DE3343549A1

DE3343549A1 - Optisches bauelement und vorform-herstellung

Info

Publication number: DE3343549A1
Application number: DE19833343549
Authority: DE
Inventors: Herman Melvin 08904 Highland Park N.J. Presby
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-12-02
Filing date: 1983-12-01
Publication date: 1984-06-07
Also published as: FR2537291A1; NL8304128A; JPS59111941A; IT8323988A1; GB2131417A; IT8323988A0; IT1168733B; GB2131417B; FR2537291B1; GB8331538D0

Description

Beschreibung

Optisches Bauelement und Vorform-Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen optischer Bauelemente und Vorfonren für optische Fasern.

Es sind verschiedene Methoden zum Herstellen integrierter optischer Bauelemente und optischer Fasern bekannt. Integrierte optische Richtungskoppler ζ. Β. werden hergestellt, indem von Belichtungsmethoden unter Einsatz konformer Masken Gebrauch gemacht wird. Um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen, werden sehr kleine Bauelemente benötigt, deren Strukturabmessungen in der Größenordnung von einem Mikrometer liegen. Die Erzielung derartig kleiner Musterabmessungen macht es jedoch erforderlich, daß die Masken mit sehr hoher Präzision hergestellt werden.

Ein Beispiel für die Herstellung von Vorformen, aus denen optische Fasern gezogen werden, ist das sogenannte MCVD-Ver-

fahren (Modified Chemical Vapor Deposition; modifiziertes chemisches Dampfniederschlagungsverfahren)/ bei dem ein Vorläufermaterial in Form eines glasbildende Stoffe und geeignete brechungsindex-modifizierende Dotierstoffe enthaltenden Gas in ein Vorform-Substratrohr eingeströmt wird, wo es erhitzt wird. Dies bewirkt, daß sich an der Innenfläche des Rohres eine Glasschicht niederschlägt. Die Dicke jeder niedergeschlagenen Schicht sowie die Dotierstoffkonzentration innerhalb jeder Schicht sind Funktionen einer Anzahl von Parametern, die sämtlich sehr sorgfältig gesteuert werden müssen, um eine Faser zu erhalten, die das gewünschte Brechungsindexprofil besitzt.

Ein Verfahren zum Herstellen von "Ruß"-Formungen ist das DAVD-Verfahren (Downward Axial Vapor-phase !Deposition) . Diese Formlinge- bilden, durch Erhitzung konsolidiert, Glas-Vorformen, aus denen sich optische Fasern ziehen lassen. Das DAVD-Verfahren schafft gut definierte, kreisförmig zylindrische Ruß-Formlinge mit einer ebenen Wachstumsfläche. Erfindungsgemäß wird das Brechungsindexprofil des wachsenden Ruß-Formlingsdadurch geändert, daß die brechungsindex-modifizierenden Dotierstoffe aus ausgewählten Abschnitten der Vorform verdampft werden. In dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Wachstumsfläche

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des Ruß-Formlings lokal durch einen fokussierten Laserstrahl aufgeheizt, welcher das gewünschte Brechungsindexprofil auf den wachsende Formliag "schreibt". Durch Steuern der Bewegung des Laserstrahls und der Intensität des Laserstrahls läßt sich praktisch jedes gewünschte Brechungsindexprofil erzielen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zum Steuern des Brechungsindexprofils fön Ruß-Formungen, gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens, nach

dem eine Zone mit niedrigerem Brechungsindex in einem - wachsenden Ruß-Formling gebildet wird,

Fig. 3 eine Anordnung zum Herstellen komplizierterer Brechungsindexprofile unter Einsatz mehrerer Laserstrahlen,

Fig. 4 eine Anordnung zum Herstellen eines optischen Richtungskopplers,

Fig. 5 eine schematische Darstellung, die das Herausnehmen eines Bausteins (Chips) aus einem konsolidierten Ruß-Formling veranschaulicht,

Fig. 6 und 7 jeweils ein dreidimensionales optisches Bauelement,

Fig. 8 einen Mehrschicht-Baustein, in dem die Brechungsindices benachbarter Bausteine unterschiedlich sind, und

Fig. 9 eine verallgemeinerte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Steuern des Brechungsindexprofils von Ruß-Formlingen gemäß der. Erfindung. Zur Herstellung von Ruß-Formlingen sei hier beispielsweise das DAVD-Verfahren verwendet. Gemäß diesem Verfahren wird die Vorform durch Wachstum auf einem "Quarzglas-Ausgangselement 11 gebildet, welches sich um seine vertikale Achse dreht, wie durch den Pfeil 12 angedeutet ist. Außerdem ist eine hier nicht dargestellte Vorrichtung vorgesehen, die das Ausgangselement nach unten in Richtung des Pfeils 13 bewegt, während der Ruß-Formling wächst, so daß die Wachstums fläche 16 in bezug auf eine Flamme 14 an einer vorbestimmten Stelle verbleibt.

