DE69202277T2 - Verfahren zur Herstellung von integriert-optischen Wellenleitern in Glas. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf integrierte optische Wellenleiter und speziell auf ein Verfahren zum Herstellen planarer optischer Wellenleiter aus Glas.
• Integrierte optische Wellenleiter aus Glas interessieren für die Herstellung verschiedener Arten von integrierten optischen Bauelementen, da sie eine reduzierte Dämpfung aufweisen, mit kommerziell erhältlichen Lichtleitfasern kompatibel sind und zu relativ niedrigen Kosten hergestellt werden können.
• Die am verbreitetsten angewandte Technik zum Herstellen solcher Wellenleiter ist der Ionenaustausch, und zwar aufgrund seiner Einfachheit und der bei der Wahl der Größe und der geometrischen Charakteristiken des resultierenden Wellenleiters möglichen Flexibiliät. Der Austausch findet statt zwischen den Ionen Na&spplus;, die stets in üblichen Gläsern wie Natriumkarbonat-Kalk-Gläsern und Bor-Silikat-Gläsern vorhanden sind, und anderen einwertigen Ionen wie Li&spplus;, Cs&spplus;, Rb&spplus;, Ti&spplus; und, üblicher, K&spplus; und Ag&spplus;: Im Vergleich zu Na&spplus;-Ionen wird der Brechungsindex aufgrund der geringeren Größe (Ionen Li&spplus;) oder aufgrund der höheren Elektronen-Polarisierbarkeit (alle anderen oben genannten Ionen) in den am Austausch beteiligten Bereichen erhöht, die somit eine Leiterfunktion für die in sie eingeleitete Lichtstrahlung ausüben können.
• Im allgemeinen wird der Ionenaustausch durchgeführt durch Verwendung geschmolzener Salze der betroffenen Elemente, wie es beschrieben ist in den Artikeln "Glass waveguide by ion exchange: a review" von T. Findakly, Optical Engineering, Band 24, Nr. 2, März-April 1985, Seiten 244 bis 250, und "Ion-Exchanged Glass Waveguides. A Review" von R. V. Ramaswamy und R. Srivastava, Journal of Lightwave Technology, Band 6, Nr. 6, Juni 1988, Seiten 984 bis 1001. Diese Verfahren leiden an einigen Nachteilen: Erstens erfordern sie eine Reihe komplexer Operationen, bevor das Substrat mit den geschmolzenen Salzen in Kontakt gebracht wird, da die Flächen, bei denen ein Austausch nicht erfolgen soll, maskiert werden müssen: Dieser Vorgang ist eher lang, besonders wenn die Geometrie des Wellenleiters komplex ist. Zweitens müssen alle Prozeßparameter (Glaszusammensetzung, Natur und Konzentration der Austauschionen, Temperatur, Dauer, Materialreinheit, externes elektrisches Feld usw.) sorgfältig gesteuert werden, um Wällenleiter mit den gewünschten Charakteristiken zu erhalten, da der Brechungsindex in komplexer Weise von diesen Parametern abhängt. Darüberhinaus ist die Brechungsindexvariation an den Grenzen der Leiterzonen stets eher graduell (selbst im Fall eines Stufen-Brechungsindexprofils) und umfaßt ein Band, dessen Breite nicht unter einen bestimmten Wert vermindert werden kann.
• Die Erfindung zielt darauf, einen Prozeß zu liefern, bei dem die gewünschten Brechungsindexänderungen in einfacher Weise und mit hoher Präzision erhalten werden, und zwar obendrein ohne Verwendung chemischer Verbindungen, die ihrer Natur nach eine gewisse Verunreinigung bringen.
