DE3520813C2 - Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Integrierte optische Lichtwellenleiter sind Lichtwellen­ leiter, die integriert auf einem im wesentlichen ebenen Sub­ strat ausgebildet sind und in denen der Lichtleiter entweder über die gesamte Ebene des ebenen Lichtwellenleitersubstrats ausgebildet ist oder aus Streifen eines lichtwellenleitenden Materials besteht, das auf dem Substrat in einem Streifenmuster ausgebildet ist. Üblicherweise wurden derartige Lichtwellenleiter hergestellt, indem das lichtwellenleitende Material, üblicherweise Glas, welches zur Einstellung seines Brechungsindices dotiert wurde, auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht und darauf­ folgend durch Erwärmen zum Verschmelzen des Lichtwellenleiters gebracht wurde. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine sehr genaue Temperatursteuerung, da sich keine Glasteilchen ohne einen Temperaturgradienten entlang der Strömungsrich­ tung des Gases, welches das Reaktionsmittel enthält, nieder­ schlagen.

Ein entsprechender Stand der Technik findet sich in der DE 30 47 589 A1, gemäß der Halogenide von Si und Ge usw. sowie Sauerstoff in eine Reaktionskammer geleitet werden, in der durch eine hohe Temperatur, z. B. bei 1450°C, die mittels eines die Kammer umgebenden Ofens und z. B. einer erhitzten Platinplatte erzeugt wird, die gas- bzw. dampfförmigen Reak­ tionskomponenten durch Oxidation oder Hydrolyse verglast werden, wobei sich bei in spezieller Weise vorzugebendem Temperaturprofil feine Glaspartikel bilden. Diese schlagen sich auf einem auf eine bestimmte Temperatur aufzuheizenden Substrat nieder und müssen dann bei über 1000°C gesintert werden, um eine Glasschicht als Kern oder Mantel zu erzeugen bzw. aufzuschmelzen. Der gesamte Vorgang, insbesondere die Nachsinterung, ist nicht unkritisch, und es müssen ganz be­ stimmte Temperaturverhältnisse eingehalten werden, um (a) die feinen Glaspartikel erzeugen zu können und (b) bei der anschließenden Sinterung überhaupt eine einwandfreie, blasen­ freie Glasschicht zu erzielen. Dies ist in dieser Schrift im einzelnen ausgeführt.

In der DE-OS 26 42 949 und der DE-OS 24 44 100 werden innenbeschichtete Glasrohre zum Ziehen von aus einem Kern und Mantel bestehenden Glasrohren zu Lichtleitfasern be­ schrieben, wobei eine Brechungsindexerhöhung ohne Dotie­ rungszugabe mittels CVD-Technik (Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren) erzielt werden soll. Hierzu wird ein im Rohr wanderndes Plasma über eine Erwärmungsvorrichtung und Ringelektroden außerhalb des Quarzrohres bzw. um dieses herum erzeugt. Anstelle der Ringelektroden kann gemäß dieser Schriften auch ein Mikrowellenresonator verwendet werden. Durch eine gezielte Sauerstoffdrosselung wird ein Brechungs­ indexprofil erzielt.

Ferner war es aus der DE 30 15 880 A1 seit geraumer Zeit bekannt (z. B. auch aus der dort auf Seite 1 zitierten DE 26 14 647), Führungsnuten für Lichtwellenleiter in Kopplern vorzugeben. Es wird in der DE 30 15 880 A1 ein spezielles Ver­ fahren zur Erzeugung dieser Nuten bzw. Rillen vorgegeben, bei dem ein Stempel aufgelegt wird, der ein Positivmuster des Nutenverlaufs aufweist, und ein Schleifmittel zwischen Stem­ pel und Substrat gebracht wird. Der Stempel wird dabei in Ultraschallschwingung versetzt. Wie die Nuten dann mit licht­ leitendem Material aufgefüllt werden, ist in dieser Schrift offengelassen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters sowie eine Vorrichtung zu des­ sen Durchführung anzugeben, welche eine einfache und leichte Steuerung der Zusammensetzung des aufgebrachten Glases er­ möglichen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im Gegensatz zur DE 30 47 589 A1, die eine Abscheidung von feinen festen Glaspartikeln auf einem ebenen Substrat be­ wirkt, wird erfindungsgemäß eine Glasschicht direkt aus einer plasmainduzierten Gas- oder Dampf­ phase nach chemischen Verfahren abgeschieden, wobei das Plasma in der Reak­ tionskammer mittels einer Mikrowellenresonanzkammer erzeugt wird, der Leistung von einem Mikrowellengenerator zugeführt wird. In der DE 30 47 589 A1 wird das CVD-Verfahren jedoch nur für die Metallschicht für den Ätzvorgang angewandt, wobei die Ätzung in einem Glasplasma stattfindet.