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Rohmaterialien, wie ζ. B. SiCl₄, GeCl₄, POCl₄, Sauerstoff und Wasserstoff werden in einen Brenner 15 eingespeist, der durch die Hydrolysereaktion der Flamme feine Glaspartikel erzeugt. Zu Beginn werden die Partikel auf der Stirnseite des Ausgangselements 11 niedergeschlagen. Wenn der Ruß-Formling wächst, werden die Glaspartikel auf der Oberseite des nach unten gezogenen, axial wachsenden Formlings niedergeschlagen .

Um das Brechungsindexprofil im Querschnitt de s wachsenden Formlings zu steuern, wird auf die Wachstumsfläche 16 des Formlings ein Laserstrahl 17 gerichtet. Der von einer geeigneten Quelle 18, z. B. einem CO₂-Laser kommende Strahl wird über einen Schwingspiegel 19, der um eine in der Spiegelebene liegende Achse Z-Z schwenkbar ist, auf die Fläche 16 gerichtet. Aufgrund der Bewegung des Spiegels vermag der Strahl einem Muster auf der Fläche 16 zu folgen. Die Wirkung des auf die Wachstumsfläche auftreffenden Strahls besteht darin, daß der von dem "SchreibVorgang" betroffene Oberflächenabschnitt genügend stark erhitzt wird, um den brechungsindexmodifizierenden Dotierstoff zu verdampfen. Dies führt zu einer Änderung des Brechungsindex in bezug auf den Brechungsindex der Umgebungsfläche. Um z. B. nach dem MCVD-Verfahren eine Vorform für eine optische Faser mit Stufenindex-Profil herzustellen, wird zunächst eine erste Mehrzahl von Schichten

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mit einem ersten Brechungsindex niedergeschlagen, an die sich mehrere Schichten mit einem zweiten, höheren Brechungsindex anschließen. Dann wird das Ausgangsrohr kollabiert, so daß eine massive Stange gebildet wird. Bekanntlich führen geringe Schwankungen bei der Niederschlagung der aufeinanderfolgenden Schichten wie die übliche Mitten-Vertiefung zu einem relativ unregelmäßigen Brechungsindexprofil. Erfindungsgemäß wird die Vorform als Festkörper gleichmäßiger Zusammensetzung aufgebaut. Der Mantel mit dem niedrigeren Brechungsindex wird dann gemäß Fig. 2 dadurch gebildet, daß etwas von dem brechungsindex-erhöhenden Dotierstoff verdampft wird. Fig. 2 zeigt, wie der Laserstrahl 17 von dem Spiegel 19 auf die Wachstumsfläche 16 des Ruß-Formlings 10 gerichtet wird. Speziell wird der Strahl mittels einer geeigneten Einrichtung, die hier durch eine Linse 20 repräsentiert wird, auf einen Punkt fokussiert, der von der Mitte desFormlings einen Abstand R besitzt. Die Intensität des Strahls und somit die Menge verdampten DotierStoffs wird durch ein Dämpfungsglied 21 gesteuert, welches in dem Strahlenweg liegt. Die Breite w des Mantels wird gesteuert durch die Schwingbewegung des Spiegels 19, die veranlaßt, daß der Strahl das Intervall zwischen R und R+t abtastet. Wenn sich der Formling dreht, überstreicht der abtastende Strahl einen kreisförmigen Weg zur Bildung des Mantels einer Stufen-

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index-Faser, die einen Kern mit dem Radius R und einen Mantel der Dicke w besitzt.

