DE2553685C2

DE2553685C2 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Richtkopplers

Info

Publication number: DE2553685C2
Application number: DE2553685A
Authority: DE
Inventors: Ralf Th. Dr.phil. 8183 Rottach-Egern Kersten
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1985-05-09
Also published as: US4145457A; DE2553685A1

Abstract

Optische Richtkoppler finden in vielen optischen Systemen Verwendung. Solche Richtkoppler werden mit Wellenleitern realisiert, die in einem Substrat parallel und geradlinig nebeneinander verlaufen. Um eine Ueberkopplung zu ermoeglichen, muessen die Wellenleiter einen Abstand haben, der kleiner als ein Mikrometer ist. Dies erfordert eine aeusserst praezise und damit aufwendige Herstellungstechnologie. Um eine Massenproduktion zu ermoeglichen, wird vorgeschlagen, die Substratoberflaeche durch Wellenleiter- und Koppelstrukturen aufweisende Masken abzudecken und die Koppelgebiete durch Ionenimplantation auf erhoehte Brechungsindizes zu zuechten. Die Abstaende der Wellenleiter koennen dadurch erheblich vergroessert werden, so dass Toleranzprobleme verringert werden. Ausserdem koennen die Wellenleitereigenschaften bei diesem Herstellungsverfahren variiert werden. st sie hierauf doch nicht beschraenkt. In bestimmten Faellen k

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Richtkopplers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren zur Herstellung von lichtleitenden Strukturen der integrierten Optik mittels Ionenimplantation, welches die Merkmale des genannten Verfahrens aufweist, ist aus Appl. Opt. Vol. 12, S. 1313-1316, June 1972, bekannt

Auch aus der DE-OS 23 32 736 gehen Verfahren zur Herstellung von lichtleitenden Strukturen der integrierten Optik mittels Ionenimplantationstechnik hervor.

Aus der Veröffentlichung IBM Techn. Disci. BuIU

VoL 15, Nr. 2, July 1972, S. 660—661, die allerdings das Gebiet der Dotierung von Halbleitermaterialien mittels Ionenimplantation betrifft, ist es bekannt, daß in Abhängigkeit von der Ionenenergie auch durch eine mit Aussparungen versehene Maske hindurch eine Ionenimplantation durchführbar ist, die zu vergrabenen und an der Oberfläche liegenden Ionenprofilen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es» ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die Richtkoppler in wenigen Arbeitsgängen und in Massenproduktion herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge- !öst

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entstehen erstmals Streifenwellenleiter, die durch Welligkeit einer durchgehenden Wellenleiterschicht im Substrat definiert sind. Bislang waren streifenförmige Weltenleiter als streifenförmige Schichten höheren Brechungsindexes in niedrigerbrechender Umgebung ausgebildet Ein durch äzs ernndim^s^smaSe Verfahren hergestellter streifenfönniger Wellenleiter ist durch eine rinnenförmige Vertiefung oder eine entsprechende Wölbung in einer durchgehenden Wellenleir.erschicht definiert

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich bei den damit hergestellten Richtkopplern die Abstände der beiden im Kop;*lbereich parallel verlaufenden Wellenleiter gegenüber den Abständen in bekannten Richtkopplern erheblich vergrößern, wodurch die Herstellungstechnologie vereinfacht wird. Die beiden Wellenleiter sind durch ein dünnes hochbrechendes Gebiet miteinander verbunden, in welchem die Eindringtiefe der in einem Wellenleiter geführten Lichtwelle stark vergrößert ist Durch den größeren Abstand zwischen den beiden Wellenleitern lassen sich Toleranzprobleme wesentlich verringern. Außerdem ist nur ein Maskierungs- und Ionenimplantationsprozeß notwendig. Durch Wahl der Maskendicke und des Maskenmaterials sowie der Ionenenergie, -art, -dosis l?-sen sich die Wellenleitereigenschaften in weiten Bereichen variieren.

Es werden Substrate aus absorptionsarmen Dielektrika verwendet (Anspruch 2), die bei Ionenbeschuß eine Brechungsindexerhöhung zeigen, beispielsweise Substrate aus Quarzglas oder Kalziumfluorid (Anspruch 3).

