FI79910C - Foerfarande foer tillverkning av en vaogledarkomponent foer formfaeltstransformerande integrerad optik. - Google Patents

Description

7991 0

Muotokentän muuntavan integroidun optiikan aaltojohdekompo-nentin valmistusmenetelmä

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukaisen muoto-kentän muuntavan integroidun optiikan aaltojohdekomponentin valmistusmenetelmä.

Menetelmän avulla voidaan valmistaa lasisubstraatille optisia aaltojohteita, joiden geometria ja taitekerroinjakauma muuttuvat tasaisesti pitkin aaltojohdetta. Aaltojohteen geometrian ja taitekerroinjakauman muuttaminen muuttaa myös aaltojohteessa etenevän valon muotokenttää.

Menetelmän mukaisesti valmistettuja komponentteja voidaan käyttää välielementteinä parantamaan erilaisten optisten kuitujen ja integroidun optiikan aaltojohteiden välistä kyt-kentähyötysuhdetta. Tärkeimpänä esimerkkinä on optisen yksi-muotokuidun ja puolijohdelaserin välisen kytkentähyötysuh-teen parantaminen. Optisen kuidun muotokenttä on lähes sylinterisymmetrinen, mutta puolijohdelaserin muotokenttä poikkeaa huomattavasti em. symmetriasta, mistä on seurauksena suuri optisen tehon vaimeneminen liitettäessä ko. komponentit toisiinsa. Jos muotokenttä muuttuu riittävän hitaasti puolijohdelaserin muotokentästä optisen kuidun muotokentäk-si, kytkentävaimennus on vähäinen. Riitävän hidas muutos toteutuu, jos muotokentän muuttavan komponentin pituus on suuruusluokaltaan suurempi kuin 3 mm.

Aiemmin erilaisten optisten kuitujen ja integroidun optiikan aaltojohteiden välistä kytkentävaimennusta on pienennetty käyttämällä valon kenttä jakautumaa muuttavia linssisysteeme-jä tai muokkaamalla optisen kuidun päätä. Lasisubstraatille on muotokentän muuntava komponentti ehdotettu valmistettavaksi diffusoidusta aaltojohteesta siten, että diffuusiota jatketaan lämmittämällä aaltojohdetta paikallisesti laserilla, jota pyyhkäistään eri aikoja pitkin aaltojohdetta (K.

2 79910

Baka, K. Shiraishi, O. Hanaizumi, S. Kawakami; Appi. Phys. Lett. 45 (8), October 1984, s. 815). Esitetyille valmistusmenetelmille on oleellista menetelmien monimutkaisuus. Lins-sisysteemejä käytettäessä kohdistus on vaikeaa toteuttaa ja ongelmana on myös komponenttien huono stabiilisuus. Tavallisia kvartsilasista valmistettuja optisia kuituja muokattaessa kytkentähyötysuhteen parannusta rajoittaa kuiduissa saavutettavan taitekertoimen maksimikasvun pienuus.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnettuihin ratkaisuihin liittyvät haittatekijät ja saada aikaan aivan uuden tyyppinen muotokentän muuntavan integroidun optiikan aaltojohdekomponentin valmistusmenetelmä.

Keksintö perustuu siihen, että ioninvaihtotekniikkaa käytettäessä muotokentän muuntimeksi tarkoitetun nauhamaisen, ensimmäisen ionilähteen läheisyyteen sovitetaan toiset ioni-lähteet, jotka muuttavat ensimmäisen ionilähteen ja vasta-elektrodin välistä sähkökenttää ensimmäisen ionilähteen pituussuunnan funktiona ionien diffuusiosuunnan ja täten valo-johteen muodon muuttamiseksi.

• Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 : tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaista valmistusmenetelmää käytettäessä saavutetaan huomattavia etuja tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna. Menetelmä perustuu valoiitografiaan, joten se on erittäin yksinkertainen ja helposti hallittavissa. Yhdeltä lasisubst-raatilta saadaan useita komponentteja, joten menetelmä sopii halpaan massavalmistukseen. Menetelmän mukaisesti valmistetulla komponentilla toteutettu liitos on helppo kohdistaa ja : se on stabiili. Saavutettava taitekertoimen maksimikasvu on riittävä puolijohdelaserin muotokenttää muistuttavan muoto-kentän toteuttamiseksi.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellutusesimerkkien avulla .

3 79910

Kuviot la - le esittävät halkileikattuina perspektiivikuvan-toina valoaaltojohteiden valmistusta ionivaihtotekniikalla lasiin, kun ionilähteenä on hopeakalvo.

Kuvio 2 esittää yläkuvantona yhtä keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävää valoaaltojohderakenteen maskikuviota.