Durch gleichzeitige Verwendung mehrerer Strahlen und Spiegel läßt sich eine Glasfaser mit einem komplizierteren Profil, z. B. mit einem vierstufigen Profil, herstellen. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. In diese Anordnung wird ein Laserstrahl 9 von Strahlteilern 30, 31 und 32 in vier Strahlen 9-1, 9-2, 9-3 und 9-4 aufgeteilt. Die Strahlen werden mittels Spiegeln 34, 35 und 36 auf vier Schwingspiegel 19-1, 19-2, 19-3 und 19-4 gerichtet. Die Schwingspiegel wiederum richten die vier Strahlen auf die sich drehende Wachstumsfläche 16 des Ruß-Forralings 10. Speziell wird der Strahl 9-1 derart auf den Ruß-Foriiing gerichtet, daß ein Ringabschnitt zwischen den Radien R₁ und R^ abgetastet wird. Der Strahl 9-2 bewegt sich zwischen den Radien R₂ und R-. Der Strahl 9-3 bewegt sich zwischen den Radien R₃ und R₄, und der Strahl 9-4 bewegt sich zwischen den Radien R- und R₅. Die Intensität jedes Strahls wird durch Dämpfungsglieder 21-2, 21-2, 21-3 und 21-4 derart gesteuert, daß das gewünschte Brechungsindexprofil entsteht.

Die Erfindung läßt sich auch bei der Herstellung von integrierten optischen Bauelementen, z. B. Richtungskopplern, Y-Verbindungen oder anderen neuen Schaltungsstrukturen ein-

setzen. Zur Herstellung eines Richtungskoppler beispielsweise tastet der Laserstrahl 17 ein Paar von Bögen 40 und 41 auf der Ruß-Vorform ab, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Nachdem das gewünschte Muster auf den Ruß-Formling geschrieben wurde und diese konsolidiert ist, wird die sich ergebende Stange entweder, wenn sie die gewünschten Abmessungen besitzt, in Scheiben geschnitten, oder sie wird zunächst gezogen, um ihre Abmessungen zu verkleinern, und sie wird dann zu Scheiben geschnitten, um den integrierten optischen Baustein zu erhalten. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Dort wurde die konsolidierte und gegebenenfalls gezogene Ruß-Vorform 60 geschnitten, so daß ein Baustein 61 erhalten wurde.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß dreidimensionale optische Schaltungen verschiedener Formen auf einfache Weise hergestellt werden können, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Fig. 6 zeigt einen Baustein (Chip) 70, auf dem ein erster Richtungskoppler 71 und ein von diesem durch die Dicke t des Substrats getrennter zweiter Richtungskoppler 72 gebildet sind. Die zwei Koppler können die gleichen sein wie alle übrigen Koppler, oder sie können unterschiedlich sein, und alle vier Wellenleiterstreifen können in Kopplungsbeziehung zueinander stehen. Durch Anbringung von

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Elektrodenpaaren 73-1, 73-2 und 74-1, 74-2 an dem Baustein erhält man einen dreidimensionalen Schalter. Es ist ersichtlich, daß diese Methode auch zur Herstellung anderer Typen von dreidimensionalen Schaltungen eingesetzt werden kann. Wie Fig. 7 zeigt, kann z. B. ein interner (d. h. eingebetteter) optischer Weg geschaffen werden. Als Beispiel zeigt Fig. 7 einen dreidimensionalen integrierten optischen Baustein 80 mit einem Richtungskoppler 81 auf seiner Oberseite 84 und einem optischen Weg 82, der in dem Bausteinsubstrat von einem Ende der Koppler-Wellenwege 83 zur Außenfläche 85 des Bausteins verläuft.

Fig. 8 zeigt einen Baustein 90, in dem verschiedene Schichten 91, 92 und 93 unterschiedliche Brechungsindices oder unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Dies wurde erreicht durch Ändern der Dotierstoffe während des Niederschlagens des Materials. Die Schichten werden darüberhinaus selektiv abgetastet, um optische Laser, Verstärker und Leuchtdioden herzustellen.

Fig. 9 zeigt eine verallgemeinerte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Anordnung besitzt ein Paar Spiegel 100 und 101, die derart gelagert sind, daß sie um aufeinander senkrecht stehenden Achsen zu schwingen vermögen, wenn sie von Motoren 110 und 111 ange-

trieben werden. Außerdem sind eine Laserquelle 104 und ein wachsender Ruß-Forml±ng 103 vorgesehen. Der Ruß-Formling 103 wird von einem dritten Motor 112 um seine vertikale Achse gedreht.

