DE69714942T2

DE69714942T2 - Methode zur Laserbearbeitung von optischen Wellenleitern

Info

Publication number: DE69714942T2
Application number: DE69714942T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Koyama; Keiji Tsunetomo
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: US6008467A; EP0838701A1; EP0838701B1; JPH10123357A; DE69714942D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Lochs zum Einpassen von beispielsweise einer optischen Faser bei einem Kern eines optischen Wellenleiters durch einen Laserstrahl.
Eine optische Kommunikation kann eine große Menge von Information mit hoher Geschwindigkeit übertragen. Daher wird sie auf verschiedenen Gebieten als Basisschaltungen für Telefonkommunikationen, LAN-(Lokalbereichsnetz-)Schaltungen, Datenkommunikationen zwischen Vorrichtungen oder ähnlichem verwendet. Eine optische Faser ist ein Medium zum Übertragen von Signalen bei optischen Kommunikationen und die Vernetzung (eine Verzweigung und ein miteinander Verbinden) von Lichtstrahlen tritt durch Kombinieren der optischen Faser mit einem optischen Wellenleiter auf.
Zum effektiven Einführen eines Lichtstrahls in eine optische Faser über einen optischen Wellenleiter oder zum effektiven Einführen eines Lichtstrahls von einer optischen Faser in einen optischen Wellenleiter ist es nötig, dass der Kern der optischen Faser und derjenige des optischen Wellenleiters genau angepasst oder in Übereinstimmung gebracht sind.
Jedoch ist, obwohl der Durchmesser des Kerns der optischen Faser von seiner Art abhängt, in dem Fall von beispielsweise einer optischen Monomodefaser aus Quarz eher einige oder mehrere um. Daher wird eine Stufenvorrichtung, die sich mit einer sehr feinen Genauigkeit und über eine relativ lange Zeit hinweg bewegt, zum Einstellen des Kerns auf den Kern eines optischen Wellenleiters benötigt.
Dann sind im Stand der Technik Verfahren zum Einstellen des Kerns einer optischen Faser und desjenigen eines optischen Wellenleiters durch Verwenden einer konvexkonkaven Einfügung bereits bekannt, wie es beispielsweise in JP-A-Hei 5-11134 (1993) und Hei 2-33105 (1990) offenbart ist. Weiterhin sind Verfahren zum Bilden eines Lochs zum Einpassen des Kerns einer optischen Faser bei einer Fokusposition in JP-A-Hei 7-244222 (1995) und Hei 7-248428 (1995) offenbart.
Bei der Offenbarung von JP-A-Hei 5-11134 (1993) ist ein Loch zum Einpassen bei dem Kernteil eines optischen Wellenleiters mit einer Mikroverdrillung, einem Mikro- Endzuschneiden und einem Elektroablagerungsschleifen ausgebildet.
In der Offenbarung von JP-A-Hei 7-244222 (1995) und Hei 7-248428 (1995) ist eine Konkavität durch Pressen eines erhitzten konischen Diamant-Druckelements an die Endoberfläche einer Linse ausgebildet, und eine Konvexität, die an der Punktoberfläche einer optischen Faser ausgebildet ist, ist in die obige Konkavität eingepasst. In der Offenbarung von JP-A-Hei 2-33105 (1990) wird durch Übertragen eines Überwachungsstrahls, der auf die Kernschicht von einer Endoberfläche der Kernschicht eines optischen Wellenleiters einfällt, und durch Bezugnahme auf den Überwachungsstrahl, der von der anderen Endoberfläche eines optischen Wellenleiters emittiert wird, ein CO&sub2;-Laser dem Überwachungsstrahl überlagert, um eine Konkavität zum Einfügen einer optischen Faser in den Kernteil auszubilden.
