DE69408021T2

DE69408021T2 - Verfahren zur Erhöhung des Brechungsindex von Glas

Info

Publication number: DE69408021T2
Application number: DE69408021T
Authority: DE
Inventors: Robert Michael Atkins; Paul Joseph Lemaire; Victor Mizrahi; Kenneth Lee Walker
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2014-04-14
Also published as: EP0622343A2; DE69408021D1; EP0622343B1; JP3207041B2; JPH06345475A; EP0622343A3

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steigern der Brechzahl eines glasähnlichen Materials. Sie ist besonders nützlich bei der Herstellung optischer Vorrichtungen wie beispielsweise Lichtwellenleiter, Gitter und Laser.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß zwischengeschaltete faseroptische Gitter durch Anlegen von zwei Interferenzstrahlen ultravioletter Strahlung an eine Glaswellenleiterstruktur ausgebildet werden können. Man siehe beispielsweise US-Patente Nr. 4,807,950 und 4,725,110, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Diese Gitter sind typischerweise in Ge-dotierter Lichtleitfaser ausgebildet.
Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt und in den oben erwähnten Stammanmeldungen offenbart, daß die den Index ändernde Wirkung aktinischer (UV-)Strahlung durch Behandlung des Glases mit Wasserstoff oder Deuterium gesteigert werden kann.
Man siehe auch F. Ouellette et al., Applied Physics Letters, Band 58(17), 5. 1813, wo unter anderem offenbart ist, daß die Empfindlichkeit der Ge-dotierten Faser für aktinische Strahlung durch eine thermische Wasserstoffbehandlung (4 Stunden mit 400ºC in 12 Atmosphären H&sub2;) gesteigert werden kann. Man siehe auch G. Meltz et al., SPIE, Band 1516, International Workshop on Photoinduced Seif-Organization in Optical Fiber, 10. bis 11. Mai, 1991, Quebec City, Kanada, Vortrag 1516-18, wo die Behandlung einer stark dotierten Germaniumsilicat- Vorformlingsstange 75 Stunden lang mit 610ºC in 1 Atmosphäre H&sub2; zur Steigerung der Lichtempfindlichkeit des Glases berichtet wird. In der am 18. Januar 1991 für R.M. Atkins et al. eingereichten US-Patentanmeldung 643,886 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfaser offenbart, das das Verhältnis GeO/GeO&sub2; im Ge-dotierten Kern der Faser steigert und dadurch die Empfindlichkeit der Faser für aktinische Strahlung steigert. Zu dem Verfahren gehört beispielsweise das Zusammendrücken der Vorformlingsröhre in einer im wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre.
Die vorliegende Anmeldung gründet sich auf die weitere Entdeckung, daß in mit Wasserstoff bzw. Deuterium behandeltem Glas (das hiernach allgemein als mit Wasserstoff behandeltes Glas bezeichnet wird) die Brechzahl nicht nur durch aktinische Strahlung, sondern auch durch das Anlegen von Wärme erhöht werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Brechzahl eines glasähnlichen Materials wird durch Behandlung des Materials mit Wasserstoff und das Anlegen von Wärme erhöht. Insbesondere wird das Glas solange Wasserstoff bzw. Deuterium mit einem Druck im Bereich von 96,5 kPa - 75,8 mPa (14-11 000 psi) und einer Temperatur im Bereich von 21-150ºC ausgesetzt, daß sich der Wasserstoff in das Glas eindiffundiert. Danach wird das Glas einer rund 500ºC überschreitenden Wärme wie beispielsweise durch Anlegen einer Flamme oder von Infrarotstrahlung ausgesetzt. Die Erwärmungsdauer beträgt vorzugsweise eine Sekunde oder weniger. Das Ergebnis ist eine bedeutsame und langlebige Steigerung der normierten Brechzahl. Beispielsweise hat die Flammenerwärmung von mit H&sub2; belasteten und handelsüblichen GeO&sub2;-dotierten Lichtleitfasern (AT&T-Einmodenfaser Accutether) normierte Indexänderungen Δn/n von 4x10&supmin;³ erzeugt. Dieses Verfahren kann zur Herstellung und Einstellung einer Vielzahl von Lichtwellenleitervorrichtungen benutzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine Blockdarstellung der Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Steigern der Brechzahl eines glasähnlichen Materials;
Figuren 2 und 3 Glaskörper, bei denen das Verfahren benutzt werden kann;
Figuren 4 und 5 graphische Darstellungen der Auswirkung des Verfahrens bei der Änderung der Brechzahl.

