einem Teil des
Kernteils oder des Teils mit dem niedrigeren Brechungsindex
gebildet, dann wird er selektiv an einem gewünschten Teil
mittels einer Fotoresist-Methode ausgebildet, umfassend das
Ausbilden eines Fotoresistfilmes mit einem Hohlleitermuster
auf dem Träger oder ein reaktives Ätzen, umfassend das
chemische Entfernen von ungewünschten Teilen des Glases.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Silicium-Wafer oder
ein Quarzglas als Träger verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird in den folgenden Beispielen
beschrieben.
Beispiel 1
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Fig. 2 zeigt die Stufen einer Ausführungsform des
Verfahrens zur Herstellung eines funktionellen optischen
Hohlleiters aus Quarz gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Wie in Fig. 2 gezeigt wird, wird ein Silicium-Wafer 11
zur Verfügung gestellt (Stufe (a)). Auf den Wafer 11 wurde
eine pufferschicht 12 aus einem SiO&sub2;-P&sub2;O&sub3;-B&sub2;O&sub3;-Glasfilm
mit einer Dicke von 20 um mittels FHD gebildet, indem man
SiCl&sub4; zusammen mit POCl&sub3; und BCl&sub3; in einer Sauerstoff-
Wasserstoff-Flamme zuführte unter Ausbildung eines Glas-
Soot-Films auf dem Wafer und Erhitzen des Glas-Soot-Films
auf 1250ºC in einer Heliumatmosphäre, enthaltend 10 %
Sauerstoff für 2 Stunden mit Verglasen des Glasfilms (Stufe
(b)).
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Ein Resistfilm 13 wurde auf Teilen, auf denen ein Kernteil
mittels einer Fotoresist-Methode nicht ausgebildet werden
würde, ausgebildet, indem man einen Film aus einem Resist
mit einer Dicke von 8 um durch Spin-Beschichtung auf der
pufferschicht 12 ausbildete, eine Fotomaske mit einem
Hohlleitermuster auf dem Resistfilm auflegte, mit UV-Licht
bestrahlte, und in eine Entfernungsflüssigkeit zur
Entfernung des Resistfilms auf dem Kernteil eintauchte
(Stufe (c)).
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Dann wurde ein Er-gedopter Glasfilm 14 mit einer Dicke von
8 um, enthaltend 3 Gew.-% Er und GeO&sub2; in einer
Konzentration, die einem 0,34 %igen Anstieg des
Brechungsindexes des reinen Quarzes entspricht, mittels der
Sol-Gel-Methode ausgebildet, das heißt, indem man ein Sol
aufbrachte, der hergestellt wurde durch Hydrolyse einer
Lösung von Siliciumethoxid, Titanisopropoxid, Ethanol und
Chlorwasserstoffsäure, enthaltend Erbiumchlorid durch eine
Spin-Beschichtung und Erhitzen an der Luft bei 300ºC
während 1 (einer) Stunde (Stufe (d)). Anschließend wurde
der Resistfilm 13 durch Eintauchen des Wafers in eine
Entfernungsflüssigkeit entfernt unter Ausbildung eines
Kernteils 15, bestehend aus dem Er-gedopten Glasfilm, der
durch die Sol-Gel-Methode (Stufe (e)) ausgebildet wurde.
Schließlich wurde zum Umgeben des Kernteils 15 ein
Überzugsfilm 16 aus einem Quarzglasfilm mit einer Dicke von
40 um mittels FHD unter den gleichen Bedingungen wie vorher
angegeben unter Erhalt eines funktionellen optischen
Hohlleiters 17 ausgebildet.
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Da der Kernteil 15 des hergestellten optischen Hohlleiters
17 aus einem Er-gedopten Glas hergestellt ist, hat er eine
Laser-Erzeugungsfunktion. Wird beispielsweise ein
Signallicht mit einer Wellenlänge von 1,55 um in den
optischen Hohlleiter 17 zusammen mit einem
Verstärkungslaserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,47 bis
1,49 um eingeführt, dann wird das Signallicht mit der
Wellenlänge von 1,55 um verstärkt.
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Da der Er-gedopte Glasfilm durch die Sol-Gel-Methode
ausgebildet wurde, hat der Hohlleiter eine stärkeren
Verstärkungswirkung als ein Glasfilm enthaltend die gleiche
Konzentration an Er, aber hergestellt alleine durch FHD.
Beispiel 2
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Fig. 3 zeigt die Stufen einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung eines funktionellen
optischen Hohlleiters aus Quarz gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie in Fig. 3 gezeigt wird, wurde ein Silicium-Wafer 21
zur Verfügung gestellt (Stufe (a)). Auf den Wafer 21 wurde
eine Pufferschicht 22 aus einem Quarzglasfilm mit einer
Dicke von 20 um mittels FHD hergestellt (Stufe (b)). Auf
der Pufferschicht 22 wurde durch die Sol-Gel-Methode ein
CdS-gedopter Glasfilm 23 mit einer Dicke von 8 um und
enthaltend 1 Gew.-% CdS als feine Teilchen eines
Halbleiters und GeO&sub2; in einer Konzentration, die einer
0,34 %igen Erhöhung des Brechungsindexes von Quarzen
entsprechen, gebildet. Ein Resistfilm 24 wurde nur auf dem
Teil, der dem Kernteil entspricht, mittels einer
Fotoresistmethode ausgebildet (Stufe (d)). Dann wurden
unnötige Teile des Glasfilms 23 durch RIE unter Verwendung
von C&sub2;F&sub6; als Ätzgas entfernt, so daß der Kernteil 25
zurückblieb (Stufe (e)). Schließlich wurde der Kernteil 25
mit einem Überzugsteil 26, hergestellt aus einem
Quarzglasfilm mit einer Dicke von 40 um und ausgebildet
durch FHD umgeben unter Erhalt eines funktionellen
optischen Hohlleiters 27.
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Da der funktionelle optische Hohlleiter 27 einen Kernteil
25 hat, der aus einem CdS-gedopten Glasfilm hergestellt
wurde, hat er eine nichtlineare optische Wirkung und kann
als ein Schaltelement verwendet werden.
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Obwohl in den Beispielen 1 und 2 das funktionelle Material
in den Kernteilen 15 und 25 gedoped war, kann der
erfindungsgemäße funktionelle optische Hohlleiter
hergestellt werden, indem man selektiv die unterste Schicht
oder die oberste Schicht der Kernteile 15 und 25 oder die
oberste Schicht der Pufferschichten 12 und 22 unterhalb
der entsprechenden Kernteile 15 und 25 oder die unterste
Schicht der Überzugsschichten 16 und 26 über den
Kernteilen 15 und 25 doped.