• Zur Durchführung der Erfindung werten die Erfinder ein Phänomen aus, das bei Natriumoxid enthaltenden und einem Elektronenbeschuß unterworfenen Gläsern beobachtet wird, nämlich dem Aufbrechen der Natrium-Sauerstoff-Bindungen mit folglicher Freisetzung von molekularem Sauerstoff und einer Natriumionenwanderung in das Innere des bombardiertän Probestücks als Ergebnis des elektrischen Felds, das durch die Anhäufung negativer Ladungen unter der Substratoberfläche in der bombardierten Zone erzeugt wird. Diese Erscheinung wurde beschrieben von J. L. Lineweaver in dem Artikel "Oxygen Outgassing Caused by Electron Bombardment of Glass", Journal of Applied Physics, Band 34, Nr. 6, Juni 1963. Der Autor interessiert sich hierbei aber nur für die Analyse der Erscheinung und das Studium der Konsequenzen der Sauerstofffreisetzung für die Aufrechterhaltung der Glaseigenschaften und für die Verwendbarkeit des Glases in Kathodenstrahlröhren; es wird keine Lehre für eine mögliche Ausnützung der Erscheinung zum Erzielen spezifischer Vorrichtungen gegeben. Im Gegensatz hierzu haben die Erfinder die Ausnützung des Elektronenbombardements zum Erzielen von Brechungsindexänderungen, die zur Schaffung eines optischen Wellenleiters notwendig sind, in einem Glassubstrat vorgesehen, und zwar unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die aus der Natriumionenwanderung und der Freisetzung von Sauerstoff resultierende Strukturänderung eine Brechungsindexänderung in den Bereichen, in denen die Strukturänderung stattfinded, bewirkt.
• Ein Verfahren zum Herstellen von optischen Wellenleitern, das auf einem Elektronenbombardement beruht, ist von S. J. Madden, M. Green und D. Barbier in dem Artikel "Optical channel waveguide fabrication based on electron beam irradiation of silica", Applied Physics Letters, Band 57 (27), 31. Dezember 1990, beschrieben worden. Gemäß diesem Artikel wird jedoch das Bombardement dazu verwendet, eine Kompaktierung einer vitrösen Silikamatrix zu bewirken, die keine Natriumionen enthält, und somit nützt jene Wellenleiterherstellung ein anderes Phänomen aus als das, auf dem die Erfindung beruht.
• Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen von optischen Wellenleitern auf einem Substrat durch Bombardierung der Substratoberfläche mit einem Elektronenstrahl, wobei das Substrat ein Glassubstrat ist, das Natriumoxid enthält, und der Elektronenstrahl Schritt für Schritt über diese Oberfläche bewegt wird, um drei parallele Bahnen entlang einem Pfad zu beschreiben, der der Form des zu erhaltenden Wellenleiters entspricht, wobei in den Zonen, die dem Bombardement unterworfen werden, ein sich entlang dem gesamten Strahlenweg erstreckender Bereich geschaffen wird, in dem eine Natriumionenwanderung in Richtung zum Inneren des Substrats erfolgt. Das Bombardement entlang den einzelnen Bahnen wird mit einer solchen Energie und für eine solche Zeit durchgeführt, daß der Bereich in Übereinstimmung mit den seitlichen Bahnen die Substratoberfläche umfaßt und in Übereinstimmung mit der zentralen Bahn vollständig innerhalb des Substrats liegt.
• Die zum Substratinneren gerichtete Natriumionenwanderung und die Freisetzung des Sauerstoffs bewirken im betroffenen Bereich eine Struktur erniedrigter Dichte, die einen niedrigeren Brechungsindex hat als der nicht-bombardierte Bereich. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den Elektronenstrahl gemäß drei parallelen Bahnen zu versetzen und so entlang der zentralen Bahn einen Oberflächenbereich zu schaffen, der durch das Bombardement nicht verändert wird und folglich einen höheren Brechungsindex aufweist und den Wellenleiterbereich bildet, während die in die Wanderung einbezogenen Bereiche die Grenzbereiche des Wellenleiters bilden.
• Ein Verfahren dieser Art ist von Natur aus einfach und sauber. Außerdem ist es aufgrund der Einfachheit, mit der ein Elektronenstrahl abgelenkt werden kann, möglich, ohne Schwierigkeit Wellenleiter mit einer sehr komplizierten geometrischen Form zu erhalten. Schließlich erlaubt die Verwendung eines Elektronenstrahls eine präzise Abgrenzung der von der Brechungsindexänderung betroffenen Bereiche und somit die Erzielung einer hohen seitlichen Auflösung.
