DE2418994A1 - Wellenleiterstruktur mit duennschichtfilter und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Wellenleiterstruktur mit duennschichtfilter und verfahren zu deren herstellung

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Description

Wellenleiterstruktur mit Dünnschichtfilter und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenleiterstruktur bestehend aus einer auf einem Substrat aufgebrachten wellenleitenden Schicht mit einem eingebauten Dünnschichtfilter.
Bekannt sind aus Aufsätzen von Miller (The Bell System Technical Journal, Vol. 48, 1969, S. 2059 ff) und E.A. Aschmoneit (Elektrotechnische Zeitschrift, B. 22, 1970, S. 499 ff) Wellenleiterstrukturen mit integriert aufgebauten Modulatoren, Laserverstärkern und Koppelvorrichtungen sowie Verfahren zu deren Herstellung.
Aufbau und Eigenschaften von Vielfachschichten sind z.B. in dem Buch "Thin Films Optical Filters" von H.A. Macleod, Adam Hilger Ltd» London5 1969 beschrieben. Nach der dort genannten Theorie können Vielfachschichtensysteme aus dielektrischen dünnen Schichten aufgebaut werden: welche die spektralen oder Polarisationseigenschaftexi optischer Strahlung in gezielter-Weise verändern (gJ, schmarbanaige Interferenzfilter Strahlteilerp Vergütungsschichten) oder als' Reflektoren dienen»
Aufgabe der Erfindung ist ess für die optische Nachrichtentechnik eine Wellenleiterstruktur mit einem Dünnschichtfilter zu schaffen und einfache Verfahren zu deren Herstellung anzugeben
Diese Aufgabe wird erfindungsgeinäß dadurch gelösts daß das Dünnschichtfilter integriert in der Wellenleiterstrüktur ent-
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halten ist und die Form eines senkrecht oder schräg zur Oberfläche der wellenleitenden Schicht angeordneteI1Vielfachschichtensystems mit unterschiedlich "brechenden Schichten aufweist.
Damit die obengenannten Einflüsse auf die in der v/ellenleitenden Schicht geführten Lichtwellen erreicht werden, werden unter anderem die Brechungsindizes, die Schichtdicken und der Lichteinfallswinkel auf das Vielfachschichtensystem nach den z.B. in dem obengenannten Buch von Macleod gegebenen Vorschriften gewählt.
Der Aufbau eines Polarisators für die am Vielfachschichtensystem reflektierten bzw. transmittierten Lichtwellen sowie der Aufbau eines spektral-selektiven Filters mit der Anzahl der hoch- und niedrigbrechenden Schichten9 deren Brechungsindizes sowie deren Neigung zur Ausbreitungsrichtung der in der wellenleitenden Schicht geführten Lichtwellenj ist z.B. den in der Patentanmeldung P 22 52 826.3 genannten Beziehungen zu entnehmen.
Für einen nichtpolarisierenden Strahlteiler von in der wellenleitenden Schicht geführten Lichtwellen mit einer Wellenlänge
p, Q weisen alle Schichten des Yielfachschichtensystems die gleiche effektive optische Dicke auf, die gleich einem ungeraden Vielfachen von 7l n/4- ist. Die Neigung der Oberfläche des Yielfachschichtensystems ist so gewählt, daß das Reflexionsvermögen für die senkrecht und parallel zur Einfallsebene schwingenden Komponenten der auf das Vielfachschichtensystem einfallenden Strahlung gleich sind. Einzelheiten dazu sind in der Patentanmeldung P 23 32 254=5 beschrieben»
Der Vorteil eines als Vielfachschichtensystem ,ausgebildeten integriert aufgebauten Dünnschichtfilters besteht darin, daß für jede spezielle Aufgabe Winkel der Richtungsänderung der
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geführten Wellen beim Strahlteiler, die Frequenzselektion beim spektral-selektiven Filter und der Polarisationsgrad beim Polarisator in einer einige Wellenlänge dicken wellenleitenden Schicht genau vorgegeben werden !können.
Das Vielfachschichtensystem ist vorteilhafterweise auf einer senkrechten oder angeschrägten Fläche einer in ein Substrat eingefrästen Nute und auf einer mit dieser Fläche fluchtenden Fläche eines auf dem Substrat angeordneten Quaders bzw. Keiles aufgebracht. Der Aufbau der Nute läßt sich für alle Neigungswinkel mit einer einzigen Fräsmaschine herstellen.