Ausführliche Beschreibung

Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt Figur 1 die Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Steigern der Brechzahl eines glasähnlichen Materials.
Nach der Darstellung in der Figur IA besteht der erste Schritt aus der Bereitstellung eines Glaskörpers Der Körper kann viele verschiedene Formen besitzen. Besonders für dieses Verfahren bevorzugte Formen sind in Figuren 2 und 3 dargestellt. Zu ihnen gehören Lichtleitfaser und durch Substrat gestützte dünne Schichten für planare optische Wellenleitervorrichtungen. Das Glas ist vorzugsweise ein mit Germanium dotiertes durchsichtiges Glas wie beispielsweise GeO&sub2;-dotiertes Siliziumoxid. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß das Verfahren bei anderen Arten von durchsichtigem Glas wie beispielsweise P-dotiertem Siliziumoxid und P-Al-dotiertem Siliziumoxid funktionert. Typische GeO&sub2;-Konzentrationen in Siliziumoxid liegen im Bereich von 3-20 Molprozent GeO&sub2;, wobei für höhere GeO&sub2;-Konzentrationen höhere Indexänderungen beobachtet wurden.
Der nächste, in Figur 1B gezeigte Schritt ist die Diffundierung von Wasserstoff in den Glaskörper, zumindest in denjenigen Gebieten, deren Brechzahl zu steigern ist. Diese Diffusion wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß der Körper Wasserstoff- (bzw. Deuterium-)Gas mit einem Druck im Bereich von 96,5 KPa bis 75,8 mPa (14- 11 000 psi) ausgesetzt wird. Die Diffusion findet vorteilhafterweise bei niedrigen bis mäßigen Temperaturen im Bereich von 21-150ºC statt.
Diffusionszeiten sind von der Temperatur und der Stärke des mit Wasserstoff zu beladenden Glases abhängig.
Typische Diffusionszeiten für Lichtleitfasern von Standardgrößen betragen ca. 12 Tage bei 21ºC oder ca. 10 Stunden bei 100ºC. Allgemeiner gesagt ist die für die H&sub2;-Beladung einer Faser mit Radius r erforderliche Zeit proportional zu r² und umgekehrt proportional zum Diffusionskoeffizienten von H&sub2; im Glas.
Man ist der Ansicht, daß die Menge (Molprozent) von H&sub2;-Beladung in GeO&sub2;-dotiertem Glas im günstigsten Fall proportional zu den Molprozent des GeO&sub2;-Dotiermittels ist. Typische GeO&sub2;-Mengen in Siliziumoxid sind in der Größenordnung von 3-20 Molprozent. Dementsprechend verändern sich die zum Erreichen von maximalen Δn benötigten H&sub2;-Mengen proportional. Da die durch Erwärmung induzierten Reaktionen normalerweise nur an örtlichen Teilen des Glaskörpers auftreten, ist es möglich, H&sub2; zu verwenden, das aus umgebenden Bereichen eindiffundieren kann. Beispielsweise kann bei einer Einmodenfaser eine bedeutende Menge H&sub2; aus dem Mantelmaterial in den GeO&sub2;-dotierten Kern eindiffundieren, was erlaubt, maximale Indexänderungen im Kern zu erreichen, selbst wenn die H&sub2;-Konzentration geringer als die GeO&sub2;-Konzentration ist. Man ist der Ansicht, daß an der entsprechenden Reaktion ein H-Atom pro Ge-Atom beteiligt ist. Bei der Herstellung verändert sich die Menge an eingeladenem Wasserstoff im Gleichgewichtszustand zusammen mit dem Druck des Wasserstoffs und zusammen mit einem Exponentialfaktor exp [2.07 Kcal/MOL/RT].
Der dritte, in Figur lC gezeigte Schritt ist die Erwärmung des mit Wasserstoff beladenen Glases. Das Glas wird vorzugsweise schnell auf eine rund 500ºC überschreitende Temperatur erwärmt. Niedrige Temperaturen in der Größenordnung von 300ºC sind unwirksam und eine allmähliche Erwärmung mit niedrigen Temperaturen (über mehrere Minuten anstatt Sekunden) kann das Ausdiffundieren des Wasserstoffes aus dem Glas ohne Steigern der Brechzahl verursachen.