• Vorzugsweise wird zum Zweck, daß der in die Ionenwanderung einbezogene Bereich die beschriebene genaue Konfiguration aufweist, das Bombardement entlang der zentralen Bahn mit größerer Energie ausgeführt als entlang den seitlichen Bahnen; die Bombardementdauer ist dann bei jedem Schritt der Strahlablenkung im wesentlichen für die drei Bahnen gleich und ist diejenige Dauer, die es ermöglicht, in Übereinstimmung mit den seitlichen Bahnen einen Gleichgewichtszustand zu schaffen.
• Auf diese Weise dringen entlang der zentralen Bahn die Elektronen in das Substrat zu einer größeren Tiefe vor als entlang den seitlichen Bahnen. Während der Zeit, die zum Erhalten des Gleichgewichtszustand entlang den seitlichen Bahnen benötigt wird, betrifft die Ionenwanderung an der zentralen Bahn nur diejenigen Substratschichten, die am nächsten zur Zone liegen, in der sich die negativen Ladungen angesammelt haben, und nicht die Oberflächenschichten.
• Bei dieser Durchführungsweise der Erfindung können Beschleunigungspotentiale der Größenordnung von 30 bis 35 kV für das Bombardement entlang der zentralen Bahn und von 20 bis 25 kV für die beiden seitlichen Bahnen verwendet werden. Durch diese Werte erstreckt sich der von der Ionenwanderung betroffene Bereich hinunter bis zu einer Tiefe von 18 bis 22 um für das Bombardement höherer Energie und bis 6 bis 7 um für das Bombardement niedrigerer Energie.
• Die Zeit, die erforderlich ist, um den beschriebenen Gleichgewichtszustand zu erreichen, hängt von der Stromstärke des Bombardements ab und wird umso kürzer, je höher die Stromstärke ist. Die Stromstärke sollte jedoch so sein, daß in der bombardierten Zone eine Stromdichte über einem gewissen Minimum (in der Größenordnung von 10&supmin;&sup9; A/um²) sichergestellt ist, unterhalb dessen keine Ansammlung negativer Ladungen innerhalb des Probestücks stattfinded. Die aktuelle zu verwendende Stromstärke wird jedes Mal unter Berücksichtigung auch der Länge des herzustellenden Wellenleiters so bestimmt, daß Gesamtzeiten erhalten werden, die mit einer Herstellung in industriellem Maßstab kompatibel sind. Falls erforderlich, können die einzelnen parallelen Bahnen auch mehrfach überstrichen werden.
• Ein Problem, das beim Elektronenbombardement auftreten kann, ist das der Elektronenansammlung auf der Glasoberfläche. Diese Erscheinung kann das Eindringen und somit die Ladungsanhäufung hindern. Sie kann vermieden werden durch Beschichtung der Probestückoberfläche vor dem Bombardement mit einer Schicht aus leitendem Material, das leicht entfernt werden kann: Ti und Au, die in zwei sich überlagernden Schichten abgelagert werden, oder Ni oder allgemein irgendein Metall können passende Materialien sein. Die Metallschicht kann mit einer beliebigen geeigneten Technik (Dampfablagerung, Sprühen) aufgebracht werden und wird entfernt, sobald die Operationen der Wellenleiterherstellung vorüber sind, beispielsweise durch chemische Verfahren unter Verwendung passender Säuren und Oxidationsmittel. Eine Beschichtungsoperation dieser Art, die die gesamte Oberfläche des Probestücks betrifft, ist einfacher und schneller als das Bilden einer Maske gegebener Geometrie, wie es von den bekannten Techniken gefordert wird.
• Die Herstellung von Wellenleitern ist schematisch in der anliegenden Zeichnung gezeigt.
