JPH02198402A - Manufacture of non-linear optical waveguide - Google Patents

Manufacture of non-linear optical waveguide

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JPH02198402A
JPH02198402A JP1018561A JP1856189A JPH02198402A JP H02198402 A JPH02198402 A JP H02198402A JP 1018561 A JP1018561 A JP 1018561A JP 1856189 A JP1856189 A JP 1856189A JP H02198402 A JPH02198402 A JP H02198402A
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JP
Japan
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glass
thin film
organic compound
crystal substrate
electron ion
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Application number
JP1018561A
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Japanese (ja)
Inventor
Takao Shioda
塩田 孝夫
Yoshinori Nakatsugawa
義規 中津川
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To easily manufacture high-value electron ion lead-in glass by forming a thin film on a crystal substrate with a sol-gel method by using an organic compound containing a hihg-value electron ion, heating the thin film and vitrifying it, and thereafter, converting it to a pattern, and obtaining a transparent waveguide layer by executing an ion exchange or a diffusion. CONSTITUTION:The group IVa elements of a periodic table such as Ti, Zr, the group IIIa elements such as Y, La, Ce, Nd, or an organic compound containing a metallic element which becomes a high-value electron ion of Nb, the organic compound of a glass material which becomes a network former and the organic compound of a glass material which becomes a modified oxide are gelatinized by a sol-gel method, and this gel is applied onto a crystal substrate 1, while its viscosity is low enough. The obtained thin film is heated and vitrified, and a high-value electron ion lead-in type thin film-like glass (glass thin film) 2 is obtained on the crystal substrate 1. This glass thin film 2 is converted to a pattern, and also, by executing an ion exchange or diffusion, the part converted to the pattern is formed as a transparent waveguide layer 3 and an waveguide 4 is obtained. In such a manner, high-value electron ion lead-in glass can be easily manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、光非線形効果を用いた全光型光スイッチな
どとして好適に用いられる先導波路の製造方法に係わり
、特に高価電子イオン導入ガラスからなる導波路層を有
した非線形光導波路の製造方法に関する。
Detailed Description of the Invention "Field of Industrial Application" The present invention relates to a method for manufacturing a guiding waveguide that is suitably used as an all-optical optical switch using an optical nonlinear effect, and particularly relates to a method for manufacturing a guiding waveguide that is suitably used as an all-optical optical switch using an optical nonlinear effect. The present invention relates to a method of manufacturing a nonlinear optical waveguide having a waveguide layer.

「従来技術とその課題」 近時、光電効果を用いてなる光スィッチが広く研究され
ているが、このような光スィッチにあっては、光の回路
に電気を持ち込むことについて種々の問題があり、また
応答速度も十分でないなどの理由により、光コンピュー
タなどの演算素子として用いられるまでには至っていな
い。
"Prior Art and Its Issues" Recently, optical switches that use the photoelectric effect have been widely studied, but such optical switches have various problems in bringing electricity into optical circuits. Furthermore, due to reasons such as insufficient response speed, they have not yet been used as arithmetic elements in optical computers and the like.

ところで、全光型光スイッチあるいは演算素子材料に用
いられる非線形材料としては、大きな非線形効果とその
早い応答性を有し、損傷限界が高く、透過領域が広いこ
とが望ましく、現在研究されているものとしては、半導
体材料、ガラス材料、および有機材料などが知られてい
る。特に、非線形性の大きな材料としては、量子井戸構
造の半導体、有機非線形材料、半導体ドープガラス材料
などがある。しかし、半導体材料は大きな非線形性を示
すものの、吸収係数か高いことから要求される応答速度
よりもかなり低い応答速度を示すものとなり、さらに熱
依存性が大きいといった問題もある。
By the way, as a nonlinear material used for all-optical optical switches or arithmetic element materials, it is desirable to have a large nonlinear effect and quick response, a high damage limit, and a wide transmission area, and the materials currently being researched are desirable. Known examples include semiconductor materials, glass materials, and organic materials. In particular, materials with large nonlinearity include semiconductors with a quantum well structure, organic nonlinear materials, and semiconductor-doped glass materials. However, although semiconductor materials exhibit large nonlinearity, they exhibit a response speed that is considerably lower than the required response speed due to their high absorption coefficients, and they also have the problem of large thermal dependence.