Bin alternativer Aufbau, bei welchem die wellenleitende Schicht durch Ionenimplantation oder Diffusion hergestellt ist, besteht darin, daß das Vielfachschichtensystem durch das gesamte Substrat hindurchläuft.
Bei diesen beiden Anordnungen muß das Vielfachschichtensystem, wie weiter unten ausgeführt wird, zur Ausbildung einer ebenen Oberfläche der wellenleitenden Schicht poliert werden.
Dies wird bei einem Aufbau vermieden, bei welchem zwei senkrecht oder schräg zerschnittene Substratteile mit einem Vielfachschichtensystem zwischen den senkrecht bzw. schräg verlaufenden Oberflächen auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sind.
Bei kleinen Einfallswinkeln des Lichtes auf das Vielfachschichtensystem ist dieses vorteilhafterweise senkrecht zur seitlichen Begrenzung der wellenleitenden Schicht und schräg in ihrer Oberfläche über die gesamte Breite der wellenleitenden Schicht angeordnet.
Bei großen Einfallswinkeln dagegen ist das Vielfachschichtensystem vorteilhafterweise schräg zur seitlichen Begrenzung
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und senkrecht zur Oberfläche der v/ellenleitenden Schicht angeordnet.
Der Aufbau mit der Nute in der Substratoberfläche wird vorteilhafterweise derart hergestellt, daß zeitlich nacheinander in die Oberfläche eine einseitig unter einem Winkel abgeschrägte Nute eingefräst wird, ein an die Abschrägung anschließender Keil mit einem dem Abschrägungswinkel entsjjrechenden Keilwinkel angesprengt wird, daß auf die abgeschrägten Flächen der Nute und des Keiles unter Abdeckung der abgeschrägten Fläche der der Nute gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates das Vielfachschichtensystem aufgebracht v/ird, daß danach auf die unter der Abdeckung liegende Oberfläche des Substrates die wellenleitende Schicht aufgebracht wird und daß schließlich das Vielfachschichtensystem zusammen mit dem anschließenden Keil parallel zur Substratoberfläche planpoliert wird.
Der alternative Aufbau, bei welchem das Vielfachschichtensystem die zwei Substratteile von der Ober- bis zur Unterfläche schräg durchläuft, wird insbesondere dadurch hergestellt, daß zunächst ein quaderförmiges Substrat unter einem Winkel ^=. 90 zerschnitten wird, von den beiden entstandenen Substratteilen auf das erste an der angeschrägten Oberfläche des Vielfachschichtensystems aufgebracht wird, darauf das zweite Substratteil mit seiner angeschrägten Oberfläche derart aufgebracht v/ird, daß eine gemeinsame aus den beiden Substratteilen und dem Vielfachschichtensystem bestehende ebene Oberfläche entsteht, daß danach der entstandene Block parallel zu seiner Grundfläche zerschnitten wird und daß in der obengenannten Oberfläche durch Ionenimplantation oder Diffusion eine dünne Zone, eventuell in einer vorgegebenen Form, mit einem gegenüber dem Substratmaterial erhöhten Brechungsindex erzeugt wird.
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Me Substratdicke wird hierbei so gewählt, daß wieder eine hinreichend große Aufdampffläche für das Vielfachschichtensystem entsteht.
Der alternativ genannte Aufbau mit der zusätzlichen Grundplatte v/ird vorteilhafterweise dadurch hergestellt, daß zunächst ein quaderförmiges Substrat mit zwei polierten gegenüberliegenden Oberflächen unter einem Winkel ^. 90 zerschnitten wird, daß die beiden Schnittflächen poliert werden, daß auf diese polierten Schnittflächen mit einer leicht löslichen Schicht versehene Glasplatten mit ihren beschichteten Oberflächen aufgebracht werden, daß auf die den Schnittflächen benachbarten Oberflächen, welche vor dem Zerschneiden des Substrates eine gemeinsame Oberfläche bildeten, eine wellenleitende Schicht aufgebracht wird, daß nach dem Ablösen der Glasplatten von den beiden Substratteilen auf die Schnittfläche eines Substratteiles und der daran anschließenden wellenleitenden Schicht das Yielfachschichtensystem aufgebracht wird und daß schließlich die beiden Substratteile zusammengesprengt oder gekittet und auf eine Grundplatte aufgesprengt werden, derart, daß die beiden Wellenleiterschichten miteinander fluchten.