Die Lage des Laserstrahls, die Geschwindigkeit, mit der der Ruß-Formling rotiert, und die Steuerung der Laser-Ausgangsleistung werden von einer Steuerung 113 gesteuert, die in allgemeinster Form aus einem Rechner besteht,der derart programmiert ist, daß die gewünschten Brechungsindex-Muster erhalten werden. (Geräte zum Positionieren von Laserstrahlen sind im einschlägigen Handel erhältlich. Verwiesen wird z. B. auf die Produkte der Firma General Scanning, Inc., Watertown, Maine). Abhängig von dem zu bildenden Muster kann das Verfahren kontinuierlich fortschreiten oder inkrementell arbeiten. Es sei darauf hingewiesen, daß das DAVD-Verfahren ohne Schwierigkeiten gestartet und gestoppt werden kann, so daß der Strahl die Oberseite des Ruß-FomLings abtasten kann, während der Forml ing entweder in Bewegung oder in Ruhe ist. Das gestoppte DAVD-Verfahren kann dann fortgesetzt werden, und es kann zusätzlicher Ruß niedergeschlagen werden, während der Abtastvorgang inkrementell oder kontinuierlich fortgesetzt wird.

Die zum Verdampfen von Material aus dem Ruß-Formling benötigte

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Laserleistung hängt selbstverständlich von dem betreffenden Material ab. Beispielsweise wird mit Germanium dotierte Kieselerde in einem Temperaturbereich zwischen etwa 150 und 430 ⁰C niedergeschlagen. Daher verdampft das Germanium bei ca. 480 ⁰C. Demzufolge ist ersichtlich, daß eine Temperaturanhebung von 480 ⁰C nicht erforderlich ist.

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Claims

Patentansprüche

_V1 ./Verfahren zum Herstellen eines Glasruß-Formlings, die ein vorbestimmtes Brechungsindexprofil aufweist, bei dem ein in ein Glas konsolidierbarer Ruß auf die wachsende Stirnseite des Ruß-Formlings gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Stirnseite mindestens ein Laserstrahl gerichtet wird, um in definierten Zonen des Formlings ausgewählt Stoffe aus dem Formling zu verdampfen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ruß in Abwärtsrichtung auf die wachsende Stirnseite gerichtet wird, während die Vorform um eine senkrechte Achse gedreht wird,
dadurch gekennzeichnet , daß

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Rededcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult-

Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Palentconsult

Teleiax (CCITT2) Wiesbaden und Mündien (089) 834Ί618 Allention Patenlconsult

der Laserstrahl mindestens einen Abschnitt der Stirnseite abtastet.
3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Laserstrahl eine Ringzone auf der Stirnseite abtastet, um eine erste Zone mit niedrigerem Brechungsindex zu bilden, die einer zweiten Zone mit höherem Brechungsindex benachbart ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Laserstrahlen auf die wachsende Stirnseite gerichtet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß jeder Strahl derart einstellbar ist, daß er eine Ringzone unterschiedlicher Radien abtastet und/oder daß seine Intensität sich von der Intensität anderer Strahlen unterscheidet .
6. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Ruß und der Laserstrahl entweder aufeinanderfolgend

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oder gleichzeitig auf die Stirnseite gerichtet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex derart beeinflußt wird, daß er sich in Wachstumsrichtung des Formlings und/oder in der zur Wachstumsrichtung des Formlings senkrechten Richtung ändert,
8. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Zusammensetzung des Ruß-Formlings entlang der Wachstumsrichtung des Formlings verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Zonen zur Bildung dreidimensionaler optischer Schaltungen entlang der Oberflächen des Abschnitts und innerhalb des Abschnitts verlaufen.
10. Dreidimensionaler, integrierter optischer Baustein, gekennzeichnet durch ein einen ersten Brechungsindex aufweisendes Substrat und einen niedrigeren Brechungsindex aufweisende Wellenleiterzonen, die sich entlang mindestens zweier Seiten des Bausteins erstrecken.

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11. Baustein nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß zwischen mindestens einer Wellenleiterzone auf einer der Seiten und mindestens einer Wellenleiterzone auf der anderen der Seiten eine Kopplungsbeziehung existiert.
12. Baustein nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterzonen entlang einer ersten der Seiten einen ersten optischen Richtungskoppler und entlang einer zweiten der Seiten einen zweiten optischen Richtungskoppler bilden, und daß die Wellenleiterzonen der zwei Richtungskoppler in einem Kopplungsverhältnis stehen, um ein dreidimensionales Kopplungsfeld zu bilden.
13. Baustein nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verändern des Brechungsindex entlang der Wellenleiterzonen, um die Kopplung unter den Zonen zu steuern.
14. Dreidimensionaler, integrierter optischer Baustein, mit einem einen ersten Brechungsindex aufweisenden Substrat, dadurch ge kenn ze ichnet , daß Wellenleiterzonen mit einem niedrigeren Brechungsindex entlang einer Seite des Bausteins verlaufen und innerhalb des Bausteinkörpers eingebettet sind.

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