DE3501898A1

DE3501898A1 - Lichtwellenleiter, hergestellt aus speziellen substratglaesern durch einen ionenaustausch gegen cs(pfeil hoch)+(pfeil hoch)-ionen

Info

Publication number: DE3501898A1
Application number: DE19853501898
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr. 6501 Klein-Winternheim Roß; Werner 6500 Mainz Schumann
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1985-01-22
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1986-07-24
Also published as: DE3501898C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft Lichtwellenleiter, hergestellt aus speziellen Substratgläsern des Glassystems SiO2/ B203/ Al203/ K2O/ F durch teilweisen Austausch der im Glas vorhandenen Alkali ionen gegen Cs + -Ionen.
Der heutige Stand der Technik ist in zahlreichen Publikationen dargestellt. Einen Überblick gibt G. STEWARD in Journal of Non-Crystalline Solids 47, (1982), S. 191-200. Danach lassen sich Lichtwellenleiter durch Ionenaustausch aus Li2Or Na20-oder K2O-haltigen Substratgläsern herstellen. Als austauschfähige Ionen werden Li+, Na+, K+, Tal + und Ag+ beschrieben.
Lichtwellenleiter, die durch Ionenaustausch dieser Ionen hergestellt wurden, sind u.a. in folgenden Veröffentlichungen beschrieben worden: E. VOGES et al., IEEE Journal of Quant. Electr. QE-18, 1877 (1982), G.H. CHARTIER et al., Electronics Lett. 13, 763 (1977), T. IZAWA, H. NAKAGOME, Appl. Phys. Lett. 21, 584 (1972), R.G. WALKER, C.D.W. WILKINSON, J.A.H. WILKINSON, Appl. Optics 22, 1923 (1983).
Danach lassen sich planare Lichtwellenleiter aus Glas durch Ionenaustausch gegen die brechwerterhöhenden Ionen Li +, Ag+ + und T1+ herstellen. Als Substratglasmaterialien werden handelsübliche Fenstergläser, Mikroskopdeckgläser oder andere Standardgläser verwendet. Die Herstellung von Lichtwellenleitern aus Glas durch Ionenaustausch gegen Lithium ist mit Schwierigkeiten verbunden, da das Ei + In im Vergleich zu den im Glas befindlichen einwertigen Ionen, die gegen Lithium ausgetauscht werden, einen wesentlich geringeren Ionenradius besitzt. Dadurch kommt es beim Abkühlen nach dem Ionenaustausch bei den meisten Gläsern zum Kollabieren des Glasnetzwerks, d.h., die Glasoberfläche wird zerstört. Tritt keine Zerstörung ein, so zeigt der Wellenleiter sehr starke Spannungsdoppelbrechung, was sich bei vielen Anwendungen störend auswirkt. Die durch Lithiumionenaustausch erreichbare Brechwerterhöhung ist mit = n = 0,015 für manche Fälle nicht ausreichend. Die durch Ionenaustausch in Silbersalzbädern hergestellten Lichtwellenleiter zeigen häufig eine deutlich verminderte Lichtdurchiassigkeit gegenüber dem nicht ionenausgetauschten Substratglaskörper.
Diese erhöhte Dämpfung ist auf die Instabilität des einwertigen Silberions bei erhöhten Temperaturen zurückzuführen. Oberhalb 250°C zersetzen sich die verwendeten Silbersalzbäder, wobei metallisches Silber ausgeschieden wird. Findet die Zersetzung in den Oberflächenschichten des Substratglaskörpers statt, so entstehen Streuzentren, die die erhöhten Lichtverluste bewirken. Der hohe Preis der Silbersalze ist ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens.
In Thalliumsalzschmelzen ionenausgetauschte Substratglaskörper ergeben Lichtwellenleiter hoher Qualität. Allerdings ist das Arbeiten mit den bekanntermaßen sehr giftigen Thalliumverbindungen, zumal bei erhöhten Temperaturen bis 6000C, mit großen Schwierigkeiten verbunden. Die Entsorgung der Waschlösungen und der verbrauchten Bäder sowie die erforderlichen aufwendigen Schutzmaßnahmen erfordern hohe Kosten, gefährden die damit beschäftigten Personen und machen daher das Verfahren für eine Produktion ungeeignet. Das in der DE-PS 24 56 894 beschriebene Verfahren führt zur Brechwerterniedrigung und ist zur Herstellung der hier beschriebenen Lichtwellenleiter ungeeignet.
Die Herstellung von Lichtwellenleitern durch Ionenaustausch gegen Cm'ionen wurde bisher nicht beherrscht. Es gibt zwar Publikationen, die einen Cs+-Ionenaustausch beschreiben (G.H. FRISCHAT, H.J. FRANEK, Glastechn. Ber. 54, 243 (1981)), die dabei erzielten Austauschschichten waren jedoch für Lichtwellenleiter unyeeignet. Genügend dicke Schichten für Lichtwellenleiter ließen sich nur durch sehr lange Austauschzeiten oder sehr hohe Temperaturen erreichen. Dabei zeigten die Oberflächen jedoch Korrosionsspuren von 2-3 um Tiefe, so daß diese Schichten für Lichtwellenleiter unbrauchbar waren.
Die erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter wurden in einem speziell für den Cs+Ionenaustausch entwickelten Glassystem realisiert.
Diese Substratgläser, die die Hauptkomponenten SiO2, B203, Al203, K20 und einen teilweisen Ersatz des O durch F enthalten, ermöglichen es durch Ionenaustausch in Cs-Salzbädern, bei relativ niedrigen Temperaturen und Austauschzeiten, ausreichend dicke Schichten mit Brechwerterhöhungen von bis zu n n = 0,05 herzustellen. Die so erhaitenen Lichtwellenleiter zeigen wegen der Stabilität der Cs+-Ionen keine merkliche Erhöhung der Verluste in der Lichtdurchlässigkeit gegenüber dem Substatglagörper. Die erfindungsgemäßen Substratgläser unterscheiden sich wesentlich von den bisher benutzten Gläsern durch den Ersatz eines bestimmten Anteils von 02Ionen durch F-Ionen. Da die F--Ionen eine Auflockerung des Glasnetzwerkes bewirken,können die relativ großen Cs+Ionen leichter in den Substratglaskörper diffundieren. Die dadurch erzielten niedrigen Austauschzeiten und -temperaturen verhindern einen Angriff der Glasoberfläche durch die aggressive Cs-Salzschmelze, so daß Lichtwellenleiter mit fehlerfreier Oberflächenstruktur erhalten werden. Da der Ionenaustausch in der Nähe der Transformationstemperatur durchgeführt werden kann, erhält man nach langsamem Abkühlen spannungsfreie Lichtwellenleiter.