Weitere Erläuterungen folgen an Hand der nachfolgenden Figurenbeschreibungo
Die Figuren 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele für in einer Wellenleiterstruktur integriert angeordnete Dünnschichtfilter
die Figuren 4 bis 10 Verfahrensschritte zu deren Herstellung.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist zwischen zwei Substratteilen 1 und 2 eines quaderförmigen Substrates und zwischen den auf den Substratteilen 1 und 2 angeordneten wellenleitenden Schichten 3 und 4 ein Vielfachschichtensystem 5 angeordnet. Dieses besteht aus einer Folge von hoch- und niedrigbrechen-
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den dielektrischen Schichten mit effektiven optischen Schichtdicken von jeweils Aq/4, wobei AQ die Vakuumwellenlänge des in der wellenleitenden Schicht 3 ankommenden Lichtes ist. Die wellenleitenden Schichten 3 und 4 weisen einen Brechungsindex auf, welcher größer ist als der dar Substratteile 1 und 2. Das Vielfachschichtensystem 5 v/eist mit der Grundfläche des Substrates 2 einen Winkel θ2 < 90° und mit der seitlichen Begrenzungslinie der v/ellenleitenden Schicht einen Winkel Θ., = auf.
Falls das Vielfachschichtensystem 5 als frequenzselektives Filter wirken soll, enthält das gemäß dem Pfeil 6 auf das Vielfachschichtensystem unter dem Winkel 9O0-"^ auf treffende weiße Licht nach dem Durchtritt durch das Vielfaehschichtensystem in der Richtung 7 nur mehr ein schmales Frequenzband.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist in einem Substrat 8 eine Nute mit einer unter dem Winkel θ 3 angeschrägten Innenfläche 9 und auf einer unter dem Winkel Q. — Θ·, angeschrägten Seitenfläche 11' eine auf der Substratoberseite 10 angeordneten Schicht 11 ein Vielfachschichtensystem 12 aufgebracht. Die schräge Innenfläche 9 der Nute und die schräge Außenfläche 11' der Schicht 11 fluchten miteinander. Auf der linken Seite des Substrates 8 ist eine wellenleitende Schicht 13 angeordnet. Die Schicht 13 und die Schicht 11 haben den gleichen Brechungsindex, v/elcher höher ist als der Brechungsindex des Substrates 8, damit das an der Wellenleiterschicht 13 in der Richtung 14 geführte Licht nach dem Durchtritt durch das Vielfachschichtensystem 12 in der gleichen Richtung 15 weiter'—-"läuft.
Sowohl zur Realisierung von Strahlteilern als auch der einfacheren Herstellung der wellenleitenden Schichten bei großen Einfallswinkeln v/egen, d.h. bei kleinen den Winkeln θρ bzw. θ~ entsprechenden Winkeln der Figuren 1 und 2 ist eine Anordnung von Vorteil, welche in der Figur 3 dargestellt ist«, Hier sind
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auf einer Grundplatte 16 zwei einen Quader ergebende Substratteile 17 und 18 mit einem dazwischenliegenden Vielfachschiehtensystem 19 angeordnet. Das Vielfachschichtensystem v/eist einen Winkel 9,- = 90° zur Grundfläche der Grundplatte 16 auf. Auf den beiden Substratteilen 17 und 18 sind zu beiden Seiten des über diese Substratteile hinausragenden Vielfachschichtensysteins 19 zwei wellenleitende Schichten 20 und 21 angeordnet. Das Vielfachschichtensystem 19 weist zur seitlichen Begrenzungskante der beiden Wellenleiterschichten 20 und 21 einen Winkel Qg auf.
Zum leichteren Aufbau einer solchen Vorrichtung mit der Grundplatte 16 sei hier erwähnt, daß eine ebensolche Grundplatte in dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel unter den Substratteil 1 und 2 angeordnet v/erden kann.
