DE3520813A1

DE3520813A1 - Verfahren zur herstellung eines integrierten optischen lichtwellenleiters

Info

Publication number: DE3520813A1
Application number: DE19853520813
Authority: DE
Inventors: John Stephen Wembley Middlesex McCormack; Noorallah London Nourshargh
Original assignee: General Electric Co PLC London; General Electric Co PLC
Current assignee: Telephone Cables Ltd
Priority date: 1984-06-11
Filing date: 1985-06-11
Publication date: 1985-12-12
Anticipated expiration: 2005-06-12
Also published as: GB8514618D0; GB2160226B; DE3520813C2; GB8414878D0; GB2160226A; US4619680A; FR2565701A1; FR2565701B1

Description

THE GENERAL ELECTRIC COMPANY, p.I.e., London, England

Verfahren zur Herstellung eines

integrierten optischen Lichtwellenleiters

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters.

Integrierte optische Lichtwellenleiter sind Lichtwellenleiter, die integriert auf einem im wesentlichen ebenen Substrat ausgebildet sind und in denen der Lichtleiter entweder über die gesamte Ebene des ebenen Lichtwellenleitersubstrats ausgebildet ist oder aus Streifen eines lichtwellenleitenden Materials besteht, die auf dem Substrat in einem streifenförmigen Muster aus Lichtwellenleitern ausgebildet sind. Üblicherweise wurden derartige Lichtwellenleiter hergestellt, indem das lichtwellenleitende Material, üblicherweise Glas, welches zur Einstellung seines Brechungsindices angereichert wurde, durch Aufdampfen von Glasteilchen auf die Oberfläche des Substrats und darauffolgendes Erwärmen zum Verschmelzen des Lichtwellenleiters aufgebracht wurde. Dieses Verfahren erfordert Jedoch eine sehr genaue Temperatursteuerung, da sich keine Glasteilchen ohne einen Temperaturgradienten entlang der Richtung des Flusses von dem Gas, welches das Reaktionsmittel enthält, niederschlagen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters anzugeben, welches eine einfache und leichte Steuerung der Zusammensetzung des aufgebrachten Glases ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Lichtwellenleiter aus Glas zusammen-

gesetzt, indem eine erste Schicht auf einem Substrat durch eine chemische Plasmabeschichtung aus der Dampfphase aufgebracht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Danach wird vorzugsweise eine zweite Schicht mit einem kleineren Brechungsindex über diese erste Schicht gedampft.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ferner die erste Glasschicht so hergestellt, daß sie ein gewünschtes Muster ausbildet, und die zweite Glasschicht ist über dieses gewünschte Glasmuster aufgedampft .

Das gewünschte Glasmuster kann ausgebildet werden, indem selektiv ein Teil der ersten Schicht entfernt wird, nachdem diese aufgedampft wurde, so daß das gewünschte Muster zurückbleibt, wobei die Entfernung zweckmäßigerweise durch Abdecken der ersten Schicht mit einer Ätzmaske des gewünschten Musters und durch Wegätzen des verbleibenden freiliegenden Teils der ersten Glasschicht erreicht wird.

Alternativ hierzu kann das gewünschte Muster auch durch Erzeugen von¹Rillen in dem gewünschten Muster im Substrat erzeugt werden, wobei darauffolgend die erste Schicht so aufgedampft wird, daß das gewünschte Muster sich auf dem Boden der Rillen dieses Musters ausbildet. Hierbei ist die Entfernung des Restes der ersten Schicht nicht erforderlich, und die zweite Glasschicht kann unmittelbar über der ersten Schicht aufgedampft werden.

