SE522705C2 - Förfarande för tillverkning av optiska vågledare - Google Patents

Description

|.|»o 522 705 2. vara olämpliga för en planär vågledargeometri, eller att de kräver dyr utrustning och/eller komplicerade kemiska processer.

Den vanligaste metoden för att tillverka vågledare i mjuka glas är jonutbyte och elektriskt-fältassisterat jonutbyte. Jonutbytestekniken har beskrivits i [R.V.Ramaswamy and R. Srivastava, “Ion exchanged glass waveguides: a review°, J. Lightwave Technology 6, 984-1002 (l988)]. En speciell jon i substratet t.ex. Nai", ersätts av en annan jon t.ex. K* eller Agfl som har förts i kontakt med glassubstratet vanligtvis i form av smält salt, så att en högindexregion för ljusledning bildas. Denna. tillverkningsmetod kräver höga temperaturer för att jonutbytet skall ske. En annan vågledarteknik för mjuka glas är elektriskt fältassisterat jonutbyte vilket beskrivits av [G.L.Yip, P.C. Noutsios, K.

Kishioka, “Characteristics of optical waveguides made by electric-field assisted K* ion _ exchange°, Opt. Lett., 15, 739-791 (1990) ]. Ett pålagt elektriskt fält, vid en tillräckligt hög temperatur, ökar jonutbyteshastigheten genom en stimulerad jondrift. En fundamental egenskap för den elektriskt faltassisterade jonutbytestekniken för framställning av optiska Vågledare i glas är injektionen av nya joner i subsratet för att ersätta andra joner som drivits ut från substratet.

Vågledare har tillverkats i elektro-optiska polymerer genom att utnyttja dubbelbrytning som erhålls vid polning, där brytningsindex hos polymeren ökar betydligt för ljus polariserat parallellt med polningsriktningen, och minskar för ljus polariserat vinkelrätt mot polningsriktningen. Detta har rapporterats av J.I.Tackara et al i Applied Physics Letters 52, 1031-1033, 1988. För glas, däremot, är inte den inducerade dubbelbrytningen tillräcklig för att ge vägledning.

Planära vågledartillverkningstekniker för mjuka glas som beskrivits ovan är inkompatibla med polning. Om vågledaren fonnas först leder en påföljande polning med uppvärmning och ett pålagt fält till j ondrift och en reduktion av vägledningen. Om provet först polas så leder uppvärmningen som är nödvändig för jonutbyte att det höga infrysta fältet i glaset suddas ut. 522 705 3 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Denna uppfinning beskriver en teknik att tillverka planära vågledare med låga förluster genom selektiv polning av soda-limeglas. I denna teknik, och i motsats till jonutbyte och fåltassisterat jonutbyte, blir områden i provet genom polning medvetet utarmade på tidigare där existerande joner. Detta sker utan någon form av jonutbyte. Som en konsekvens av detta förfarande reduceras brytningsindex i de jonutarmade områdena, vilket lämnar andra områden i provet som inte har polats med ett högre brytningsindex.

Dessa områden kan då leda ljus. Framställningen är enkel eftersom den endast inbegriper applicering av ett högt fält under en viss tid på litografiskt mönstrade elektroder på ett uppvärmt prov. Högkvalitativa singelmodvågledare kan formas med denna metod.

BESKRIVNING AV RITNINGARNA, Fig. 1 visar ett tvärsnitt av de element som är av betydelse för polningsproceduren.

Fig. 2 visar ett tvärsnitt av ett polat prov där en vågledare har formats i enlighet med denna uppfinning.

Fig. 3 visar en perspektivbild av vâgledaren i enlighet med denna uppfinning.

Fig. 4 illustrerar en perspektivbild av vâgledaren formad med en periodisk struktur i enlighet med uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Refererande till Fig. 1 är det känt att när ett glasprov (1) värms i en ugn, på en värmeplatta eller på andra sätt, så blir katj oner rörliga och konduktiviteten höjs betydligt.

I soda-limeglas, borsilikatglas eller andra glas är den huvudsakliga laddningsbäraren Nafl Genom att applicera höga elektriska fält över en glasplatta (1), driver det elektriska fältet (2), natrium jonema (3) från anodens sida (4) till katodens sida (5). På detta sättet fonnas ett tunt ornråde (6) i glaset nära anoden som är utarmat på natrium atomer, i fortsättningen benämnt utarmningsornråde. I den här beskrivna tekniken utgörs anoden apso: 522 705 4: (7) av en s.k. “blocking electrode”, såsom en tillräckligt tjock aluminiumfilm som förhindrar att nya joner kan komma in i provet. Därmed förhindrar man jonutbyte i utarrnningsområdet och brytningsindex för utarmningsområdet (6) höjs inte, utan sänks istället. Utarmningsornrådet (6) kan inte utnyttjas för vägledning då dess angränsande områden (8) har den ursprungliga koncentrationen av joner och högre brytningsindex. Ett prov (1) är typiskt 0.2 - 5 mm tjockt och 0.5 - 5 cm långt och brett. Vanligtvis använda temperaturer och spänningar för polning är 250-500 °C respektive 1-30 kV.