• In der Zeichnung bezeichnet 1 ein Glassubstrat, in dem die Wellenleiter erhalten werden sollen und das mit einer Schicht aus einem leitendem Material 2 bedeckt ist. Das Substrat 1 wird mit einem Elektronenstrahl 3 bombardiert, der von einer Quelle 4 emittiert wird, die an einem (nicht dargestellten) Support montiert ist, welcher die notwendigen Verstellungen zum Beschreiben der parallelen Bahnen wie oben angegeben ermöglicht. Da die Quelle vollständig nach dem Stand der Technik ist, ist eine ins einzelne gehende Beschreibung nicht erforderlich. Der Elektronenstrahl und die Quelle sind in der Stellung, die der zentralen Bahn entspricht, in durchgehenden Linien und in der Stellung, die den beiden seitlichen Bahnen entspricht, gestrichelt eingezeichnet.
• Die an der Wanderung der Natriumionen beteiligten Zonen sind durch schraffierte Flächen 5a für die zentrale Bahn und 5b, 5c für seitliche Bahnen angegeben. Wie gezeigt, berühren sich die drei Zonen 5a, 5b und 5c gegenseitig. Die Zone 5a hat eine gewisse Tiefe, während die seitlichen Zonen 5b, 5c sich bis zur Substratoberfläche hinauf erstrecken. Auf diese Weise begrenzen die Zonen 5a, 5b, 5c eine nicht an der Wanderung der Na&spplus;-Ionen beteiligte Zone 6 und trennen sie vom Rest des Substrats 1 ab. Die Zone 6 bildet auf diese Weise den Leiterbereich, während die Gesamtheit der drei Zonen 5a bis 5c den Begrenzungsbereich bildet.
• Es ist klar, daß das Beschriebene nur als nicht-begrenzendes Beispiel angegeben wurde und Änderungen und Modifikationen möglich sind. Speziell können die Zonen 5b, 5c durch Gebrauch eines Elektronenstrahls, der die gleiche Energie aufweist, wie sie für die zentrale Bahn verwendet wird, und durch Erniedrigen der Bombardementdauer oder der Stromstärke erzeugt werden, anstatt die Bombardementzeit in den drei Bahnen konstant zu halten und einen Elektronenstrahl niedrigerer Energie für die beiden seitlichen Bahnen zu verwenden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von integrierten optischen Wellenleitern auf einem Substrat (1) durch Bombardieren der Substratoberfläche mit einem Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß

das Substrat (1) ein Substrat aus einem Glas, das Natriumoxid enthält, ist und

daß man den Elektronenstrahl (3) schrittweise über die Glasoberfläche entlang drei parallelen Bahnen entsprechend dem Weg des herzustellenden Wellenleiters versetzt,

daß man das Bombardement entlang der zentralen Bahn mit einer solchen Energie und für eine solche Zeit durchführt, daß die Wanderung der Natriumionen zum Substratinneren in einer zentralen Zone (5a) induziert wird, die in einer gewissen Tiefe unter der Substratoberfläche liegt, und

daß man das Bombardement entlang den seitlichen Bahnen mit einer solchen Energie und für eine solche Zeit durchführt, daß die Wanderung der Natriumionen zum Substratinneren in seitlichen Zonen (5b, 5c) induziert wird, die sich bis zur Substratoberfläche erstrecken,

um so einen Wellenleiterbereich (6) zu schaffen, der von der zentralen Zone (5a) und den seitlichen Zonen (5b, 5c) begrenzt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bombardement entlang der zentralen Bahn mit einer höheren Energie stattfindet als entlang den seitlichen Bahnen und die Bombardement-Zeit für jeden Versetzungsschritt des Elektronenstrahls (3) entlang jeder Bahn konstant ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bombardement-Zeit diejenige Zeit ist, die zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands in Übereinstimmung mit den beiden seitlichen Bahnen notwendig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bombardement für alle drei Bahnen mit der gleichen Energie und für jeden Versetzungsschritt entlang den seitlichen Bahnen für eine kürzere Zeit und/oder mit einer niedrigeren Stromstärke durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Bombardement die Oberfläche des Substrats (1) mit einem leitenden Material beschichtet, das man nach dem Bombardement entfernt.