Alle der in JP-A-Hei 5-11134 (1993), Hei 7-244222 (1995) oder Hei 7-248428 (1995) offenbarten Verfahren sind nicht für eine Massenherstellung geeignet, da sie Feinbearbeitungsprozesse erfordern.
Beim Verfahren, das einen Laserstrahl verwendet, wie es in JP-A-Hei 2-33105 (1990) offenbart ist, ist es nötig, eine Fokusposition durch Bezugnahme auf einen Überwachungsstrahl zu bestätigen und durch Feineinstellen der Position eines optischen Wellenleiters auf der Stufenvorrichtung durch sehr feine Bewegungen etc. eine Verarbeitung durchzuführen. Daher dauert es eine lange Zeitperiode, was in einer schlechten Ergiebigkeit resultiert.
JP-A-08-68415 entsprechend WO-A-97/35813 offenbart ein Laserverarbeitungsverfahren, das auf Silber dotiertes Glasmaterial angewendet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Lösen von solchen Nachteilen, wie sie oben angegeben sind, ein Laserverarbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Lochs in einem optischen Wellenleiter geschaffen.
Zum Erreichen der obigen Verarbeitung ist es nötig, dass die Absorptionskennlinien des Kerns in Bezug auf den Laserstrahl proportional zum Brechungsindex variieren. Ebenso ist es nötig, dass Silber in der Form von beispielsweise Ag-Atomen, Ag- Kolloiden oder Ag-Ionen in den Kernteil eingeführt wird.
Durch Vorsehen des Teils, der gute Absorptionskennlinien in Bezug auf den Laserstrahl hat, wird es möglich, auch einen Excimer-Laser einschließlich eines XeF- Laser; einen Nd : YAG-Laser; einen Ti : Al&sub2;O&sub3;-Laser und Harmonische davon zu verwenden, und einen Lichtstrahl, der in Bezug auf seine Wellenlänge umgewandelt wird; oder einen Pigment-Laser; obwohl herkömmlich ein Laserstrahl, der ein Loch durch Einstrahlung auf Glas ausbilden kann, auf einen Excimer-Laser einschließlich eines ArF-Lasers, der bei einer Wellenlänge von 193 nm arbeitet, oder einen CO&sub2;- Lasers beschränkt worden ist.
Die obigen Laserstrahlen können als Ergebnis dessen, dass sie einen niedrigen Absorptionsindex davon in Bezug auf das Substrat haben, das den optischen Wellenleiter aufweist, ein Loch bei nur dem Kernteil auf einfache Weise ausbilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(a) bis (h) sind Zeichnungen zum Erklären des Prozesses zum Ausbilden des Kernteils beim Glassubstrat, das der optische Wellenleiter wird;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung für den ersten Ionenaustausch;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung für den zweiten lonenaustausch;
Fig. 4 ist eine Zeichnung zum Erklären der Ionenmigration beim zweiten lonenaustausch;
Fig. 5 zeigt die Situation, bei welcher der Laserstrahl auf den durch das in Fig. 1 gezeigte Verfahren hergestellten optischen Wellenleiter gestrahlt wird;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des optischen Wellenleiters, der durch den Laserstrahl verarbeitet wird; und
Fig. 7 ist dieselbe Zeichnung wie Fig. 5 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