Som visas i Fig. 2. i denna teknik är anoden (7) inte en kontinuerlig ledare i den laterala ledden utan den har istället åtminstone två regioner (10) och (11) som är separerade med ett gap (9). Genom att applicera hög spänning mellan anoden (7) och katoden (12) på ett uppvärmt prov (1) skapas ett utannningsområde (6) som inte är kontinuerlig i den laterala dimensionen, utan istället har öppningar (13) under gapet (9), mellan de tvâ regionerna (10) och (11) för anoden (7). På grund av gapet (9) sträcker sig inte de elektriska fältlijema (2) i räta lnjer från anoden (7) till katoden (12), utan de sprider sig istället under öppningen (13) av utarmnngsornrådet (6). En konsekvens av detta är attt vissa joner migrerar mot katoden (12) även i området under öppningen (13). Resultatet blir att ett ornråde (14) bildas under öppningen (13), som i viss utsträckning är utarmat på rörliga joner. Detta område (14) får dänned ett lägre brytningsindex än under öppningen (13). På detta sättet bevarar öppningen i utarmningsornrådet (6) huvudsakligen sitt ursprungliga brytningsindex medan glaset i området som angränsar till öppningen (13) får ett lägre brytningsindex, nämligen är området (14) under öppningen (13) och utarmningsområdena (6) under de två delarna (10) och (11) av anoden (7). Det täckande mediet (15) kan vara en film deponerad på provet (1), luft eller vaccum. Slutresultatet blir en struktur där öppningen (13) kan leda ljus genom total reflexion och där ljus kan kopplas in i öppningen med en optisk fiber eller en lins som visas i Fig. 3.

Ett annat sätt att tillverka vågledare som denna uppfinning behandlar är polning av ett substrat (1) med en elektrod (7) som har ett gap (9) mellan områdena (10) och (11) i den :so-n 522 705 5 laterala dimensionen i vilket gapet (9) i princip är periodiskt i den logitudinella dimensionen vilket visas i perspektivbilden i Fig.4. Med användande av en sådan anod i den longitudinella dimensionen blir medelbrytningsindex for öppningen (13) under det i princip periodiska gapet (9) reducerat på grund av den mindre polningen än brytningsindex för de två delarna av utarmningsområdet (6) under områdena (10) och (11) for anoden (7). På samma sätt som for en anod (7) som har ett kontinuerligt gap (9), skapar en som har en i princip periodiskt gap (9) en vågledare genom polning i en enstegsprocess utan att j onutbyte eller fält assisterat jonutbyte behöver göras.

Den föredragna metoden beskriven ovan utesluter inte en fabrikationsmetod i vilken konventionella tekniker som jonutyte eller fältassisterat jonutbyte används för att definiera en vägledande kärna och en mantel, och en därpå följande polning av substratet. i vilken brytningsindex for manteln sänks lika mycket eller mer än for kärnan. Ett möjligt sätt att uppnå detta är genom att tillverka en vågledare med konventionellt jonutbyte eller fältassisterat jonutbyte och sen som illustreras i Fig. 4 pola käman i princip periodiskt i den longitudinella dimensionen och pola manteln kontinuerligt så att i medeltal i den longitudinella dimensionen brytningsindex för käman reduceras mindre än för manteln. Även om diskussionen ovan hänför sig till natrium, skall det förstås att andra katjoner som kalium, kalcium uppför sig på ett motsvarande sätt, och principen för uppfinningen är tillämplig lika väl för glaser som innehåller sådana joner. Det skall också förstås att vågledare kan framställas med den ovan beskrivna tekniken för att användas i olika konfigurationer för välkända tillämpningar i optoelektronik och elektro-optik, där det antingen behövs, eller inte behövs, ytterligare elektroder på substratet for att kontrolera ljus i vågledaren. I synnerhet balanserade och obalanserade Mach-Zehnder interferometrar, Sagnac interferometrar, kopplare, splitters, likaväl som aktiva komponenter som arnplitud och fasmodulatorer kan tillverkas med tekniken som beskrivs i denna uppfinning. Det är också möjligt och fördelaktigt att kombinera vågledama som tillverkas med denna teknik med andra välkända tekniker som Bragggittertillverkning i -ua-n 522 705 b vågledare genom UVbelysning, för att till exempel göra en elektro-optisk komponent som elektriskt kontrollerar våglängden för maximal reflexion.