Zweckmäßigerweise wird die zweite Glasschicht ebenfalls durch chemische Plasmabeschichtung aus der Dampfphase aufgebracht. Das Substrat ist vorzugsweise eine

Schicht aus dem gleichen Glas wie das Glas, welches für die zweite Schicht benutzt wird, so daß die erste Schicht, die einen Glaskern bildet, innerhalb einer Umhüllung mit kleinerem Brechungsindex eingebettet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung einer großen Anzahl von ebenen oder streifenförmigen Lichtwellenleitern, die passive oder aktive integrierte optische Anordnungen bilden, wie z.B. Lichtzerstreuungs- oder Sammelanordnungen, Richtungskopplungen oder Wellenlängenmultiplexer bzw. Demultiplexer.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters an Hand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

F I G , 1 eine schematische Ansicht eines Geräts, welches für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters benutzt wird,

FIG. 2 in schematischer Darstellung die Verfahrensschritte eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und

FIG. 3 in schematischer Darstellung die Schritte eines zweiten Ausführungsbeispieles entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zunächst wird, wie der FIG. 2 zu enxnehmen ist, das gewünschte Lichtwellenleitermuster auf ein Trägermaterial oder ein Substrat 11 mittels eines fotolithografischen Verfahrens geschrieben. Das Substrat ist aus einem Glas hergestellt, welches den gleichen Brechungsindex aufweist wie das Glas, welches zur Ausbildung einer Umhüllungsglasschicht benutzt wird. Die übrige

Substratoberfläche wird daraufhin mit einer Maske 12 aus einem geeigneten Material (FIG. 2(a))bedeckt, und das Muster wird mit irgendeinem bekannten Verfahren z.B. chemisch oder auch durch Ionenaufsprühung weggeätzt. Die Maske 12 wird daraufhin entfernt, wobei das Substrat mit einem Muster von Rillen 13 (FIG. 2(b)) bedeckt zurückbleibt, in welche die Lichtwellenleiter eingebettet werden können.

Ein Kernglas 14 wird anschließend durch eine chemische Plasmabeschichtung aus der Dampfphase auf dem Substrat aufgebracht, wie weiter unten unter Bezugnahme auf die FIG. 1 näher erläutert werden wird. Das den Lichtwellenleiter ausbildende Kernglas 14 weist einen Brechungsindex auf, der geringfügig höher als der Brechungsindex der Umhüllungsglasschicht 15 und des Substrats 11 ist, und durch eine geeignete Steuerung des Betrages der Anreicherung in dem Kernglas bei Ausführen des Aufdampfprozesses kann das Kernglas über seine Dicke mit irgendeinem gewünschten Brechungsindexprofil hergestellt werden, wobei die Dicke des Kernglases kleiner als die Tiefe der Rillen 13 ist, so daß der Lichtwellenleiter 14 vollständig innerhalb dieser Rillen 13 eingebettet ist (FIG. 2(c)).

Darauffolgend wird die Umhüllungsglasschicht 15 aufgebracht und zwar wieder durch eine chemische Plasmabeschichtung aus der Dampfphase über das Kernglas 14, so daß der vollständige integrierte optische Lichtwellenleiter ausgebildet wird (FIG. 2(d)).

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters wird in der FIG. 3 gezeigt, wobei bei diesem Verfahren das Kernmaterial 14 oder Kernglas 14 zunächst durch chemische Plasmabeschichtung aus der Dampfphase in Form einer ebenen Schicht mit dem gewünschten Brechungsindexprofil

aufgedampft wird (FIG. 3(a)). Das erforderliche Lichtwellenleitermuster wird anschließend fotolithografisch auf der aufgedampften Kernschicht aufgeschrieben, und dieses Muster wird geeignet mit einer Ätzmaske 12 versehen (FIG. 3(b)). Der nicht mit der Maske abgedeckte Rest der aufgedampften Kernschicht wird daraufhin vollständig weggeätzt entweder chemisch oder durch Ionenaufsprühung oder auch irgendein anderes Verfahren, und die Maske 12 wird entfernt (FIG. 3(c)). Abschließend wird die ümhüllungsglasschicht 15 auf gedampft, so daß der vollständige integrierte optische Lichtwellenleiter hergestellt ist (FIG. 3(d)).

Zum Aufdampfen des Kernglases und der Umhüllungsglasschicht kann das in der FIG. 1 gezeigte Gerät benutzt werden. Dieses Gerät besteht aus einem Quarzglasrohr 1, welches mit einer Schulter 2 vorgesehen ist, auf welcher ein zweites, kürzeres Quarzglasrohr 3 mit einem kleineren Durchmesser koaxial angeordnet ist. Das erste Quarzglasrohr 1 ist an einem Ende geschlossen, wobei sich durch dieses verschlossene Ende ein drittes perforiertes Quarzglasrohr 4 in das zweite innere Rohr 3 erstreckt. Das andere Ende des Quarzglasrohres 1 ist mit einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbunden.