またガラス材料としては、半導体ドープガラス材料、高
価電子イオン導入ガラス材料などが知られており、特に
高価電子イオン導入ガラス材料は、非線形性は比較的小
さいものの高速応答性、低損失、対損傷性などの優れた
特性を有するものとして知られている。
In addition, as glass materials, semiconductor-doped glass materials, high-value electron ion implantation glass materials, etc. are known.In particular, high-value electron ion implantation glass materials have relatively small nonlinearity, but have high-speed response, low loss, and high damage resistance. It is known to have excellent properties such as.

このような高価電子イオン導入ガラス材料を得るには、
通常ガラス成分系の粉末を白金るつぼ中でガラス化する
ことによって作製するが、各成分の融点の違いなどによ
りガラス化し得る温度範囲が狭く、その製造が極めて困
難である。またこの材料から導波路を製造するには、ガ
ラスバルクからウェファを作製してこれにイオン交換を
施し、導波路を形成するのが普通であるが、この方法で
は大きな光回路(先導波路)を形成するのが困難であり
、さらに得られた光回路にあってもTi、Zr等の結晶
の析出などに起因して損失の大きなものとなる。またこ
の方法では、不純物として重金属などのイオンが混入し
、これにより光損傷が大きくなるといった恐れもある。
To obtain such high-value electron iontophoretic glass materials,
Usually, it is produced by vitrifying glass component-based powder in a platinum crucible, but the temperature range in which it can be vitrified is narrow due to differences in the melting points of each component, making its production extremely difficult. In addition, in order to manufacture waveguides from this material, it is common to create a wafer from glass bulk and perform ion exchange on it to form the waveguide, but this method requires a large optical circuit (leading waveguide). It is difficult to form, and even the optical circuit obtained has a large loss due to precipitation of crystals such as Ti and Zr. Furthermore, in this method, ions such as heavy metals may be mixed in as impurities, which may increase optical damage.

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、高価電子イオン導入ガラスからなる導
波路層を容易に製造し得、かつ大型の光回路を作製する
こともできるとともに、低損失で耐損傷性に優れた光回
路を製造し得る方法を提供することにある。
This invention was made in view of the above circumstances, and its purpose is to easily manufacture a waveguide layer made of high-value electron ion-implanted glass, and also to be able to manufacture large-sized optical circuits. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical circuit with low loss and excellent damage resistance.

「課題を解決するための手段」 この発明の非線形光導波路の製造方法では、周期律表第
1Va族元素、周期律表第1[la族元素あるいはNb
の有機化合物を用いてゾル・ゲル法により結晶基板上に
薄膜を形成し、次に該薄膜を加熱してガラス化し、次い
で該ガラス薄膜をパターン化し、その後イオン交換ある
いは拡散を行って上記パターン化した部分を透明な導波
路層とすることを上記課題の解決手段とした。
"Means for Solving the Problems" In the method for manufacturing a nonlinear optical waveguide of the present invention, an element of Group 1 Va of the periodic table, an element of Group 1 [La of the periodic table, or Nb
A thin film is formed on a crystal substrate by a sol-gel method using an organic compound, then the thin film is heated to vitrify it, the glass thin film is then patterned, and then ion exchange or diffusion is performed to form the above pattern. The solution to the above problem was to make the removed part a transparent waveguide layer.

以下、この発明の一例について詳しく説明する。An example of this invention will be described in detail below.

まず、Ti、Zr等の周期律表第1Va族元素、Y、L
a、Ce、Nd等の周期律表第IIIa族元素あるいは
Nbのいイつゆる高価電子イオンとなる金属元素を含む
有機化合物を用意する。この有機化合物としては、例え
ばT i(o C21−15)4、Z r (OCT4
3)4などのアルコキシ化合物やN b (05Hs)
s、T 1(OH3)4など金属に応じて種々のものを
用いることができる。また、上記有機化合物の外にネッ
トワークフォーマ−となるガラス材料の有機化合物およ
び修飾酸化物となるガラス材料の有機化合物も用意する
。ここで、ネットワークフォーマ−となる材料としては
S io IA 1t03などの酸化物が、また修飾酸
化物としてはNatO、B to 3.MgO、K t
 O、CaOなどが挙げられる。
First, elements of Group 1 Va of the periodic table such as Ti and Zr, Y, and L
An organic compound containing an element of group IIIa of the periodic table such as a, Ce, or Nd or a metal element that becomes a so-called high-electron ion such as Nb is prepared. Examples of this organic compound include Ti(o C21-15)4, Zr(OCT4
3) Alkoxy compounds such as 4 and N b (05Hs)
Various materials can be used depending on the metal, such as s, T1(OH3)4, etc. In addition to the above-mentioned organic compounds, an organic compound of a glass material to serve as a network former and an organic compound of a glass material to serve as a modified oxide are also prepared. Here, oxides such as S io IA 1t03 are used as the material for the network former, and NatO, B to 3. MgO,Kt
Examples include O, CaO, and the like.