Zum Erzielen einer Indexänderung kann jedes schnelle Erwärmungsverfahren benutzt werden. Bei Lichtleitfasern ist bislang Flammenerwärmung benutzt worden und für planare Wellenleiterstrukturen ist Strahlungserwärmung wie beispielsweise von einem CO&sub2;-Laser vorteilhaft. Die Erwärmung kann entweder allgemein oder örtlich stattfinden. Örtliche Erwärmung wie beispielsweise durch Infrarotstrahlung von einem fokussierten CO&sub2;-Laser kann örtliche Gebiete mit einer gesteigerten Brechzahl definieren und dadurch lokalisierte Wellenleitstrukturen definieren oder die Weglänge von kritischen Lichtleitgebieten wie beispielsweise Laserresonatoren einstellen. Als Alternative können Faser- oder Wellenleiterstrukturen örtlich an einer Mehrzahl von periodisch beabstandeten Stellen entlang der Weglänge erwärmt werden, um eine Gitterstruktur zu definieren.
Die bevorzugte Anwendung des Verfahrens ist zum Steigern der Brechzahl ausgewählter Teile von Lichtleitfaser oder einer Glasschicht zum Ausbilden oder Verändern von Lichtwellenleiterstrukturen. Ein Lichtwellenleiter umfaßt im allgemeinen eine längliche Glasstruktur mit einem Kern aus Glas mit relativ hoher Brechzahl und einen den Kern mindestens teilweise umgebenden Mantel aus Glas mit niedrigerer Brechzahl. Die Dimensionen des Kerns sind zur Übertragung von elektromagnetischer Strahlung mit einer Lichtwellenlänge typischerweise im Bereich von 0,4 bis 1,7 Mikrometer in der Längsrichtung ausgewählt und geeignet. Figur 2 zeigt einen solchen Wellenleitkörper in der Form einer Lichtleitfaser 10 mit einem von einem konzentrischen Mantel 12 umgebenen zentralen zylindrischen Kern 11. Nach der Darstellung besteht eine zweckdienliche Weise, Wärme an eine Länge einer derartigen Faser anzulegen, darin, sie durch eine Flamme 13 zu führen.
Figur 3 zeigt einen Wellenleitkorper in planarer Form, typischerweise mit einem Substrat 20, einer auf dem Substrat angeordneten dünnen Mantelschicht 21, einer Kernglasschicht 22 auf dem Mantel und einer Manteloberschicht 23. Die Grundstruktur herkömmlicher planarer Wellenleiter ist in C.H. Henry et al., "Glass Waveguides on Silicon for Hybrid Optical Packaging" (Glaswellenleiter auf Silizium zur hybriden optischen Verpackung), 7 J. Lightwave Technol., Seiten 1530-39 (1989) beschrieben. Typischerweise wird vor Anlegen des Obermantels alles außer einem dünnen Streifen der Kernschicht weggeätzt, um das Wellenleitgebiet zu definieren, und obwohl das erfindungsgemäße Verfahren mit solchen Vorrichtungen (beispielsweise zum Definieren von Gittern) benutzt werden kann, ist das Kernglas hier als planare Schicht dargestellt, um die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Definieren von Wellenleiterstrukturen zu erläutern.
Nach der Darstellung besteht eine zweckdienliche Weise zur Erwärmung ausgewählter Gebiete einer planaren Wellenleiterstruktur darin, einen Laser 24 wie beispielsweise einen CO&sub2;-Laser zum Anlegen von Infrarotstrahlung 25 an ausgewählte Teile 26 der Struktur anzusteuern. Vorteilhaf terweise kann die Strahlung an ausgewählte Teile angelegt werden, die eine gewünschte Wellenleiterkonfiguration definieren. So kann die Wellenleiterkonfiguration durch gezieltes Erwärmen der Schicht 22 ohne Ätzen definiert werden. Wenn sehr feine Konfigurationen gewünscht sind, kann zwischen den Obermantel und den Laser eine Reflexionsmaske wie beispielsweise eine (nicht gezeigte) Goldschicht gelegt werden, so daß Strahlung zum Erwärmen des Kerns gezielt von offenen Gebieten in der Reflexionsmaske aus ankommt.
Die Funktionsweise und Anwendungen des Verfahrens lassen sich ausführlicher durch Betrachtung der folgenden spezifischen Beispiele verstehen.