Mit der in der Figur 3 dargestellten Vorrichtung soll aus nichtpolarisierten monochromatischen Licht 22 durch das Interferenzschichtensystem 19 linear polarisiertes Licht 23 erzeugt werden. Für die Glasbauteile 16, 17 und 18 mit einem Brechungsindex von n^ = 1,44 und für wellenleitende Schichten 20 und 21 mit einem Brechungsindex n^ = 1,47 ist ein Winkel von Qr - 36 erforderlich, damit die Brewsterbedingung an den Grenzflächen der hoch- und niedrigbrechenden Teilschichten mit den Brechungsindizes Hj100V, = ?>35 und n nieflrjn· = 1»38 des Vielfachschichten-
systems 19 erfüllt ist. Der Winkel 9 6= 36° entspricht einem Einfallswinkel 9 7= 54°. Der auf das Vielfachschichtensystem auffallende Lichtstrahl 22 weist die aufeinandersenkrecht stehen-
den Schwingungsrichtungen 24 und 25 auf. Nach dem Durchdringen des Vielfachschichtensystems 19 weist der Strahl 23 nur mehr die Schwingungsrichtung 25 und der am Vielfachschichtensystem reflektierte Strahl 26 nur mehr die Schwingungsrichtung 24 auf. Der Strahl 26 verläuft in der wellenleitenden Schicht 20, so daß diese Anordnung als polarisierender Strahlteiler verwendet werden kann.
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In den Figuren 4 und 5 sind schematisch die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung der in der Figur 1 gezeigten Vorrichtung dargestellt. Gemäß der Figur 4 wird ein quaderförmiger Glasbauteil unter einem Winkel θ 2 zerschnitten. Auf die schräge Fläche 27 des entstandenen Teiles 2 wird ein Vielfachschichtensystem 5 im Hochvakuum aufgedampft und anschließend der Teil 1 aufgebracht.
Diese Vorrichtung wird längs der Schnittebene A-A1 zersägt und auf der entstehenden durchgehenden Ebene poliert. Durch Ionenimplantation oder Diffusion in diese Oberfläche wird gemäß Figur 5 in einer dünnen Zone 28 der Oberfläche eine Brechungsindexerhöhung erzielt, so daß sich eine zusammenhängende Wellenleiterstruktur ergibt.
In der Figur 6 wird ein Verfahren zur Herstellung der in der Figur 2 dargestellten Anordnung gezeigt. In ein quaderförmiges Glassubstrat 8 wird eine Nut mit einer schräg verlaufenden Innenfläche 9 erzeugt. Diese schräge Fläche weist einen Winkel θ·ζ zur Grundfläche des Substrates 8 auf. An die Schrägfläche 9 fluchtend wird ein Keil 28 auf die Oberfläche des Substrates 8 aufgesprengt oder aufgedampft. Anschließend wird unter Abdeckung der links von der Nute liegenden Substratoberfläche das Vielfachschichtensystem 12 durch Aufdampfen im Hochvakuum aufgebracht. Anschließend wird nach dem Entfernen der Abdeckung auf die links neben der Nute liegende Substratoberfläche die wellenleitende Schicht 13 aufgedampft und die oberhalb der Ebene liegenden Teile des Keiles 28 und des Vielfachschichtensystems 12 abpoliert. Als Material für die wellenleitende Schicht 13 wird ein solches gewählt, dessen Brechungsindex mit dem des Keiles 28 übereinstimmt.
In den Figuren 7 bis 10 sind in Querschnitten die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung einer in der Figur 3 ähnlichen Anordnung gezeigt. Gemäß der Figur 7 wird ein als Substrat dienender Glasquader mit polierter Ober- und Unterseite zunächst VPA 9/710/3157
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unter einem Winkel Θγ- zerschnitten. Die beiden Schnittflächen
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der Teile 17 und 18 werden poliert. Der Winkel 90 - Q5 ist der Winkel, unter dem die Strahlung auf das Filter fallen soll. Anschließend wird auf jede der beiden Schnittflächen eine polierte und mit einer leicht löslichen dünnen Schicht 30 versehene Glasplatte 31 mit der beschichteten Seite angebracht (Figur 8). Danach werden die wellenleitenden Schichten 20 und 21 aufgebracht. HactTdem Ablösen der Glasplatten 31 weisen die beiden Stirnflächen der wellenleitenden Schichten 20 und 21, die der Glasplatte mit der leicht löslichen Schicht zugewandt waren, die gleiche Abschrägung (Ot) auf wie die Substrate 17 und 18.
Gemäß der Figur 9 wird auf die angeschrägte Fläche des Substratteiles 18 und der wellenleitenden Schicht 21 das Vielfachschichtensystem 19 aufgedampft und anschließend die beiden Substratteile 17 und 18 zusammengesprengt und auf eine polierte Grundplatte 16 aufgesprengt (Figur 10).
Durch die gemeinsame Grundplatte für die beiden Substratteile wird gewährleistet, daß die beiden Wellenleiterschichten 20 und 21 miteinander fluchten. Als Justierhilfe beim Zusammensprengen kann die zwischen den beiden Wellenleitern übergekoppelte Lichtintensität eines Lasers dienen.