次に、上記の高価電子イオンとなる金属元素をを含む有
機化合物と、ネットワークフォーマ−となるガラス材料
の有機化合物および修飾酸化物となるガラス材料の有機
化合物をゾル・ゲル法によりゲル化し、このゲルを粘度
が十分低いうちに結晶基板上に塗布する。ここで結晶基
板としては、T io 2(2,58)、 S rT 
io 3(2,38)、 P bM 005(2,31
)。
Next, the above-mentioned organic compound containing a metal element that becomes the high-value electron ion, the organic compound of the glass material that becomes the network former, and the organic compound of the glass material that becomes the modified oxide are gelled by the sol-gel method. Apply the gel onto the crystal substrate while the viscosity is sufficiently low. Here, as the crystal substrate, T io 2 (2, 58), S rT
io 3 (2,38), P bM 005 (2,31
).

B G O(2,55)、 L iN bo 3(2,
25)、 L iT ao 3(2,18)A、I N
(2,18)、Y G G (1,94)、Y A G
 (1,84)、B e。
B G O (2,55), L iN bo 3 (2,
25), L iT ao 3(2,18)A, I N
(2,18), Y G G (1,94), Y A G
(1,84), B e.

(1,72)などの材料からなるものが用いられる。な
お、上記材料名の後の()内の数値は屈折率を示すもの
である。
Materials such as (1,72) are used. Note that the numerical value in parentheses after the above material name indicates the refractive index.

ゾル・ゲル法を行うにあたっては、まず上記複数種の有
機化合物をベンゼン等の有機溶媒に溶かし、次いでこれ
に十分な時間をかけて水を滴下し、加水分解により上記
有機化合物をそれぞれ酸化物とすることによってゲル化
する。その後、得られたゲルが塗布するに適当な粘度を
有している間にこのゲルを結晶基板上に塗布する。ここ
で複数種の有機化合物を選択する場合、これら有機化合
物から得られる薄膜状ガラスと結晶基板材料との組み合
わせ、すなわち薄膜状ガラスと結晶基板との屈折率差や
、薄膜状ガラスと結晶基板との反応性、溶融温度の違い
などを考慮することが必要とされる。
To carry out the sol-gel method, first the above-mentioned organic compounds are dissolved in an organic solvent such as benzene, and then water is added dropwise over a sufficient period of time to convert each of the above-mentioned organic compounds into oxides through hydrolysis. gelatinizes by Thereafter, the resulting gel is coated onto a crystal substrate while the gel has a suitable viscosity for coating. When selecting multiple types of organic compounds here, the combination of the thin film glass obtained from these organic compounds and the crystal substrate material, that is, the difference in refractive index between the thin film glass and the crystal substrate, and the difference between the thin film glass and the crystal substrate. It is necessary to consider differences in reactivity and melting temperature.

次いで、上記ゲルより得た薄膜を加熱してガラス化し、
第1図に示すように結晶基板1上にいわゆる高価電子イ
オン導入型の薄膜状ガラス(以下、ガラス薄膜とする)
2を得る。ここでの加熱は、用いた有機化合物によって
適宜調整されるが、ゲルを乾燥するための低温(100
℃程度)加熱と、ガラス化するための高温(950°C
程度)加熱との2段階にて行うのが望ましい。またこの
場合、高温加熱に際しては薄膜と結晶基板との反応が起
こらないよう温度を調整する必要がある。
Next, the thin film obtained from the gel was heated to vitrify it,
As shown in FIG. 1, a so-called high-electron ion introduction type thin film glass (hereinafter referred to as a glass thin film) is placed on a crystal substrate 1.
Get 2. The heating here is adjusted appropriately depending on the organic compound used, but the heating is at a low temperature (100°C) for drying the gel.
℃) and high temperature (950℃) for vitrification.
It is desirable to carry out the process in two stages: heating (degree). Further, in this case, when heating at high temperature, it is necessary to adjust the temperature so that a reaction between the thin film and the crystal substrate does not occur.