Beispiel 1

Eine AT&T-Lichtleitfaser Accutether wurde mit H2 auf eine Konzentration von ca. 1,9 Molprozent H2 beladen und ihr Brechzahlprofil gemessen. Danach wurde eine Länge von 64 mm der Faser erwärmt, indem eine kleine (3 mm breite) Flamme in rund 12 Sekunden schnell über die Faser gestrichen wurde. Dann wurde das Brechzahlprofil wieder gemessen.
Figur 6 ist eine graphische Aufzeichnung der gemessenen Brechzahlprofile. Die gestrichelte Linie ist das Profil vor der Erwärmung und die durchgezogene Linie nach der Erwärmung. Die resultierende Brechzahländerung im Kernglas betrug Δn=0,006. Es ist beachtenswert, daß die Brechzahl des äußeren P-F-dotierten Mantelmaterials (11< r< 20µm) ebenfalls während der Erwärmung bedeutend gesteigert wurde, wodurch erwiesen ist, daß durch Wärme induzierte Brechzahländerungen auch in anderen Gläsern als den mit GeO&sub2; dotierten auftreten können.

Beispiel 2

Eine Länge einer gleichartigen Faser wurde mit 2,1 Molprozent D&sub2; beladen und durch Flamme erwärmt. In Figur 6 sind die Brechzahlprofile vor und nach der Erwärmung dargestellt. Die resultierende Brechzahländerung für das Kernglas betrug Δn-0,0075. Das zeigt, daß, um Brechzahländerungen zu erreichen, entweder H&sub2; oder D&sub2; benutzt werden kann. Der Vorteil von D&sub2; gegenüber H2 besteht darin, daß D&sub2; die Bildung von OH vermeidet und dadurch optische Verluste aufgrund von OH-Absorption vermeidet. H&sub2; ist andererseits billiger als D&sub2; und ist leichter durch Überwachung der OH-Spitzenstärke zu überwachen. Die Erwärmung von Fasern, die kein aufgelöstes H&sub2; oder D&sub2; enthielten, bewirkte keine meßbaren Brechzahländerungen.

Claims

1. Verfahren zum Steigern der Brechzahl ausgewählter Teile eines Körpers mit Glas, mit folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Körpers mit Glas;

Eindiffundieren von Wasserstoff bzw. Deuterium in mindestens die Teile des besagten Glases, deren Brechzahl zu steigern ist;

gezieltes Erwärmen der besagten Teile des besagten Glases.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei besagte Teile auf eine 500ºC überschreitende Temperatur erwärmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte Eindiffundieren dadurch bewirkt wird, daß das besagte Glas dem besagten Wasserstoff bzw. Deuterium mit einem Druck im Bereich von 96,5 kPa bis 75,8 mPa (14-11.000 psi) ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte Eindiffundieren dadurch bewirkt wird, daß das besagte Glas dem besagten Wasserstoff bzw. Deuterium mit einer Temperatur im Bereich von 21-150ºC ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte Glas mit GeO&sub2; dotiertes Siliziumoxid umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Körper mit Glas eine Lichtleitfaser ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Körper mit Glas eine auf einem Substrat getragene ebene Schicht von Glas umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagten Teile des besagten Glases gezielt durch Infrarotstrahlung erwärmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagten Teile des besagten Glases gezielt durch Flamme erwärmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte Glas mit GeO&sub2; im Bereich von 3-20 Molprozent enthaltendem Siliziumoxid dotiert ist.