Dieses zuletzt genannte Verfahren eignet sich auch zur Herstellung der in der Figur 1 dargestellten Anordnung, wenn dort eine weitere auf die Substratteile 1 und 2 angrenzende Grundplatte angeordnet ist.
10 Figuren
9 Patentansprüche
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Claims (9)

Patentansprüche
1. Wellenleiterstruktur bestehend aus einer auf einem Substrat angeordneten wellenleitenden Schicht mit einem Dünnschichtfilter, dadurch gekennzeichnet , daß das Dünnschichtfilter integriert in der Wellenleiterstruktur enthalten ist und die Form eines senkrecht oder schräg zur Oberfläche der wellenleitenden Schicht angeordnetes Vielfachschichtensystem mit unterschiedlich brechenden Schichten aufweist.
2. Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch ge k e η η zeichnet , daß das Vielfachschichtensystem in der wellenleitenden Schicht und in einer im Substrat ausgebildeten Nute vorliegt.
3. Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Vielfachschichtensystem in der wellenleitenden Schicht und im Substrat vorliegt.
4. Wellenleiterstruktur nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Substrat auf einer Grundplatte aufgebracht ist.
5. Wellenleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Vielfachschichtensystem einen Winkel -£- 90 zur Oberfläche der wellenleitenden Schicht und einen rechten Winkel zur seitlichen Begrenzung der wellenleitenden Schicht aufweist.
6. Wellenleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Vielfachschichtensystem einen rechten Winkel zur Oberfläche der wellenleitenden Schicht und einen Winkel ^- 90° zur seitlichen Begrenzung der wellenleitenden Schicht aufweist.
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7. Verfahren zur Herstellung der Wellenleiterstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß nacheinander in die Oberfläche eine einseitig unter einem Winkel Θ, abgeschrägte Nute eingefräst wird, ein an die Abschrägung anschließender Keil mit einem Keilwinkel Θ, = θ~ angesprengt oder aufgedampft wird, auf die abgeschrägten Plächen der Nute und des Keiles unter Abdeckung der der angeschrägten Fläche der Nute gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates das Vielfachschichtensystem aufgebracht wird, auf die unter der Abdeckung liegende Oberfläche des Substrates die wellenleitende Schicht aufgebracht wird und schließlich das Vielfachschichtensystem zusammen mit dem anschließenden Keil parallel zur Substratoberfläche planpoliert wird.
8. Verfahren zur Herstellung der Wellenleiterstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet , daß nacheinander ein quaderförmiges Substrat unter einem Winkel θρ -L· 90 zerschnitten wird, von den beiden entstandenen Substratteilen an der angeschrägten Oberfläche eines Substratteiles das Vielfachschichtensystem aufgebracht wird, darauf das zweite Substratteil mit seiner angeschrägten Oberfläche aufgebracht wird, derart, daß eine gemeinsame aus den beiden Substratteilen und dem Vielfachschichtensystem bestehende ebene Oberfläche entsteht, daß der so entstandene Block parallel zu seiner Grundfläche zerschnitten und poliert wird und daß in die Schnittfläche durch Ionenimplantation oder Diffusion eine dünne Zone mit einem gegenüber dem Substratmaterial erhöhten Brechungsindex erzeugt wird.
9. Verfahren zur Herstellung der Wellenleiterstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet , daß nacheinander ein quaderförmiges Substrat mit zwei polierten gegenüberliegenden Oberflächen
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unter einem Winkel Qa zerschnitten wird, daß die beiden Schnittflächen poliert werden, daß auf diese Schnittflächen polierte mit einer leicht löslichen dünnen Schicht versehene Glasplatten mit ihren beschichteten Oberflächen aufgebracht werden, daß auf die den Schnittflächen benachbarten Oberflächen, welche vor dem Zerschneiden des Substrates eine gemeinsame Oberfläche bildeten, eine wellenleitende Schicht aufgebracht wird, daß nach dem Ablösen der Glasplatten von den beiden Substratteilen auf die Schnittfläche eines Substratteiles und der daran anschließenden wellenleitenden Schicht das Vielfachschichtensystem aufgebracht wird und daß schließlich die beiden Substratteile zusammengesprengt oder gekittet und auf eine Grundplatte aufgesprengt werden, derart, daß die beiden Wellenleiterschichten miteinander fluchten.
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