Das perforierte Quarzglasrohr 4 erstreckt sich koaxial durch das innere Rohr 3 und ist über seinen von dem inneren Rohr 3 umgebenen Bereich perforiert. Das Quarzglasrohr 4 ist ferner an seinem Ende innerhalb des ersten Rohres 1 geschlossen, so daß die in dieses perforierte Rohr 4 eingeführten Gase (angedeutet durch den Pfeil) durch Perforationen 5 fließen müssen, bevor sie durch die Pumpe abgesaugt werden.

Wenn die Gase durch die Perforationen 5 fließen, treten sie in eine Reaktionszone in dem inneren Quarzglasrohr 3 ein, wo eine chemische Reaktion durch ein Plasma ausgelöst wird, welches in der Reaktionszone

von einer Mikrowellenresonanzkammer 6 bzw. einem Klystron erzeugt wird, wobei dieser Raum unterhalb der Reaktionszone angeordnet ist und leistungsmäßig von einem nicht dargestellten Mikrowellengenerator versorgt wird. Die zugeführten Gase bestehen üblicherweise aus Sauerstoff plus den Dämpfen aus einem oder mehreren Halogeniden und weiterhin aus einem leicht zu ionisierenden Gas wie z.B. Argon. Durch die chemische Reaktion wird ein mit verschiedenen Anreicherungsmitteln dotiertes Glas oder angereichertes Glas wie jeweils erforderlich hergestellt, wobei dieses Glas auf dem Substrat 7 aufgedampft wird, welches innerhalb eines in dem inneren Quarzglasrohr 3 ausgesparten Fensters 6 befestigt wird und auf diese Weise der Reaktionszone innerhalb dieses Rohres 3 ausgesetzt wird. Der Druck innerhalb der Reaktionszone wird auf ungefähr 10 Torr konstantgehalten, und die Mikrowellenleistung und die relative Flußrate des Gases und der Dämpfe werden für die Erzeugung einer Plasmasäule gewünschter * 20 Länge eingestellt.

Auf der Außenseite des Quarzglasrohres 1 ist eine Heizspule 9 über die Länge der Reaktionszone angebracht, die dazu dient, die Substrate auf einer geeigneten Temperatur zu halten. Die Temperatur beeinflußt nicht unmittelbar die chemischen Reaktionen oder die Aufdampfungsraten, jedoch ist die Temperaturkontrolle nötig, um eine gute thermische Anpassung zwischen dem Substrat und den aufgedampften Schichten zu erzielen. Versäumt man es, eine ausreichend hohe Temperatur in der Reaktionszone aufrecht zu erhalten, so kann dies ein Brechen der aufgedampften Schichten und/oder auch bewirken, daß diese Schichten nicht auf dem Substrat haften. Oft wird eine Temperatur von ca. 1000 ⁰C benötigt, um eine gute thermische Anpassung zwischen den aufgedampften Schichten und dem Substrat zu erzielen, jedoch reichen tiefere Temperaturen aus, wenn nur dünne Schichten aufzudampfen -Ϊ sind.

Sowohl die Flußrate als auch die Zusammensetzung der Gasmischung, die durch die Rohre 4 und 3 fließt, können während der Aufdampfungszeit entweder manuell oder durch Computersteuerung variiert werden. Hierdurch wird die Variation des Aufbaus der aufgedampften Schichten und insbesondere deren Brechungsindices möglich, so daß ein gewünschtes Brechungsindexprofil eingestellt werden kann.

Chemische Plasmabeschichtung aus der Dampfphase ist insbesondere geeignet zum Aufbringen von Glas, welches mit GeO₂ angereichert ist, so daß dessen lichtbrechende Eigenschaften für die integrierte optische Anordnung ausgenutzt werden können.