Obwohl also in dieser Schrift sowohl die CVD-Abscheidung als auch ein plasmaunterstützter Prozeß angewandt werden, werden diese nicht für den Lichtwellenleiter selbst benutzt. Es wurde nicht erkannt, daß eine plasmainduzierte CVD-Be­ schichtung auf den ebenen Substraten die genannten Nachteile und Schwierigkeiten bei der Erzielung einwandfreier Glas­ schichten und einer Einstellung deren Brechungsindices über­ winden kann.

Erfindungsgemäß kann die erste Glasschicht mit höherem Brechungsindex als dem des Glassubstrats problemlos in einem Muster aufgedampft werden und darüber die zweite Glasschicht mit kleinerem Brechungsindex als dem der ersten Schicht auf­ gebracht werden, wobei das gewünschte Brechungsindexprofil sowie die Glaszusammensetzung ohne Schwierigkeiten über die Strömungsgeschwindigkeit und Zusammensetzung der Gasmischung steuerbar sind. Weitere Vorteile des plasmaunterstützten Ver­ fahrens sind im vorletzten Absatz der Beschreibung angegeben.

Es wurde im Stand der Technik auch nicht erkannt, daß man gemäß Anspruch 2 der vorliegenden Anmeldung bereits im Substrat ein Nutmuster ausbilden kann. Daß man durch Vorsehen der Rillen oder Nuten im Substrat auf einfache Weise dafür sorgen kann, daß das Kernglas vollständig mit Glas kleinerem Brechungsindex umhüllt wird, ist auch aus der DE 30 47 589 A1 nicht nahelegbar, denn obgleich dort z. B. gemäß den Figuren eine Einbettung des Kernglases zwischen Substrat und Umhüllungs­ schicht erfolgt, ist hierzu die Ätzung der Kernschicht selbst erforderlich.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 6 treten die zugeführten Reaktionspartner (Gase und Dämpfe) durch die Perforationen eines Rohrs hindurch, wobei es zur gleichmäßigen Plasmabildung in der Reaktionszone kommt, in der z. B. im Gegensatz zum Stand der Technik rundherum eine größere Anzahl von Substraten befestigbar ist, die auf diese Weise alle gleichmäßig beschichtet werden können.

Das Glasmuster der ersten Schicht kann ausgebildet wer­ den, 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.

Vorzugsweise wird jedoch, wie bereits dargelegt, das ge­ wünschte Muster der ersten Schicht durch Bilden von Rillen im Substrat erzeugt, wobei darauffolgend die erste Schicht so abgeschieden 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 Glasschicht aufgedampft werden.

Das Substrat ist vorzugsweise eine Schicht aus dem glei­ chen Glas wie das Glas, welches für die zweite Schicht be­ nutzt wird, so daß die erste Schicht, die einen Glaskern bil­ det, auf diese Weise innerhalb einer Umhüllung mit kleinerem Brechungsindex eingebettet ist.

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

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Durchführung zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters an Hand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, welche für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters benutzt wird,

Fig. 2 in schematischer Darstellung die Verfahrens­ schritte eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, und

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Schritte eines zweiten Ausführungsbeispiels entsprechend des erfindungsge­ mäßen Verfahrens.

Zunächst wird, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, das gewünschte Lichtwellenleitermusters auf ein Träger­ material oder ein Substrat 11 mittels eines fotolitho­ grafischen Verfahrens geschrieben. Das Substrat ist aus einem Glas hergestellt, welches den gleichen Brechungs­ index 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, wegge­ ätzt. Die Maske 12 wird daraufhin entfernt, wobei das Substrat mit einem Muster von Rillen 13 (Fig. 2(b)) be­ deckt zurückbleibt, in welche die Lichtwellenleiter eingebettet werden können.