Kuviot 3a ja 3b esittävät leikkauskuvantoina kuvion 2 mukaisen maskikuvion keskimmäisen ionilähteen muodostaman sähkökentän muotoa ionilähteen eri päissä.

Kuviot 4a ja 4b esittävät leikkauskuvantoina optisia muoto-kenttiä keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun muoto-kentän muuntimen eri päissä.

Keksinnön mukaisen menetelmän lähtökohtana on ionivaihtotek-niikka, jolla valoaaltojohteita voidaan valmistaa lasiin. Ionilähteenä ionivaihdossa käytetään yleensä suolasulatteita (esim. AgNC>3, KNO3), joista ionit diffusoidaan lasiin. Sähkökenttää käytetään usein nopeuttamaan prosessia. Valoaalto-johde syntyy sellaisessa ionivaihtotilanteessa, jossa lasiin diffusoituva ioni nostaa lasin taitekerrointa. Vaihtoehtona suolasulatteille voidaan ionilähteenä käyttää myös metalli-kalvoa, jolloin sähkökentän käyttö on useimmiten välttämätön hyvien valoaaltojohteiden valmistamiseksi.

Kuvioissa la - le on havainnollistettu valokanavien valmistusta hopeakalvoa käyttäen hopea-natrium-ionivaihdolla natriumia sisältävään lasiin 1. Kuvion la mukaisesti hopea diffusoidaan lasiin 1 ionilähteen 2 ja vastaelektrodin 3 välisen sähkökentän avulla joko valoiitografiällä kuvioidun mas-kimateriaalin 4 läpi tai kuvioiden Ib ja le mukaisesti lasille 1 kuvioidusta hopeanauhasta 5. Kuviossa Ib on hopea-nauha 5 päällystetty alumiinikalvolla 6. Sähkökenttä muodostetaan tasajännitteellä, mutta myös epäsymmetrisen vaihtojännitteen käyttö on mahdollista.

Kuviossa 2 on esitetty substraattilasille kuvioitavan ioni-lähteen muotoa keksinnönmukaisessa menetelmässä. Keskellä 4 79910 sijaitsevasta ensimmäisestä ionilähteestä 7 lasiin 8 diffu-soituvat ionit muodostavat muotokentän muuntavan aaltojoh-teen. Ensimmäisen ionilähteen 7 leveys a on n. 2 Jim ja pituus b n. 5 mm. Ensimmäisen ionilähteen 7 viereen integroidut toiset ionilähteet 9 ovat muunninaihion alkupäässä 10 hyvin lähellä ensimmäistä ionilähdettä 7, mutta loppupäässä 11 huomattavasti kauempana. Kyseinen välimatkan muutos tapahtuu vähitellen. Toiset ionilähteet 9 sijaitsevat symmetrisesti ensimmäisen lähteen 7 suhteen. Välimatka voi kasvaa lineaarisesti muunninaihion alkupäästä 10 loppupäähän 11 tai se voi noudattaa jotain muuta, esim. eksponentiaalista funktiota. Sivuun integroitujen ionilähteiden 9 leveydellä ei ole suurta merkitystä, niiden tehtävänä on muuttaa sähkökentän muotoa lasissa keskimmäisen ionilähteen 7 alla.

Kuvioissa 3a ja 3b havainnollistetaan sähkökentän muotoa lasissa ensimmäisen ionilähteen 7 alla muunninaihion eri päissä. Kuvio 3a kuvaa sähkökentän muotoa muunninaihion alkupäässä 10, johon laser on tarkoitus kytkeä ja kuvio 3b taas loppupään 11 sähkökentän muotoa. Hopea diffusoituu lasiin kenttäviivojen 13 suuntaisesti ja kentänvoimakkuuden määräämällä nopeudella, jolloin kuvion 3b mukaisessa yksittäisen ionilähteen tapauksessa kenttäviivat lähtevät lähteestä sä-teittäisesti ja diffusoiduksi valokanavaksi saadaan poikkileikkaukseltaan puolipalloa muistuttava alue, koska nauhamainen lähde voidaan katsoa likimain viivalähteeksi. Kun ensimmäisen ionilähteen 7 rinnalle asetetaan kuvion 3a mukaisesti toiset lähteet 9, lähestytään tasomaisen lähteen tilannetta, jossa kenttäviivat ovat tasoon nähden kohtisuorat. Tällöin ionit diffusoituvat oleellisen suoraan kohti vastae-lektrodia 14 ja diffusoitunut alue muodostuu poikkileikkaukseltaan l-itteäksi. Vaihtelemalla toisten lähteiden 9 etäisyyttä ensimmäisestä lähteessä 7 ja mahdollisesti toisten lähteiden 9 jännitettä vastaelektrodiin 14 nähden voidaan valokanavan muotoa vaihdella halutuissa rajoissa. Esimerkiksi kuvion 2 mukaisessa tilanteessa sähkökentän muoto muuttuu vähitellen aihion alkupäästä 10 loppupäähän 11.