In den außerhalb des Koppelbereiches liegenden Gebieten müssen die aneinander herangeführten Wellenleiter Krümmungen aufweisen. Zur Ausbildung von lichtverlustarmen Krümmungen der Wellenleiter kann ein verbessertes Herstellungsverfahren verwendet werden, das im Anspruch 4 angegeben ist Durch dieses Verfahren bildet sich eine Struktur mit einem gegenüber dem Substratmaterial erhöhten Brechungsindex aus, welche unter den von der Maske abgedeckten Bereichen des Substrats ein dünnes an die Substratoberfläche angrenzendes schichtförmiges Gebiet und unter den vom Maskenmaterial freigelassenen Bereichen des Substrats ein an die Substratoberfläche ebenfalls angrenzendes, aber tiefer in das Substrat hineinreichendes dikkes hochbrechendes Gebiet aufweist.

Da im Koppelbereich die beiden Wellenleiter bis an die Substratoberfläche heranreichen und durch eine hochbrechende Schicht miteinander verbunden sind, läßt sich der Abstand der beiden Wellenleiter ohne Beeinträchtigung des Koppelwirkungsgrades erhöhen. Außerhalb des Koppelbereiches sind die Wellenleiter tiefer im Substrat und von der hochbrechenden, an die Substratoberfläche angrenzenden Schicht getrennt angeordnet, so daß engere, lichtverlustarme Krümmungen

hergestellt werden können.

Das im Anspruch 5 angegebene Verfahren ergibt einen weiteren Aufbau mit engen verlustannen Krümmungsradien der im Grenzbereich herangeführten Wellenleiter. Durch dieses Verfahren entstehen in den Grenzbereichen an die Oberfläche des Substrats angrenzende, voneinander getrennte wellenleitende Gebiete mit guten Führungseig^nschaften. Im Koppelbereich sind diese Wellenleiter an eine hochbrechende Schicht gebunden und weisen daher gute Koppeleigenschaften auf.

Zur Erläuterung anhand von Ausführungsbeispielen wird auf die nachfolgende Figurenbeschreibung verwiesen.

In den F i g. I und 2 sind in Draufsicht und im Querschnitt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Richtkoppler,

in der F i g. 3 ein nach einem verbesserten Verfahren in den F i g. 3a, 3b und 3c die zu dem Richtkoppler nach F i g. 3 gehörenden Verfahrensschritte,

in der F i g. 4 ein nach einem alternativen Verfahren erzeugter Richtkoppler, und

in den F i g. 4a und 4b zugehörige Verfahrensschritte dargestellt

Die F i g. 1 zeigt ein Substrat 1 aus Quarzglas, an dessen Oberfläche zwei 10 μπι breite streifenförmige Gebiete 2 und 3 mit einem gegenüber dem Brechungsindex des Substrats 1 erhöhten Brechungsindex angeordnet sind. Die streifenförmigen Gebiete 2 und 3 liegen etwa 03 μπι getrennt von der Oberfläche unter dieser im Substrat 1, wie es aus der F i g. 2 ersichtlich ist In einem mittleren Koppelbereich verlaufen die beiden streifenförmigen Gebiete 2 und 3 eng benachbart und parallel zueinander. Sie sind hier durch eine an die Substratoberfläche angrenzende Schicht 9 miteinander verbunden, welche den gleichen Brechungsindex aufweist wie die Gebiete 2 und 3.

Die Herstellung dieses Richtkopplers wird anhand der F i g. 2 erläutert Auf die Oberfläche 4 des Substrates 1 wird eine ^otolackmaske 5 mit einer Dicke von ca. 0,7 μπι aufgebracht welche in den Bereichen 6, unter welchen Wellenleiter entstehen sollen, unterbrochen ist Diese Anordnung wird nun in Richtung der Pfeile 7 homogen mit z. B. Stickstoffionen mit einer Energie von 300 keV beschossen. Diese Ionen dringen in den von der Fotoiackmüske 5 abgedeckten Bereichen des Substrates nur geringfügig unter seine Oberfläche und bilden dort ein an die Oberfläche angrenzende Gebiet mit einem höheren Brechungsindex als dem des Substrates. In den von der Maske nicht abgedeckten Gebieten 6 dringen die Ionen tiefer in das Substrat ein, wobei sich höherbrechende wellenleitende Gebiete 2 und 3 ausbilden, welche von einem ionenfreien Substratgebiet 8 getrennt sind.

