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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Lochs zum
Einpassen von beispielsweise einer optischen Faser bei einem Kern eines optischen
Wellenleiters durch einen Laserstrahl.
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Eine optische Kommunikation kann eine große Menge von Information mit hoher
Geschwindigkeit übertragen. Daher wird sie auf verschiedenen Gebieten als
Basisschaltungen für Telefonkommunikationen, LAN-(Lokalbereichsnetz-)Schaltungen,
Datenkommunikationen zwischen Vorrichtungen oder ähnlichem verwendet. Eine optische
Faser ist ein Medium zum Übertragen von Signalen bei optischen Kommunikationen
und die Vernetzung (eine Verzweigung und ein miteinander Verbinden) von
Lichtstrahlen tritt durch Kombinieren der optischen Faser mit einem optischen Wellenleiter
auf.
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Zum effektiven Einführen eines Lichtstrahls in eine optische Faser über einen
optischen Wellenleiter oder zum effektiven Einführen eines Lichtstrahls von einer
optischen Faser in einen optischen Wellenleiter ist es nötig, dass der Kern der optischen
Faser und derjenige des optischen Wellenleiters genau angepasst oder in
Übereinstimmung gebracht sind.
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Jedoch ist, obwohl der Durchmesser des Kerns der optischen Faser von seiner Art
abhängt, in dem Fall von beispielsweise einer optischen Monomodefaser aus Quarz
eher einige oder mehrere um. Daher wird eine Stufenvorrichtung, die sich mit einer
sehr feinen Genauigkeit und über eine relativ lange Zeit hinweg bewegt, zum
Einstellen des Kerns auf den Kern eines optischen Wellenleiters benötigt.
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Dann sind im Stand der Technik Verfahren zum Einstellen des Kerns einer optischen
Faser und desjenigen eines optischen Wellenleiters durch Verwenden einer
konvexkonkaven Einfügung bereits bekannt, wie es beispielsweise in JP-A-Hei 5-11134
(1993) und Hei 2-33105 (1990) offenbart ist. Weiterhin sind Verfahren zum Bilden
eines Lochs zum Einpassen des Kerns einer optischen Faser bei einer Fokusposition
in JP-A-Hei 7-244222 (1995) und Hei 7-248428 (1995) offenbart.
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Bei der Offenbarung von JP-A-Hei 5-11134 (1993) ist ein Loch zum Einpassen bei
dem Kernteil eines optischen Wellenleiters mit einer Mikroverdrillung, einem Mikro-
Endzuschneiden und einem Elektroablagerungsschleifen ausgebildet.
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In der Offenbarung von JP-A-Hei 7-244222 (1995) und Hei 7-248428 (1995) ist eine
Konkavität durch Pressen eines erhitzten konischen Diamant-Druckelements an die
Endoberfläche einer Linse ausgebildet, und eine Konvexität, die an der
Punktoberfläche einer optischen Faser ausgebildet ist, ist in die obige Konkavität eingepasst.
In der Offenbarung von JP-A-Hei 2-33105 (1990) wird durch Übertragen eines
Überwachungsstrahls, der auf die Kernschicht von einer Endoberfläche der Kernschicht
eines optischen Wellenleiters einfällt, und durch Bezugnahme auf den
Überwachungsstrahl, der von der anderen Endoberfläche eines optischen Wellenleiters
emittiert wird, ein CO&sub2;-Laser dem Überwachungsstrahl überlagert, um eine Konkavität
zum Einfügen einer optischen Faser in den Kernteil auszubilden.
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Alle der in JP-A-Hei 5-11134 (1993), Hei 7-244222 (1995) oder Hei 7-248428 (1995)
offenbarten Verfahren sind nicht für eine Massenherstellung geeignet, da sie
Feinbearbeitungsprozesse erfordern.
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Beim Verfahren, das einen Laserstrahl verwendet, wie es in JP-A-Hei 2-33105 (1990)
offenbart ist, ist es nötig, eine Fokusposition durch Bezugnahme auf einen Überwachungsstrahl
zu bestätigen und durch Feineinstellen der Position eines optischen
Wellenleiters auf der Stufenvorrichtung durch sehr feine Bewegungen etc. eine
Verarbeitung durchzuführen. Daher dauert es eine lange Zeitperiode, was in einer
schlechten Ergiebigkeit resultiert.