Hierin nachfolgend wird eine detaillierte Erklärung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angegeben.
Wie es in Fig. 1 (a) gezeigt ist, wird ein Metallfilm auf einer Oberfläche eines Glassubstrats ausgebildet, das meistens aus SiO&sub2;-B&sub2;O&sub3;-Al&sub2;O&sub3;-Na&sub2;O hergestellt ist, und zwar durch Verdampfung. Wie es in Fig. 1(b) gezeigt ist, wird ein Schutzschichtfilm über den Metallfilm beschichtet. Wie es in Fig. 1(c) gezeigt ist, wird der Schutzschichtfilm mit Belichtungs- und Entwicklungsprozessen durch Photolithographie behandelt, und ein Wellenleitermuster wird ausgebildet. Wie es in Fig. 1(d) gezeigt ist, wird durch Ätzen des Metallfilms über dem Schutzschichtfilm ein Wellenleitermuster auf dem Metallfilm ausgebildet. Weiterhin wird, wie es in Fig. 1(e) gezeigt ist, der Schutzschichtfilm entfernt, und nur der Metallfilm wird auf der Oberfläche des Glassubstrats gelassen.
Der erste Ionenaustausch wird auf dem Glassubstrat mit einer Ionenaustauschvorrichtung ausgeführt, die in Fig. 2 gezeigt ist. In der Ionenaustauschvorrichtung ist ein Gefäß aus Quarz mit geschmolzenem Salz gefüllt, das eine Mischung aus Silbernitrat und Natriumnitrat, gemischt mit 50 Mol-% - 50 Mol-%, ist, und das obige Glassubstrat wird für 12 Minuten in das geschmolzene Salz getaucht, von welchem die Temperatur mittels eines Elektroofens auf 300ºC gehalten wird. Dann werden Na-Ionen (ein positives Ion einer Monovalenz) auf der Oberfläche des Glassubstrats eluiert und werden, wie es in Fig. 1(f) gezeigt ist, Ag-Ionen im geschmolzenen Salz in das Glassubstrat diffundiert. Die Dicke der Schicht, in welche die Ag-Ionen diffundiert werden, wird durch einen Röntgenstrahl-Mikroanalysator gemessen und es wird gefunden, dass sie etwa 3 um ist.
Danach wird, wie es in Fig. 1 (f) gezeigt ist, der Metallfilm (eine Maske) entfernt, und der zweite Ionenaustausch wird an dem Glassubstrat mit einer in Fig. 3 gezeigten Ionenaustauschvorrichtung ausgeführt. Bei der Ionenaustauschvorrichtung ist ein Gefäß mit geschmolzenem Salz gefüllt, das eine Mischung aus Natriumnitrat und Natriumnitrid, gemischt mit 37,5 Mol-% - 62,5 Mol-%, ist, werden eine positive Elektrode und eine negative Elektrode dort hinein getaucht und wird der Ionenaustausch für eine Stunde ausgeführt, während ein elektrisches Feld von 150 V/mm über dem Gefäß unter einer Temperatur von 260ºC eingeprägt wird.
Durch Ausführen des Ionenaustausches während eines Einprägens eines elektrischen Felds, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, wird, obwohl einige der Ag-Ionen mit Na- Ionen ausgetauscht werden, die Majorität in das Glassubstrat diffundiert.
Durch die obige Verarbeitung wird, wie es in Fig. 1(h) gezeigt ist, ein Teil, in welchem die Konzentration von Ag-Ionen dicht ist, im Glassubstrat ausgebildet, und wird dieser Teil ein Kern mit hohem Brechungsindex, in welchem ein Lichtstrahl übertragen wird, und wird ein optischer Wellenleiter erhalten. Beim Messen des Durchmessers des Kerns wird gefunden, dass er etwa 3 um ist.