Im Koppelbereich der Wellenleiter 2 und 3 reicht die Energie einer im Wellenleiter 2 geführten Welle sowohl durch die hochbrechende Schicht 9 als auch durch die zwischen Substratoberfläche 4 und Wellenleiter 2 und 3 unbehandelten Gebiete in den Wellenleiter 3 hinüber, wird dort von diesem übernommen und weitergeführt. Die beiden Wellenleiter 2 und 3 liegen im Koppelbereich etwa 5 μπι weit voneinander entfernt

Weiterführende Wellenleiter werden an den Richtkoppler an den Stellen 10 angekoppelt

In der Fig.3 ist ein Richtkoppler mit Wellenleitern dargestellt, welche iichtverlustarme Krümmungsgradien von weniger als einen Millimeter zulassen.

Das Herstellungsverfahren dieses Richtkopplers und die entstehenden hochbrechenden Wellenleiterstrukturen sind in den F i g. 3a bis 3c dargestellt

Die F i g. 3a zeigt ein Schnittbild in Höhe der Linie IHa der F i g. 3. Auf das Substrat 1 wird eine erste Maske 11 aufgebracht, weiche die Substratoberfläche an den Orten 12 frei läßt, unter welchen die Wellenleiter verlaufen sollen.

Nach der Fertigstellung dieser Maske wird im Koppelbereich der Wellenleiter (Schnitt HIb nach F i g. 3) ίο nur in den von der Maske 11 frei gelassenen Bereichen 12 ein zweites Maskenmaterial 13 aufgebracht (Fig.3b).

Anschließend wird diese Vorrichtung homogen mit Ionen beschossen. In allen Teilen des Richtkopplers dringen die Ionen durch die Maske 11 hindurch an die Oberfläche des Substrates 1 und ein Stück darunter, wobei sich eine dünne hochbrechende Schicht 14 ausbildet

Da in den Grenzbereichen des Richtkopplers, welche an den Koppelbereich angrenzen (F i g. 3a und F i g. 3c), die wellenleitenden Bereiche 17 tie·.;; untei der Substratoberfläche und von dieser ebenso wie von den Schichten 14 und 18 getrennt liegen, gelang« keinerlei Wellenenergie aus einem Wellenleiter 17 in den anderen.

Im Koppelbereich dagegen entstehen unter dem zweiten Maskenmaterial 13 mit einer Dicke von 0,2 μπι (F i g. 3b) dickere, & h. tiefer in das Substratmaterial eingreifende und bis an die Substratoberfläche reichende hochbrechende Wellenleitergebiete 15. Diese sind hier durch die hochbrechende Schicht 16 miteinader verbunden.

Dieser Richtkoppler weist den Vorteil eines höheren Abstandes der beiden Wellenleiter im Koppelbereich als auch den Vorteil sehr kleiner Krümmungsradien im Grenzbereich auf.

Die Herstellung eines Richtkopplers mit ebenfalls sehr geringen Krümmungsradien wird anhand der Fig.4, 4a und 4b beschrieben. Bei diesem Verfahren sind keinerlei Justiervorkehrungen für die zweite Maskierung des vorher beschriebenen Verfahrens notwendig. Außerdem weist dieses ebenso wie das vorher beschriebene Verfahren den Vorteil auf, daß der Koppler je nach Anforderung hinsichtlich des Koppelverhaltens durch Vorgabe der Koppellänge L abgestimmt werden kann.