Die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter verwendeten Materialien besitzen keine hohe Toxizität, so daß kein erhöhter Sicherheitsaufwand notwendig ist. Gegenüber Silbersalzen sind die Cäsiumsalze um den Faktor 8-10 billiger.
Die erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter besitzen einen weiten Anwendungsbereich, da ihr Brechwertprofil an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden kann. Die maximale Brechwerterhöhung wird durch den Austausch der Alkaliionen des Substratglases gegen die höchstmögliche Cs-Konzentration bestimmt.
Diese kann in den erfindungsgemäßen ionenausgetauschten Substratglaskörpern zwischen 6 und 21 Mol-% variieren. Bei gegebener Alkalikonzentration im Glas kann das Brechwertprofil durch die Ionenaustauschparameter festgelegt werden. In Abhängigkeit von der Austauschzeit erhält man die in Abb. 1 dargestellten Brechwertprofile.
Bei 2 h Austauschzeit erhält man einen Monomode-Lichtwellenleiter, während bei längeren Zeiten mehrmodige Wellenleiter entstehen. Durch einen nachträglichen Temperprozeß lassen sich, wie in Abb. 2 gezeigt, die Brechwertprofile abflachen und vertiefen.
Eine weitere Möglichkeit, das Brechwertprofil zu gestalten, bietet der feldunterstützte Ionenaustausch. Da die Diffusionsgeschwindigkeit mit der angelegten elektrischen Feldstärke stark zunimmt, lassen sich Austauschtemperatur und -zeit im feldunterstützten lonenaustausch stark vermindern. Dabei sind der Temperaturerniedrigung Grenzen gesetzt durch die relativ hohen Schmelzpunkte der Cs-Salze bzw. der eutektischen Gemische verschiedener Cs-Salze. Der feldunterstützte Ionenaustausch bietet weiter die Möglichkeit, das durch den Cs+-Ionenaustausch an der Oberfläche des Substratglaskörpers erhaltene Brechwertprofil in das Glasinnere wandern zu lassen. Die dazu notwendigen Schritte sind in Abb. 3 skizziert.
Im ersten Schritt wird durch Ionenaustausch im Cs-Salzbad mit oder ohne elektrisches Feld eine Brechwerterhöhung erzeugt.
rmieinem zweiten Ionenaustausch im K-Salzbad läßt man im elek-+ trischen Feld die Cstlonen in Glasinnere wandern, wobei K-Ionen aus der Schmelze folgen und den Brechwert in der Oberfläche des Substratglaskörpers wieder absenken.
Anwendungsbeispiele 1. Planarer Multi- bzw. Monomode-Lichtwellenleiter Substratglas mit der Zusammensetzung (Mol-%): Si02 59,3, B203 18,0, Al203 5,2, K20 17,5, wobei ein Teil der s:Ionen durch Zugabe von 6,8 % F in Form von K F ersetzt sind, wird entsprechend der Herstellungsmethode für optische Gläser unter Verwendung eines Läutermittels (0,2 Gew.-%), wie As203, geschmolzen, in Formen gegossen und nach der Kühlung in Glasplatten von 10 mm x 20 mm x 2 mm geschnitten.
Die Glasplatten werden poliert, bis die Oberflächenrauhigkeit besser h/10 (Ä,= 500 nm) beträgt. Die so präparierten Glasplatten werden bei 4410C in eine Cäsiumnitratschmelze 2, 4, 8, 16 bzw. 24 Stunden gehängt. Nach dem Herausnehmen aus dem Salzbad werden die Glasplatten mit ca. 100 - 2000C/h abgekühlt, das anhaftende Salz mit Wasser abgewaschen und getrocknet.
Nach Politur der Stirnflächen des Substratglaskörpers, wobei eine scharfe Kante auf der Seite der Wellenleiterschicht erzeugt werden muß, sind die Glasplatten als planare Lichtwellenleiter zu verwenden. Die Brechwertprofile sind in Abb. 1 dargestellt.
2. Planare Streifenwellenleiter Substratglas mit der Zusammensetzung (Mol-%): SiO2 54,2, B203 18,5, Al203 9,9, K20 15,6, Na20 1,4, Li20 0,4, wobei ein Teil der o2 -Ionen durch Zugabe von 6,5 % F -Ionen in Form von KF ersetzt sind, wird in gleicher Weise wie das Glas in Beispiel 1 hergestellt und präpariert.
Nach der Politur der Oberfläche der Substratglasplatte wird eine ca. 2000 Ä dicke Al-Schicht aufgedampft, mit Photolack beschichtet,un,i im Kontakt mit einer Maske werden dünne Streifen von 3-5 ijm Breite belichtet. Dabei können die Streifen verschiedenste Strukturen, wie beispielsweise ein 1 : 8 - Verteiler, der schematisch in Abb. 4 dargestellt ist, annehmen.
Nach dem Belichten wird der Photolack entwickelt, wobei er sich von den belichteten Teilen ablöst. Danach wird das vom Photolack nicht mehr bedeckte Aluminium abgeätzt, der unbelichtete Photolack abgelöst,und nach Reinigung und Trocknung wird die Substratglasplatte in das Salzbad aus 70 Mol-% CsN03 und 30 Mol-% CsCl bei 3950C 2 h getaucht. Die weitere Bearbeitung erfolgt wie in Beispiel 1. Man erhält so Monomode-Streifenwellenleiter, die nach Ankopplung der entsprechenden Lichtleitfasern als Koppler, Verteiler oder ähnliche Bauelementeje nach Maske, benutzt werden können.
3. Planarer vergrabener Streifenwellenleiter Die Herstellung erfolgt zunächst wie in Beispiel 1 beschrieben.
Nach dem ersten Ionenaustausch wird die Al-Maske abgelöst und es folgt ein zweiter Ionenaustausch, wobei die beiden polierten Glasflächen der Substratglasplatten von zwei voneinander elektrisch isolierten 4200C warmen KN03-Salzschmelzen benetzt werden. An die beiden in die Salzschmelzen tauchenden Pt-Elektroden wird eine elektrische Spannung von 50 V für ca. 30 min angelegt. Nach Abkühlung, Reinigung und Trocknung erhält man Streifenwellenleiter, deren Struktur sich 20-30 um unter der Glasoberfläche befindet.