その後、得られたガラス薄膜2をパターン化し、さらに
イオン交換あるいは拡散を行い、第2図に示すように上
記パターン化した部分を透明な導波路層3として導波路
4を得る。ここでパターン化するにあたっては、通常導
波路作製に用いられる種々の技術を用いることができる
が、例えばTiをスパッタリングした後所望するパター
ン状にエツチングしたり、ガラス薄膜上をマスクしてパ
ターン状にTiをスパッタリングしあるいは蒸着せしめ
るといった方法を採用することができる。そしてこの場
合、導波路層を作製するにあたっては、例えば電気炉中
に水蒸気を導入し、この水蒸気雰囲気中にて1000°
C程度で加熱する熱拡散法によってTiを拡散し、パタ
ーン化した部分のガラス薄膜を透明化して導波路層を得
る。また、イオン交換により導波路層を作製するには、
例えばガラス薄膜をマスクしてパターン化し、これをT
lNO3などの中性塩を用いて熱イオン交換法や電界イ
オン交換法により透明化することができる。
Thereafter, the obtained glass thin film 2 is patterned and further subjected to ion exchange or diffusion, and as shown in FIG. 2, a waveguide 4 is obtained by using the patterned portion as a transparent waveguide layer 3. For patterning here, various techniques normally used for producing waveguides can be used, such as sputtering Ti and then etching it into a desired pattern, or masking a glass thin film and forming a pattern. A method of sputtering or vapor depositing Ti can be adopted. In this case, when producing the waveguide layer, for example, water vapor is introduced into an electric furnace and heated at 100° in this water vapor atmosphere.
A waveguide layer is obtained by diffusing Ti by a thermal diffusion method using heating at about C to make the patterned portion of the glass thin film transparent. In addition, to create a waveguide layer by ion exchange,
For example, a glass thin film is masked and patterned, and this is
It can be made transparent by a thermal ion exchange method or an electric field ion exchange method using a neutral salt such as lNO3.

このようにして得られた導波路にあっては、従来の溶融
ガラス法により作製した高価電子イオン導入ガラスを用
いてなる導波路に比べ、はるかに低損失のものとなる。
The waveguide thus obtained has much lower loss than a waveguide using expensive electron-ion-implanted glass produced by the conventional fused glass method.

「実施例」 以下、実施例によりこの発明をさらに具体的に説明する
"Examples" The present invention will be explained in more detail below using Examples.

’riO2−Nb20a−25iOt−8203−Li
2Oの組成からなる高価電子イオン導入型のガラス薄膜
を作製するための材料として、T i(OG tHs)
t。
'riO2-Nb20a-25iOt-8203-Li
Ti (OG tHs) is used as a material for producing a high-electron ion introduction type glass thin film having a composition of 2O.
t.

Nb(C5H5)3.S i(OCH3)4.B (O
CH3)3゜L i(S CeH8)をそれぞれ用意し
、これらをそれぞれベンゼン等の溶媒に溶かした後、所
望する組成比となるよう混合した。また、これとは別に
結晶基板としてL i N b Osを用意した。
Nb(C5H5)3. S i (OCH3)4. B (O
Each of CH3)3°L i (S CeH8) was prepared, each dissolved in a solvent such as benzene, and then mixed to obtain a desired composition ratio. In addition, L i N b Os was prepared separately as a crystal substrate.

次に、上記の溶媒に溶かしたガラス材料に十分な時間を
かけて水を滴下し、これをゲル化した。
Next, water was added dropwise to the glass material dissolved in the above solvent over a sufficient period of time to form a gel.

ここで、反応条件としては溶媒に溶かしたガラス材料の
温度を45℃とし、反応時間を6時間とした。
Here, the reaction conditions were that the temperature of the glass material dissolved in the solvent was 45° C., and the reaction time was 6 hours.

次いで、得られたゲルをその粘度があまり上昇しないう
ちに上記結晶基板上に塗布した。さらに、塗布したゲル
を100℃で4時間乾燥した後、950℃まで昇温して
ガラス薄膜を得た。
Next, the obtained gel was applied onto the crystal substrate before its viscosity increased significantly. Furthermore, after drying the applied gel at 100°C for 4 hours, the temperature was raised to 950°C to obtain a glass thin film.