EXEMPEL Kommersiellt tillgängligt soda-lime glas med en tjocklek av 3 mm användes för vågledartillverkning i enlighet med tekniken som beskrivs i denna uppfinning. På kvadratriska bitar med en sidlängd av 5 cm mönstrades på ena sidan av proven över en 4 x 4 cm stor yta, en ca.0.3 pm tj ock aluminiumelektrod som användes som anod. Mönstret i aluminiumfilmen som definierats fotolitgrafiskt bestod av ett stort antal gap (9) med bredder som sträckte sig från 2 pm till 12 pm så väl som ett antal breda gap ( ca. 200 pm). Vågledama formades under gapen (9) i anoden (7). Soda-limeproverna polades vid 280 °C, och dc polningsspärmingen ökades i steg om* ca. 700 V till en maximal spänning på 3 kV. Den integrerade strömmen som flöt genom polningskretsen var typiskt 1_0°-l0" C och polningstiden ca. 12 hours. Katoden (12) var gjord av rostfritt stål och hölls i direkt kontakt med glasplattan (1). Den mönstrade anoden kontaktades elektriskt i kanterna med en U-forrnad bit som placerades upp och ned ovanpå provet. När väl proven var polat så sågades de upp i bitar, kantema polerades och vågledarna karraktäriserades.

En konventionell närfáltsmätningsuppställning med en HeNelaser användes. Det visade sig att för en polningsspänning av 3 kV blev vågledare med bredder 2, 3, och 6 pm singelmod. Även bredare gap gav vågledare. Det faktum att en vågledare formas betyder att brytningsindex sänks inte bara under elektroden utan också under kanalen själv. Det kan i viss utsträckning förklaras med krökta fältlinjer, men det är också troligt att fáltfördelningen utvecklas under polningsprocessen så att mängden katjonema utarmas under kanalen också.

En Nd:YAG laser vid 1.06 pm användes for att bestämma brytningsindexskillnaden mellan den opolade kärnan och den polade manteln. Laserstrålen fokuserades på provet och den reflekterade och transmitterade signalen detekterades. Spatiell filtrering användes för den transmitterade signalen for att identifiera bidraget från våglett och icke våglett »unna 522 705 7* ljus. I den först omgången mätningar kopplades ljuset in i provet och det translaterades sedan vertikalt och horisontellt. Den reflekterade signalen gav positionen för kanten av provet. För ett prov (12 um bred vågledare) befarms det att den transmitterade signalen var konstant för en vertikal translation på så mycket som 19 um (FWHM). Provet repositionerades sedan horisontellt så att ljus kopplades in under anoden (7), dvs. i det utarmade området ( 6) med lägre brytningsindex. Provet translaterades sen vertikalt igen på samma sätt. Som väntat var den transmitterade signalen mycket liten när ljuset focuserades nära ytan och transmission skedde först 19 pm under ytan konsistent med vågledannätningen. Detta resultat visar att mekanismen för vågledartillverkningen verkligen är skapandet av ett område med lägre brytningsindex genom polning. 19 um under ytan visar den reflekterade signalen en diskontinuitet vilken svara mot kanten for brytningsindexändringen. Från denna diskontinuitet kan man räkna ut en förändring i brytningsindex genom polning på -0.0_23, xilket svara mot en procentuell ändring av - l.5%. _

Claims (9)

10 15 “èo 25 . 522 705 . . . : | nu PATENTKRÄV

1. l. Förfarande för tillverkning av optiska vågledare i_ ett optiskt material innefattande följande steg: -att joner i det optiska materialet flyttas från minst ett första område i närheten av en yta i nämnda optiska material så att nämnda område blir jonutarmat, -att minst ett andra område bibehålls huvudsakligen outarmat i närheten av nämnda yta i nämnda optiska material, och -att det inte tillförs externa joner till nämnda andra område i det optiska materialet.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att jonutarmningen sker medelst polning med en anod innefattande minst ett gap i den laterala dimensionen under vilket nämnda andra område i närheten av nämnda yta i det optiska materialet bibehålls outarmat.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t av att gapet är kontinuerligt i den longitudinella dimensionen.

4. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t av att gapet är periodiskt i den longitudinella dimensionen.

5. Förfarande enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att det optiska materialet är ett alkalirikt glas, såsom soda-lime eller borsilikat glas.

6. Förfarande enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att det optiska materialet är ett halvledardopat glas.

7. Förfarande enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att det optiska materialet är baserat på alumina (aluminiumoxid (Al¿h)). u : ; » ø | -o

8. Förfarande enligt patentkrav 5, 6 eller 7 k ä n n e t e c k n a t av att det optiska materialet är uppvärmt under en del av tiden som en spänning är applicerad.

9. Förfarande enligt patentkrav' 8, k ä n n e t e c k n a t av att spänningen överstiger 100 V under åtminstone en del av tillverkningen.