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JP-A-08-68415 entsprechend WO-A-97/35813 offenbart ein
Laserverarbeitungsverfahren, das auf Silber dotiertes Glasmaterial angewendet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Lösen von solchen Nachteilen, wie sie
oben angegeben sind, ein Laserverarbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Lochs
in einem optischen Wellenleiter geschaffen.
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Zum Erreichen der obigen Verarbeitung ist es nötig, dass die Absorptionskennlinien
des Kerns in Bezug auf den Laserstrahl proportional zum Brechungsindex variieren.
Ebenso ist es nötig, dass Silber in der Form von beispielsweise Ag-Atomen, Ag-
Kolloiden oder Ag-Ionen in den Kernteil eingeführt wird.
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Durch Vorsehen des Teils, der gute Absorptionskennlinien in Bezug auf den
Laserstrahl hat, wird es möglich, auch einen Excimer-Laser einschließlich eines XeF-
Laser; einen Nd : YAG-Laser; einen Ti : Al&sub2;O&sub3;-Laser und Harmonische davon zu
verwenden, und einen Lichtstrahl, der in Bezug auf seine Wellenlänge umgewandelt
wird; oder einen Pigment-Laser; obwohl herkömmlich ein Laserstrahl, der ein Loch
durch Einstrahlung auf Glas ausbilden kann, auf einen Excimer-Laser einschließlich
eines ArF-Lasers, der bei einer Wellenlänge von 193 nm arbeitet, oder einen CO&sub2;-
Lasers beschränkt worden ist.
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Die obigen Laserstrahlen können als Ergebnis dessen, dass sie einen niedrigen
Absorptionsindex davon in Bezug auf das Substrat haben, das den optischen
Wellenleiter aufweist, ein Loch bei nur dem Kernteil auf einfache Weise ausbilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1(a) bis (h) sind Zeichnungen zum Erklären des Prozesses zum Ausbilden des
Kernteils beim Glassubstrat, das der optische Wellenleiter wird;
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Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung für den ersten
Ionenaustausch;
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Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung für den zweiten
lonenaustausch;
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Fig. 4 ist eine Zeichnung zum Erklären der Ionenmigration beim zweiten
lonenaustausch;
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Fig. 5 zeigt die Situation, bei welcher der Laserstrahl auf den durch das in Fig.
1 gezeigte Verfahren hergestellten optischen Wellenleiter gestrahlt wird;
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Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des optischen Wellenleiters,
der durch den Laserstrahl verarbeitet wird; und
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Fig. 7 ist dieselbe Zeichnung wie Fig. 5 gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel.
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Hierin nachfolgend wird eine detaillierte Erklärung der Ausführungsbeispiele gemäß
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
angegeben.
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Wie es in Fig. 1 (a) gezeigt ist, wird ein Metallfilm auf einer Oberfläche eines
Glassubstrats ausgebildet, das meistens aus SiO&sub2;-B&sub2;O&sub3;-Al&sub2;O&sub3;-Na&sub2;O hergestellt ist, und
zwar durch Verdampfung. Wie es in Fig. 1(b) gezeigt ist, wird ein Schutzschichtfilm
über den Metallfilm beschichtet. Wie es in Fig. 1(c) gezeigt ist, wird der
Schutzschichtfilm mit Belichtungs- und Entwicklungsprozessen durch Photolithographie
behandelt, und ein Wellenleitermuster wird ausgebildet. Wie es in Fig. 1(d) gezeigt ist,
wird durch Ätzen des Metallfilms über dem Schutzschichtfilm ein Wellenleitermuster
auf dem Metallfilm ausgebildet. Weiterhin wird, wie es in Fig. 1(e) gezeigt ist, der
Schutzschichtfilm entfernt, und nur der Metallfilm wird auf der Oberfläche des
Glassubstrats gelassen.