次いで、このガラス薄膜にTiをスパッタして厚さ90
0人、幅7μmのパターンを形成し、その後水蒸気雰囲
気にて1000℃で加熱してTiを拡散し、ガラス薄膜
中に導波路層を形成して導波路を得た。
Next, Ti was sputtered onto this glass thin film to a thickness of 90 mm.
After that, a pattern with a width of 7 μm was formed, and then Ti was diffused by heating at 1000° C. in a steam atmosphere to form a waveguide layer in the glass thin film to obtain a waveguide.

得られた導波路の導波損失を調べたところ、0.2dB
/cmであり、従来の溶融ガラス法により作製した高価
電子イオン導入ガラスを用いてなる導波路に比べ、はる
かに低損失のものとなった。
When the waveguide loss of the obtained waveguide was investigated, it was found to be 0.2 dB.
/cm, resulting in a much lower loss than a waveguide using expensive electron-ion-implanted glass produced by the conventional molten glass method.

また、結晶基板上に作製したガラス薄膜の非線形屈折率
を調べたところ、5 X 10−8/Wであった。
Furthermore, when the nonlinear refractive index of the glass thin film produced on the crystal substrate was examined, it was found to be 5 x 10-8/W.

「発明の効果」 以上説明したようにこの発明の非線形光導波路の製造方
法は、高価電子イオンを含む有機化合物を用いてゾル・
ゲル法により結晶基板上に薄膜を形成し、該薄膜を加熱
してガラス化した後、パターン化し、イオン交換あるい
は拡散を行って透明な導波路層を得るものであるから、
高価電子イオン導入ガラスを構成する各成分の融点の差
などによる製造上の問題を解消して高価電子イオン導入
ガラスを容易に作製することができ、したがって既存の
ウェハプロセスにより本発明を実施し得ることから生産
コストの低減など製造上の種々の利点を有するものとな
り、また得られた導波路にあっては従来のものに比べて
はるかに低損失なものとなる。さら「こ、高価電子イオ
ン導入ガラスを容易に作製することができることから、
大型の先導波路(光回路)の作製も可能となり、また得
られた光回路にあっても高価電子イオンの結晶の析出な
どが防止されてその損失が十分低いものとなる。
"Effects of the Invention" As explained above, the method for manufacturing a nonlinear optical waveguide of the present invention uses an organic compound containing high-value electron ions.
A thin film is formed on a crystal substrate by a gel method, the thin film is heated and vitrified, and then patterned and ion exchange or diffusion is performed to obtain a transparent waveguide layer.
It is possible to easily produce a high-value electron ion-implanted glass by solving manufacturing problems caused by differences in melting points of each component constituting the high-value electron ion-implanted glass, and therefore the present invention can be carried out using existing wafer processes. Therefore, it has various manufacturing advantages such as reduced production costs, and the resulting waveguide has much lower loss than conventional waveguides. Furthermore, since it is possible to easily produce high-value electron ion-implanted glass,
It is also possible to fabricate a large leading waveguide (optical circuit), and even in the resulting optical circuit, precipitation of crystals of high-value electron ions is prevented, resulting in sufficiently low loss.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図および第2図は、この発明の非線形光導波路の製
造方法の一例を工程順に説明するための斜視図である。 l・・・・・結晶基板、2・・・・・ガラス薄膜、3・
・・・・導波路層、4・・・導波路。
FIGS. 1 and 2 are perspective views for explaining an example of the method for manufacturing a nonlinear optical waveguide according to the present invention in the order of steps. l...Crystal substrate, 2...Glass thin film, 3...
... Waveguide layer, 4... Waveguide.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 周期律表第IVa族元素、周期律表第IIIa族元素あるい
はNbの有機化合物を用いてゾル・ゲル法により結晶基
板上に薄膜を形成し、次に該薄膜を加熱してガラス化し
、次いで該ガラス薄膜をパターン化し、その後イオン交
換あるいは拡散を行って上記パターン化した部分を透明
な導波路層とすることを特徴とする非線形光導波路の製
造方法。
A thin film is formed on a crystal substrate by a sol-gel method using an organic compound of a group IVa element of the periodic table, a group IIIa element of the periodic table, or Nb, and then the thin film is heated to vitrify it. A method for manufacturing a nonlinear optical waveguide, which comprises patterning a glass thin film and then performing ion exchange or diffusion to make the patterned portion a transparent waveguide layer.
JP1018561A 1989-01-27 1989-01-27 Manufacture of non-linear optical waveguide Pending JPH02198402A (en)

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