Ein Kernglas 14 wird anschließend durch eine che­ mische Plasmabeschichtung aus der Dampfphase auf dem Substrat auf gebracht, 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 Bre­ chungsindex der Umhüllungsglasschicht 15 und des Sub­ strats 11 ist, und durch eine geeignete Steuerung der Dotierungskonzentration in dem Kernglas bei Ausfüh­ ren des Aufdampfprozesses kann das Kernglas über seine Dicke mit irgendeinem gewünschten Brechungsindexprofil hergestellt werden, wobei die Dicke des Kernglases klei­ ner als die Tiefe der Rillen 13 ist, so daß der Licht­ wellenleiter 14 vollständig innerhalb dieser Rillen 13 eingebettet ist (Fig. 2(c)).

Darauffolgend wird die Umhüllungsglasschicht 15 aufgebracht und zwar nieder durch eine chemische Plas­ mabeschichtung aus der Dampfphase über dem Kernglas 14, so daß der vollständige integrierte optische Licht­ wellenleiter 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 Kernma­ terial 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 Licht­ wellenleitermuster wird anschließend fotolithografisch auf die aufgedampfte Kernschicht aufgeschrieben, und dieses Muster wird geeignet mit einer Ätzmaske 12 ver­ sehen (Fig. 3(b)). Der nicht mit der Maske abgedeckte Rest der aufgedampften Kernschicht wird daraufhin voll­ ständig weggeätzt entweder chemisch oder durch Ionenauf­ sprühung oder auch durch irgendein anderes Verfahren, und die Maske 12 wird entfernt (Fig. 3(c)). Abschließend wird die Umhüllungsglasschicht 15 aufgedampft, so daß der vollständige, integrierte optische Lichtwellenleiter hergestellt ist (Fig. 3(d)).

Zum Aufdampfen des Kernglases und der Umhüllungs­ glasschicht kann die in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung be­ nutzt werden. Diese besteht aus einem Quarzglas­ rohr 1, welches mit einer Schulter 2 versehen 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 Quarz­ glasrohr 4 ist ferner an seinem Ende innerhalb des ersten Rohres 1 geschlossen, so daß die in dieses per­ forierte Rohr 4 eingeführten Gase (angedeutet durch den Pfeil) durch Perforationen 5 strömen müssen, bevor sie durch die Pumpe abgesaugt werden.

Wenn die Gase durch die Perforationen 5 strömen, treten sie in eine Reaktionszone in dem inneren Quarz­ glasrohr 3 ein, wo eine chemische Reaktion durch ein Plasma ausgelöst wird, welches in der Reaktionszone von einer Mikrowellenresonanzkammer 6 erzeugt wird, wobei dieser Raum unterhalb der Reaktionszone angeordnet ist und leistungsmäßig von einem nicht dargestellten Mikrowellengenerator versorgt wird. Die zugeführten Gase bestehen üblicher­ weise aus Sauerstoff plus den Dämpfen aus einem oder mehreren Halogeniden und weiterhin aus einem leicht zu ionisierenden Gas, wie z. B. Argon. Durch die chemi­ sche Reaktion wird ein mit verschiedenen Anreicherungs­ mitteln dotiertes Glas, wie jeweils erforderlich hergestellt, wobei dieses Glas auf das Substrat 7 aufgedampft wird, welches innerhalb eines in dem inneren Quarzglasrohr 3 ausgesparten Fen­ sters 8 befestigt wird und auf diese Weise der Reaktions­ zone innerhalb dieses Rohres 3 ausgesetzt wird. Der Druck innerhalb der Reaktionszone wird auf ungefähr 1,3 · 10³ Pa konstant gehalten, und die Mikrowellenleistung und die relative Strömungsgeschwindigkeit des Gases und der Dämpfe werden für die Erzeugung einer Plasmasäule gewünschter 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 Tem­ peratur zu halten. Die Temperatur beeinflußt nicht un­ mittelbar die chemischen Reaktionen oder die Aufdamp­ fungsgeschwindigkeiten, 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 Reak­ tionszone aufrechtzuerhalten, 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°C benötigt, um eine gute thermische Anpassung zwischen den aufgedampften Schich­ ten und dem Substrat zu erzielen, jedoch reichen tiefere Temperaturen aus, wenn nur dünne Schichten aufzudampfen sind.

Sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Zusammensetzung der Gasmischung, die durch die Rohre 4 und 3 strömt, können während der Aufdampfungszeit entweder manuell oder durch Computersteuerung variiert werden. Hierdurch wird die Variation des Aufbaus der aufgedampften Schich­ ten 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, wel­ ches mit GeO₂ angereichert ist, so daß dessen licht­ brechende Eigenschaften für die integrierte, optische Anordnung ausgenutzt werden können.

Die chemische Plasmabeschichtungstechnik zum Her­ stellen von integrierten optischen Lichtwellenleitern hat einige Hauptvorteile gegenüber den gebräuchlichen Anlagerungsverfahren. Die chemische Plasmabeschichtungs­ technik ist bei weitem flexibler, d. h. sie erlaubt ins­ besondere, 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 Mate­ rial und das Brechungsindexprofil können in einfacher Weise so zugeschnitten werden, daß sie dem Brechungsin­ dexprofil 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 der beschriebenen Vorrichtung nur ein Sub­ strat innerhalb dieser Aufdampfvorrichtung angeordnet ist, so ist doch offensichtlich, daß jede gewünschte Anzahl von Substraten innerhalb der Vorrichtung angeordnet werden kann, wenn die Lange der Rohre entsprechend eingestellt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Lichtwellenleiters, bei dem

• - auf einem ebenen Substrat aus Glas
• - eine erste Schicht aus einem Glas, das einen höheren Brechungsindex als das Substratglas aufweist, in einem Muster aufgedampft wird und
• - über diesem Glasmuster eine zweite Schicht aus einem Glas, das einen kleineren Brechungsindex als das Glas der ersten Schicht aufweist, auf­ gedampft wird,
• - wobei die chemische Dampfabscheidung in einem Reaktionsrohr durch ein Plasma ausgelöst wird, das in der Reaktionszone mittels einer Mikro­ wellenresonanzkammer, der Leistung von einem Mikrowellengenerator zugeführt wird, erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Muster durch Rillen in dem Substrat gebildet wird und die erste Glas­ schicht auf den Boden des Rillenmusters aufgedampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Substrat ein Glas verwendet wird, welches auch zur Herstellung der zweiten Schicht benutzt wird, so daß die einen Kern ausbildende erste Schicht innerhalb einer Umhüllung mit kleinerem Brechungsindex einge­ hüllt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Druck in dem Reaktionsrohr auf ungefähr 1,3 × 10³ Pa gehalten wird und zur Erzeugung der Plasmasäule die Mikrowellenleistung und Strömungsgeschwindigkeiten der Reaktionsdämpfe in einem Trägergas und Sauerstoff über zu­ mindest einen vom Substrat eingenommenen Bereich gesteuert werden, während das Substrat erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in der Reaktionszone eine Temperatur von etwa 1000°C aufrecht erhalten wird und sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Zusammenset­ zung der Gasmischung während der Aufdampfungszeit variiert werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend

• - ein äußeres Rohr (1), das an einem Ende geschlossen und am anderen Ende mit einer Vakuumpumpe verbunden ist,
• - ein innerhalb des ersten Rohres (1) koaxial angeordnetes Reaktions­ rohr (3), an dem mindestens ein Substrat (7) in im Reaktionsrohr (3) aus­ gesparten Fenstern (8) anbringbar ist,
• - ein innerhalb des Reaktionsrohres (3) koaxial angeordnetes, der Zufüh­ rung der Gase dienendes, perforiertes Rohr (4), das sich durch das ver­ schlossene Ende des Außenrohres (1) erstreckt und an seinem der Va­ kuumpumpe zugewandten Ende verschlossen ist, sowie
• - eine Mikrowellenresonanzkammer (6), die unterhalb der Reaktionszone angeordnet und mit einem Mikrowellengenerator verbunden ist.