Die chemische Plasmabeschichtungstechnik zum Herstellen von integrierten optischen Lichtwellenleitern hat einige Hauptvorteile gegenüber den gebräuchlichen Anlagerungsverfahren. Die chemische Plasmabeschichtungstechnik ist bei weitem flexibler, d.h. sie erlaubt insbesondere, daß eine große Anzahl von Materialien mit sehr viel größerer Kontrolle über die Stöchiometrie der aufgebrachten Schichten aufgedampft werden kann. Das Plasmaverfahren erzeugt wenig streuende Lichtwellenlei-' ter, da zu keinem Zeitpunkt in dem Verfahren irgendwelche bestimmten Materialien ausgebildet werden, und das Material und das Brechungsindexprofil können in einfacher Weise so zugeschnitten werden, daß sie dem Brechungsindexprofil und dem Material von Lichtleitfasern angepaßt sind, wodurch eine Fusionsverspleißung oder-vereinigung mit sehr geringen Verlusten zwischen den Lichtleitfasern und den integrierten optischen Komponenten ermöglicht wird.

Auch wenn in dem beschriebenen Gerät nur ein Substrat innerhalb dieses Aufdampfgerätes angeordnet ist, so ist doch offensichtlich, daß jede gewünschte Anzahl

von Substraten innerhalb dieses Gerätes angeordnet werden kann, wenn die Länge der Rohre entsprechend eingestellt wird.

Claims

11011 Patentanwälte ——— Reichel u. Reichel Parksiraße 13 - 6000Frankfurt a.M. 1 3520813 THE GENERAL ELECTRIC COMPANY, p.l.c, London, England Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters, in dem der Lichtwellenleiter aus Glas zusammengesetzt wird, welches in einer ersten Schicht (14) auf einem Substrat (11) durch chemische Beschichtung aus der Dampfphase aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem eine zweite Schicht (15) aus einem Glas mit einem kleineren Brechungsindex als dem Brechungsindex der ersten Schicht über letzterer angelagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die erste Glasschicht auf dem Substrat mit einem gewünschten Muster ausgebildet wird und die zweite Glasschicht über diesem Glasmuster angelagert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, in dem das gewünschte J Muster durch Ausbilden von Rillen (13), die in dem Sub- * strat das Muster aufweisen, und durch Aufdampfen der ersten Schicht auf den Boden des Rillenmusters hergestellt wird.

5. Verfahren nach jedem der vorangehenden Ansprüche, in dem die zweite Glasschicht ebenfalls durch chemische Beschichtung in der Dampfphase aufgebracht wird.

6. Verfahren nach jedem der vorangehenden Ansprüche, in dem das Substrat aus dem gleichen Glas hergestellt ist, welches auch für die Herstellung der zweiten Schicht benutzt wird, so daß die einen Kern ausbildende erste Schicht innerhalb einer Umhüllung mit kleinerem Brechungsindex eingebettet ist.

7. Verfahren nach jedem der vorangehenden Ansprüche, in dem die chemische Reaktion zum Bewirken des Aufdampfprozesses mittels eines Plasmas ausgelöst wird, das in einer Reaktionszone durch eine Mikrowellenresonanzkammer (6) erzeugt wird, wobei dieser Kammer Leistung von einem Mikrowellengenerator zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem das Substrat so befestigt wird, daß es dem Inneren eines Reaktionsrohres

(3) ausgesetzt ist, durch welches sich ein inneres perforiertes Rohr (5) erstreckt und das innerhalb eines äußeren Rohrs (1) befestigt ist, in dem ferner Reaktionsdämpfe in einem Trägergas und Sauerstoff in das Reaktionsrohr durch Perforationen in dem inneren perforierten Rohr eingeführt werden, wobei der Druck in dem Reaktionsrohr auf ungefähr 10 Torr gehalten wird, und in dem die Mikrowellenleistung und Flußraten zur Erzeugung einer Plasmasäule über zumindest einen von dem Substrat eingenommenen Bereich gesteuert werden, während das Substrat erwärmt wird, zur Auslösung der chemischen Reaktion und zum Ausführen des Aufdampfens einer Glasschicht auf dem Substrat.

9. Integrierter optischer Lichtwellenleiter, der durch ein Verfahren nach jedem vorangehenden Anspruch hergestellt ist.