Als nächstes wird, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, ein Laserstrahl auf eine Endfläche des oben beschriebenen optischen Wellenleiters gestrahlt. Beim Bestrahlungsprozess wird der Fokus des Laserstrahls von der Endfläche des optischen Wellenleiters weg abgewinkelt, und ein breiterer Bereich mit dem Kern und seiner Peripherie wird bestrahlt.
Als Laserstrahl wird eine dritte (3) Harmonische (Wellenlänge von 355 nm) eines Nd- YAG-Lasers verwendet. Die Impulsbreite des Laserstrahls ist etwa 10 nsek, die Wiederholfrequenz ist 5 Hz und der Durchmesser des Laserstrahls ist etwa 6 mm, bevor er auf eine Fokussierlinse eingestrahlt wird. Zum Erhöhen der Energiedichte wird der Laserstrahl mit der Linse (Brennweite: 100 mm) kondensiert und auf die Endoberfläche des optischen Wellenleiters gestrahlt. Der Durchmesser davon ist an der Endoberfläche des optischen Wellenleiters 500 um.
Beim obigen optischen System wird durch Erhöhen der Energie des Laserstrahls Schritt für Schritt eine Ablation bzw. Abtragung beim Kernteil auftreten, wenn die Energie des Laserstrahls dahin gelangt, etwa 30 mJ/Impuls zu werden, und 5 Impulse davon bestrahlt worden sind. Als Ergebnis wird, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, ein Loch, dessen Außendurchmesser etwa 3 um ist und dessen Tiefe etwa 2 um ist, beim Kernteil des optischen Wellenleiters ausgebildet. Wie es oben beschrieben ist, kann deshalb, weil der Kerndurchmesser einer optischen Faser einige oder mehrere um ist, der Kern der optischen Faser über dieses Loch auf einfache Weise in dem Kern des optischen Wellenleiters eingepasst werden.
Wie es oben erklärt ist, ist es durch die vorliegende Erfindung nicht nötig, die Fokusposition des Laserstrahls genau an die Endfläche des Glassubstrats anzupassen oder mit dieser in Übereinstimmung zu bringen. Daher kann durch näherungsweises Einstellen in eine willkürliche Position mit einigem Ausmaß an Abtrift auf den Bereich gestrahlt werden, der den Kern enthält. Danach wird die Energie des Laserstrahls Schritt für Schritt erhöht und wird die Intensität des Laserstrahls fixiert, wenn die Ablation beim Kernteil auftritt.
Weiterhin kann, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, der Strahlungswinkel des Laserstrahls in Bezug auf die Endfläche des Glassubstrats schräg sein.
Durch schräges Strahlen des Laserstrahls, wie es bei diesem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, ist es möglich zu verhindern, dass der Laserstrahl in den Kern eintritt, und eine Beschädigung am Inneren des Kern zu vermeiden. Jedoch ist es in einem Fall, in welchem der Laserstrahl vom oberen Teil des optischen Wellenleiters einfällt, da es die Möglichkeit gibt, dass der Kern außer der Endfläche beschädigt werden kann, nötig, die Strahlungsposition zu berücksichtigen.
Der Laserstrahl ist nicht auf eine dritte (3) Harmonische (Wellenlänge: 355 nm) eines Nd-YAG-Lasers beschränkt, und es ist möglich, einen Excimer-Laser zu verwenden, einschließlich eines XeF-Lasers, etc., eine zweite (2) Harmonische (Wellenlänge: 532 nm) eines Nd : YAG-Lasers, einen Ti : Al&sub2;O&sub3;-Laser und eine Harmonische davon und einen Lichtstrahl, der in Bezug auf seine Wellenlänge umgewandelt ist, oder einen Pigmentlaser.