Claims

Lichtwellenleiter, hergestellt aus speziellen Substratgläsern durch einen lonenaustausch gegen Cs+-Ionen Patentansprüche: 1. Lichtwellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Substratglas mit der Zusammensetzung (in Mol-%) Sio2 45 - 72 B203 8 - 25 A1203 1 - 10 Li2O 0 - 1 Na2O O - 2 K20 6 - 18 MO O - 1 (MO= MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO, PbO) wobei ein Teil der im Glas enthaltenen o2 -Ionen durch 1-15 % F--Ionen ersetzt sind, hergestellt ist, und daß die lichtwellenleitende Zone durch einen Ionenaustausch von K+-, Li+ und/ oder Na+-Ionen gegen Cs + -Ionen erzeugt worden ist.
2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratglas zusätzlich in der Summe höchstens 5 Mol-% der folgenden Oxide enthält: Ei02, Zur02, P205, GeO2, Y203, La203, Nb205, Ta205, WO3, Sn02, AS203, So203, Bs203.
3. Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Substratglaskörper mit polierter oder feuerpolierter Oberfläche in einer Cs-Salzschmelze bei erhöhten Temperaturen behandelt, um diese lichtwellenleitende Zone durch Ionenaustausch zu erzeugen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Ionenaustausch durch Anlegen eines elektrischen Feldes unterstützt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß man den gemäß den Ansprüchen 3 oder 4 hergestellten Lichtwellenleiter einer zweiten Ionenaustauschbehandlung in einem Na+- und/oder K+-Ionen enthaltenden Salzschmelzbad unterwirft, wobei man gegebenenfalls ein elektrisches Feld anlegt, so daß Cs-Ionen weiter in das Glasinnere wandern und K+- und/oder Na+-Ionen aus der Salzschmelze in die Oberfläche der lichtwellenleitenden Zone nachfolgen.
6. Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Maskierung der Glasoberfläche vor dem Ionenaustausch beliebige Lichtwellenleiterstrukturen erzeugt werden.
7. Verwendung von gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 hergestellten Lichtwellenleitern als integrierte optische Bauelemente für die optische Signal- oder Datenübertragung.