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Der erste Ionenaustausch wird auf dem Glassubstrat mit einer
Ionenaustauschvorrichtung ausgeführt, die in Fig. 2 gezeigt ist. In der Ionenaustauschvorrichtung ist ein
Gefäß aus Quarz mit geschmolzenem Salz gefüllt, das eine Mischung aus Silbernitrat
und Natriumnitrat, gemischt mit 50 Mol-% - 50 Mol-%, ist, und das obige
Glassubstrat wird für 12 Minuten in das geschmolzene Salz getaucht, von welchem die
Temperatur mittels eines Elektroofens auf 300ºC gehalten wird. Dann werden Na-Ionen
(ein positives Ion einer Monovalenz) auf der Oberfläche des Glassubstrats eluiert und
werden, wie es in Fig. 1(f) gezeigt ist, Ag-Ionen im geschmolzenen Salz in das
Glassubstrat diffundiert. Die Dicke der Schicht, in welche die Ag-Ionen diffundiert werden,
wird durch einen Röntgenstrahl-Mikroanalysator gemessen und es wird gefunden,
dass sie etwa 3 um ist.
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Danach wird, wie es in Fig. 1 (f) gezeigt ist, der Metallfilm (eine Maske) entfernt, und
der zweite Ionenaustausch wird an dem Glassubstrat mit einer in Fig. 3 gezeigten
Ionenaustauschvorrichtung ausgeführt. Bei der Ionenaustauschvorrichtung ist ein
Gefäß mit geschmolzenem Salz gefüllt, das eine Mischung aus Natriumnitrat und
Natriumnitrid, gemischt mit 37,5 Mol-% - 62,5 Mol-%, ist, werden eine positive
Elektrode und eine negative Elektrode dort hinein getaucht und wird der Ionenaustausch
für eine Stunde ausgeführt, während ein elektrisches Feld von 150 V/mm über dem
Gefäß unter einer Temperatur von 260ºC eingeprägt wird.
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Durch Ausführen des Ionenaustausches während eines Einprägens eines
elektrischen Felds, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, wird, obwohl einige der Ag-Ionen mit Na-
Ionen ausgetauscht werden, die Majorität in das Glassubstrat diffundiert.
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Durch die obige Verarbeitung wird, wie es in Fig. 1(h) gezeigt ist, ein Teil, in welchem
die Konzentration von Ag-Ionen dicht ist, im Glassubstrat ausgebildet, und wird
dieser Teil ein Kern mit hohem Brechungsindex, in welchem ein Lichtstrahl übertragen
wird, und wird ein optischer Wellenleiter erhalten. Beim Messen des Durchmessers
des Kerns wird gefunden, dass er etwa 3 um ist.
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Als nächstes wird, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, ein Laserstrahl auf eine Endfläche des
oben beschriebenen optischen Wellenleiters gestrahlt. Beim Bestrahlungsprozess
wird der Fokus des Laserstrahls von der Endfläche des optischen Wellenleiters weg
abgewinkelt, und ein breiterer Bereich mit dem Kern und seiner Peripherie wird
bestrahlt.
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Als Laserstrahl wird eine dritte (3) Harmonische (Wellenlänge von 355 nm) eines Nd-
YAG-Lasers verwendet. Die Impulsbreite des Laserstrahls ist etwa 10 nsek, die Wiederholfrequenz
ist 5 Hz und der Durchmesser des Laserstrahls ist etwa 6 mm, bevor
er auf eine Fokussierlinse eingestrahlt wird. Zum Erhöhen der Energiedichte wird der
Laserstrahl mit der Linse (Brennweite: 100 mm) kondensiert und auf die
Endoberfläche des optischen Wellenleiters gestrahlt. Der Durchmesser davon ist an der
Endoberfläche des optischen Wellenleiters 500 um.
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Beim obigen optischen System wird durch Erhöhen der Energie des Laserstrahls
Schritt für Schritt eine Ablation bzw. Abtragung beim Kernteil auftreten, wenn die
Energie des Laserstrahls dahin gelangt, etwa 30 mJ/Impuls zu werden, und 5 Impulse
davon bestrahlt worden sind. Als Ergebnis wird, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, ein Loch,
dessen Außendurchmesser etwa 3 um ist und dessen Tiefe etwa 2 um ist, beim
Kernteil des optischen Wellenleiters ausgebildet. Wie es oben beschrieben ist, kann
deshalb, weil der Kerndurchmesser einer optischen Faser einige oder mehrere um
ist, der Kern der optischen Faser über dieses Loch auf einfache Weise in dem Kern
des optischen Wellenleiters eingepasst werden.