Vergleich

Als optischer Wellenleiter werden Thalliumionen eingeführt, und ein Laserstrahl wird auf die Endfläche des optischen Wellenleiters im optischen System gestrahlt, das in Fig. 5 gezeigt ist.
Die Ablation tritt an der Endfläche des optischen Wellenleiters auf, wenn die Energie des Laserstrahls dahin gelangt ist, 80 mJ/Impuls zu werden, und 5 Impuls davon bestrahlt worden sind. Als Ergebnis verdampft nicht nur sein Kernteil, sondern auch der Mantelteil um ihn, und das Loch, das gebildet wird, ist als Loch zur Einpassung ungeeignet.
Wie es oben erklärt ist, ist es durch die vorliegende Erfindung im Fall eines Ausbildens eines Lochs zum Einpassen einer optischen Faser, etc. zum Kernteil durch Strahlen eines Laserstrahls auf eine Endfläche des optischen Wellenleiters, durch Überlegenmachen der Absorptionskennlinien des Kerns in Bezug auf den Laserstrahl gegenüber den Absorptionskennlinien der umgebenden Teile, Strahlen des Laserstrahls aus dem Bereich mit dem Kern mit einigem Maß an Abtrift, weiterhin durch Einstellen der Intensität des Laserstrahls auf einen Wert, der größer als ein Schwellenwert ist, der ausreichend ist, um eine Fusion, eine Verdampfung oder eine Ablation am Kern zu verursachen, und der kleiner als bei den umgebenden Bereichen ist, möglich, ein Loch nur beim Kernteil ohne genaues Einstellen des Fokus des Laserstrahls in Bezug auf die Position des Kerns auszubilden, und folglich ist es möglich, eine Produktivität bei einer Herstellung stark zu erhöhen.
Durch Einführen von Silber in das Substrat, das den optischen Wellenleiter aufweist, mittels des Ionenaustauschs, etc. in der Form von Ag-Atomen, Ag-Kolloiden oder Ag- Ionen ist es möglich, den Brechungsindex und die Absorptionskennlinien des Kerns in Bezug auf den Laserstrahl gleichzeitig zu erhöhen.
Weiterhin ist es durch Erhöhen der Absorptionskennlinien in Bezug auf den Laserstrahl möglich, einen Excimer-Laser, einen Nd : YAG-Laser, einen Ti : Al&sub2;O&sub3;-Laser und eine Harmonische davon zu verwenden, und einen Lichtstrahl, der in Bezug auf seine Wellenlänge umgewandelt ist, oder einen Pigment-Laser, die bisher nicht zum Verarbeiten von Glas verwendet werden konnten.

Claims

1. Laserverarbeitungsverfahren zum Ausbilden eines Lochs in einem optischen Wellenleiter mit den folgenden Schritten: Ausbilden eines Wellenleiters mit einem stark brechenden Kern, in welchem ein Lichtstrahl in einem Substrat zu übertragen ist; Einführen eines Materials in den Kern, das den Brechungsindex und Absorptionskennlinien des Kerns in Bezug auf einen Laserstrahl verglichen mit dem Bereich, der den Kern umgibt, erhöht; und Strahlen des Laserstrahls auf ein Gebiet, in welchem der oben angegebene stark brechende Kern freigelegt ist, einschließlich des Kerns an der Endfläche des optischen Wellenleiters; wobei die Intensität des Laserstrahls auf einen Wert eingestellt ist, der größer als der Schwellenwert ist, der zum Veranlassen einer Fusion, einer Verdampfung oder einer Ablation gegenüber dem Kern ausreichend ist und der kleiner als die Schwelle ist, die zu anderen Teilen des Gebiets gehört, so dass ein Loch nur beim Kernteil des Wellenleiters ausgebildet wird.

2. Laserverarbeitungsverfahren gegenüber einem optischen Wellenleiter, wie es im Anspruch 1 definiert ist, wobei eine optische Achse des Laserstrahls in Bezug auf eine Achse des Kerns schräg ist.

3. Laserverarbeitungsverfahren gegenüber einem optischen Wellenleiter, wie es im Anspruch 1 definiert ist, wobei der Brechungsindex und die Absorptionskennlinien des Kerns in Bezug auf den Laserstrahl durch Einführen von Silber in den optischen Wellenleiter in der Form von Ag- Atomen, Ag-Kolloiden oder Ag-Ionen erhöht werden.

4. Laserverarbeitungsverfahren gegenüber einem optischen Wellenleiter, wie es im Anspruch 1 oder 2 definiert ist, wobei der Laserstrahl von einem Excimer-Laser erhalten wird, einschließlich eines XeF-Lasers, etc.; einem Nd : YAG-Laser; einem Ti : Al&sub2;O&sub3;-Laser und einer Harmonischen davon und einem Lichtstrahl, der in Bezug auf seine Wellenlänge umgewandelt ist; oder einem Pigment-Laser.