Die gesamte gewünschte Wellenleiterstruktur wird in Form einer Fotolackmaske 19 auf das Substrat aufgebracht. Die Maske ist so dick gewählt, daß bei dem so ersten Ionenbeschuß die Ionen die Substratoberfläche 24 an den abgedeckten Stellen nicht erreichen können. Lediglich an den unabgedeckten später wellenleitenden Gebieten 20 werden an die Oberfläche 24 des Substrates angrenzende und ein Stück in das Substrat hineinreichend hochbrechende Gebiete 21 ausgebildet. Alle Parameter werden dabei so ausgewählt, daß dh Wellenführung insbesondere in den Krümmungen der Wellenleiter bei der gewünschten optischen Wellenlänge optimal ist. Nach dem Entfernen der Maske 19 wird in den Grenzbereichen des Richtkopplers außerhalb des Koppelbereiches der Länge L eine zweite ganzflächige Maske aufgebracht. Ein zweiter daran anschließender homogener Ionenbeschuß führt zwar in den an den Koppelbereich angrenzenden maskierten Bereichen zu keiner weiteren Strukturänderung der dort befindlichen Wellenleiter, erzeugt jedoch im nun nicht maskierten Koppelbereich eine hochbrechende an die Substraioberfläche angrenzende Schicht 22, so daß die beiden

Wellenleiter nun wieder durch die Schicht 22 miteinander verbunden sind.

Während also im Koppelgebiet ausgeprägte schichtgebundene Wellenleiter entstehen, welche eine Kopplung ermöglichen, behalten die in den übrigen Gebieten vorliegenden Wellenleiter ihre guten Führungseigenschaften bei.

Je nach Art der zweiten Ionenimplantation (Energie, Dosis, Ionenart) sowie der Länge L der nicht durch die zweite Maske gedeckten Fläche kann eine gezielte Ab-Stimmung des Kopplers erfolgen. Wählt man die Koppelstruktur (Länge L) von vornherein entsprechend lang, so ist bei der zweiten Maske nur eine grobe Ausrichtung der Maske erforderlich. Der Koppelwirkungsgrad kann dann allein durch die Länge L des /weiten Implantationsgebietes bestimmt werden, die sich technologisch sehr genau reproduzieren läßt.

Durch diesen technologischen Prozeß ist es möglich, daß durch die erste Implantation eine große Zahl kleiner Strukturen hergestellt wird, welche durch die zweite Ionenimplantation gemäß ihrem Verwendungszweck jeweils individuell abgestimmt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Richtkopplers mit streckenweise parallel geführten und durch einen Koppelbereich miteinander verbundenen streifenförmigen optischen Wellenleitern, bei dem zur Herstellung der optischen Wellenleiter eine mit einer der Struktur der streifenförmigen Wellenleiter entsprechenden Implantationsmaske abge- deckte Seite des Substrats mit dem Brechungsindex des Substrats erhöhenden Ionen mit solcher Energie beschossen wird, daß vergrabene Schichten höheren Brechungsindex im Substrat entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Ionen (7) so groß gewählt wird, daß diese die Maske (S) im Bereich zwischen den streckenweise parallel geführten Wellenleitern (2, 3) durchdringen und dadurch auch unter diesem Maskenbereich eine Schicht (9) höheren Bnx-hungsindexes im Substrat (1) entsteht

2. Verfahren nach Anspruch !. dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (1) aus einem absorptionsarmen Dielektrikum verwendet wird

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (1) aus Quarzglas oder Kalziumfluorid verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung von lichtverlustarmen Krümmungen der Wellenleiter (2,3) im an Koppelbereiche anschließenden Grenzbereicbi'n eine die Struktur der Wellenleiter (2,3) aufweisende erste Implantationsmaske in den Koppel- und Grenzbertichen, -anschließend eine die unbedeckten Bereiche hut der Koppelbereiche überdeckende zweite dünnere !.iplantationsmaske als die erste Implantationsmaske ausgebildet und schließlich alle Bereiche einheitlich mit Ionen beschossen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung von lichtverlustarmen Krümmungen der Wellenleiter (2,

3) in an Koppelbereiche anschließenden Grenzbereichen eine die Struktur der Wellenleiter (2,3) aufweisende erste Implantationsmaske in den Koppel- und Grenzbereichen ausgebildet wird, daß anschließend eine erste Ionenimplantation durchgeführt wird, derart, daß die Ionen nur in den nicht abgedeckten Gebieten in das Substrat eindringen, daß nach Aufbringen einer zweiten Implantationsmaske, welche nur die an die Koppelbereiche anschließenden Grenzbereiche ganzflächig überdeckt, eine zweite Ionenimplantation durchgeführt wird.