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Wie es oben erklärt ist, ist es durch die vorliegende Erfindung nicht nötig, die
Fokusposition des Laserstrahls genau an die Endfläche des Glassubstrats anzupassen
oder mit dieser in Übereinstimmung zu bringen. Daher kann durch näherungsweises
Einstellen in eine willkürliche Position mit einigem Ausmaß an Abtrift auf den Bereich
gestrahlt werden, der den Kern enthält. Danach wird die Energie des Laserstrahls
Schritt für Schritt erhöht und wird die Intensität des Laserstrahls fixiert, wenn die
Ablation beim Kernteil auftritt.
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Weiterhin kann, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, der Strahlungswinkel des Laserstrahls in
Bezug auf die Endfläche des Glassubstrats schräg sein.
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Durch schräges Strahlen des Laserstrahls, wie es bei diesem Ausführungsbeispiel
gezeigt ist, ist es möglich zu verhindern, dass der Laserstrahl in den Kern eintritt, und
eine Beschädigung am Inneren des Kern zu vermeiden. Jedoch ist es in einem Fall,
in welchem der Laserstrahl vom oberen Teil des optischen Wellenleiters einfällt, da
es die Möglichkeit gibt, dass der Kern außer der Endfläche beschädigt werden kann,
nötig, die Strahlungsposition zu berücksichtigen.
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Der Laserstrahl ist nicht auf eine dritte (3) Harmonische (Wellenlänge: 355 nm) eines
Nd-YAG-Lasers beschränkt, und es ist möglich, einen Excimer-Laser zu verwenden,
einschließlich eines XeF-Lasers, etc., eine zweite (2) Harmonische (Wellenlänge:
532 nm) eines Nd : YAG-Lasers, einen Ti : Al&sub2;O&sub3;-Laser und eine Harmonische davon
und einen Lichtstrahl, der in Bezug auf seine Wellenlänge umgewandelt ist, oder
einen Pigmentlaser.
Vergleich
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Als optischer Wellenleiter werden Thalliumionen eingeführt, und ein Laserstrahl wird
auf die Endfläche des optischen Wellenleiters im optischen System gestrahlt, das in
Fig. 5 gezeigt ist.
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Die Ablation tritt an der Endfläche des optischen Wellenleiters auf, wenn die Energie
des Laserstrahls dahin gelangt ist, 80 mJ/Impuls zu werden, und 5 Impuls davon
bestrahlt worden sind. Als Ergebnis verdampft nicht nur sein Kernteil, sondern auch der
Mantelteil um ihn, und das Loch, das gebildet wird, ist als Loch zur Einpassung
ungeeignet.
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Wie es oben erklärt ist, ist es durch die vorliegende Erfindung im Fall eines
Ausbildens eines Lochs zum Einpassen einer optischen Faser, etc. zum Kernteil durch
Strahlen eines Laserstrahls auf eine Endfläche des optischen Wellenleiters, durch
Überlegenmachen der Absorptionskennlinien des Kerns in Bezug auf den Laserstrahl
gegenüber den Absorptionskennlinien der umgebenden Teile, Strahlen des
Laserstrahls aus dem Bereich mit dem Kern mit einigem Maß an Abtrift, weiterhin durch
Einstellen der Intensität des Laserstrahls auf einen Wert, der größer als ein
Schwellenwert ist, der ausreichend ist, um eine Fusion, eine Verdampfung oder eine
Ablation am Kern zu verursachen, und der kleiner als bei den umgebenden Bereichen ist,
möglich, ein Loch nur beim Kernteil ohne genaues Einstellen des Fokus des
Laserstrahls in Bezug auf die Position des Kerns auszubilden, und folglich ist es möglich,
eine Produktivität bei einer Herstellung stark zu erhöhen.
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Durch Einführen von Silber in das Substrat, das den optischen Wellenleiter aufweist,
mittels des Ionenaustauschs, etc. in der Form von Ag-Atomen, Ag-Kolloiden oder Ag-
Ionen ist es möglich, den Brechungsindex und die Absorptionskennlinien des Kerns
in Bezug auf den Laserstrahl gleichzeitig zu erhöhen.
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Weiterhin ist es durch Erhöhen der Absorptionskennlinien in Bezug auf den
Laserstrahl möglich, einen Excimer-Laser, einen Nd : YAG-Laser, einen Ti : Al&sub2;O&sub3;-Laser und
eine Harmonische davon zu verwenden, und einen Lichtstrahl, der in Bezug auf
seine Wellenlänge umgewandelt ist, oder einen Pigment-Laser, die bisher nicht zum
Verarbeiten von Glas verwendet werden konnten.