5 79910

Ionivaihtotekniikalla syntyvän aaltojohteen muoto riippuu suuresti sähkökentän muodosta lasissa ionilähteen alla. Kuvioissa 4a - 4b nähdään keksinnönmukaisella menetelmällä valmistetun aaltojohteen poikkileikkaus komponentin eri päissä. Kuviot eivät ole täsmälleen samassa mittakaavassa. Kuvion 4a mukaisesti alkupäässä 10 aaltojohteen 12 muoto-kenttä vastaa puolijohdelaserin muotokenttää, mutta loppupäässä 11 se vastaa optisen yksimuotokuidun muotokenttää.

Kuvioiden 4a - 4b mukaiseen lopputulokseen voidaan päästä eimerkiksi käyttämällä 0,6 mm paksuista eristelasia, jonka päällä on n. 50 nm paksuinen hopearaita. Vastaelektrodina voidaan käyttää alumiinitasokalvoa. Diffusointi suoritetaan n. 30 V jännitteellä n. 300°C lämpötilassa. Tyypillinen dif-fusointiaika on n. 10 - 30 minuuttia.

Keksinnön erilaiset sovellutukset voivat vaihdella huomattavastikin seuraavien patenttivaatimusten puitteissa.

Niinpä esimerkiksi toisten ionilähteiden 9 sijoituksen ei välttämättä tarvitse olla symmetrinen ensimmäiseen ioniläh-teeseen 7 nähden, vaan erikoissovellutuksissa saattaa olla edullista valmistaa epäsymmetrisiä aihioita tai varustaa ensimmäinen ionilähde 7 vain toispuoleisesti toisella ioniläh-teellä. Ensimmäisen ionilähteen 7 leveyttä ja paksuutta voidaan myös vaihdella sähkökentän vaihteluiden mukaisesti.

Claims (8)

1. Optisen muotokentän muuntavan integroidun optiikan aalto johdekomponentin valmistusmenetelmä, jossa - tasomaisen eristemateriaalin (1, 8), esim. lasin ensimmäiselle pinnalle muodostetaan oleellisen tasomainen, pitkänomainen ensimmäinen ionilähde (7), - eristemateriaalin (1, 8) toiselle pinnalle muodostetaan vastaelektrodi (3, 14), - ensimmäisen ionilähteen (7) ja vastaelektrodin (3, 14) välille kytketään jännite ionien diffuusion aikaansaamiseksi, tunnettu siitä, että - ensimmäisen ionilähteen läheisyyteen sovitetaan ainakin yksi jännitelähteen kautta vastaelektro-diin (14) kytketty toinen ionilähde (9), jonka etäisyys ensimmäiseen ionilähteeseen (7) muuttuu tämän pituussuunnassa, jolloin toinen ionilähde (9) muuttaa ensimmäisen ionilähteen (7) ja vasta-elektrodin (14) välistä kenttäkuviota ja täten muodostuvan valokanavan (12) muotoa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisen ionilähteen (7) molemmille puolille sovitetaan toiset ionilähteet (9), joiden etäisyys ensimmäiseen ionilähteeseen (7) kasvaa siirryttäessä ensimmäisen ionilähteen (7) päästä toiseen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toiset ionilähteet (9) sovitetaan symmetrisesti ensimmäisen ionilähteen (7) suhteen.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toiset ionilähteet (9) sovitetaan si- 7 79910 ten, että etäisyys ensimmäiseen ionilähteeseen (7) kasvaa linearisesti.

5. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että toiset ionilähteet (9) sovitetaan siten, että etäisyys ensimmäiseen ionilähteeseen (7) kasvaa epälineaarisesti, esim. logaritmisesti.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisen ionilähteen (7) leveys sovitetaan muuttuvaksi joko lineaarisesti tai epälineaarisesti siirryttäessä ensimmäisen ionilähteen (7) päästä toiseen ensimmäisen ionilähteen (7) sovittamiseksi toisten ionilähteiden (9) aiheuttamaan sähkökentän muutokseen.

6 79910

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisen ionilähteen (7) paksuus sovitetaan muuttuvaksi joko lineaarisesti tai epälineaarisesti siirryttäessä ensimmäisen ionilähteen (7) päästä toiseen ensimmäisen ionilähteen (7) sovittamiseksi toisten ionilähteiden (9) aiheuttamaan sähkökentän muutokseen. 1 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toisten ionilähteiden (9) po-tentiaaali sovitetaan samaksi ensimmäisen ionilähteen (7) kanssa.

8 79910