METHOD OF PRODUCING INTEGRATED OPTICAL STRUCTURES IN GLASS

Abstract: 1. Method of making integrated optical structures in glass, comprising the method steps of : (a) coating a substrate (10) with a glass layer (12), the refractive index (n2 ) of which is higher than that of the substrate (10), (b) applying a mask (14) to this glass layer (12), the mask (14) covering predetermined first areas of the surface of the glass layer (12), which correspond to the waveguide to be made and leaving the remaining second areas of this surface exposed, (c) treating the glass layer (12) in said second areas, characterized in that (d) the treatment of the glass layer (12) in the second areas is a treatment for decreasing the refractive index in the glass layer (12) which for the rest is mechanically unchanged, (e) the mask (14) is removed after the second areas habe been treated and (f) subsequently a further treatment is effected in order for decrease the refractive index in a surface layer of the first areas thin as compared to the thickness of the glass layer (12).

Description: Verfahren zur Herstellung von integriert-optischen Strukturen in Glas TECHNISCHES GEBIET Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integriert-optischen Strukturen in Glas mit den Verfahrensschritten (a) Beschichten eines Substrats mit einer Glasschicht, deren Brechungsindex (n ) höher ist als der des Substrats, (b) Aufbringen einer Maske auf diese Glasschicht, wobei diese Maske vorgegebene erste Bereiche der Oberfläche der Glasschicht, die dem herzustellenden Wellenleiter entsprechen, abdeckt und die übrigen, zweiten Bereiche dieser Oberfläche freilässt, (c) Behandlung der Glasschicht in den besagten zweiten Bereichen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleitern in planaren Glassubstraten. Solche Wellenleiter haben vielfältige Anwendungen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist ein optischer Drehgeschwindigkeitssensor unter Ausnutzung des Sagnac-Effects. Es wird dabei eine Schleife eines optischen Wellenleiters gebildet. In diese Schleife werden von einem Laser Lichtbündel eingekoppelt, von denen das eine die Schleife im Uhrzeigersinn und das andere die Schleife entgegen dem Uhrzeigersinn durchläuft. Wenn der Wellenleiter eine Drehbewegung um eine zu der Fläche der Schleife senkrechte Achse ausführt, verschieben sich die Frequenzen der "rechtsherum" und "linksherum" laufenden Lichtbündel gegeneinander. Die durch Überlagerung ausgekoppelter Teillichtbündel erhaltene Schwebungsfrequenz ist proportional der Drehgeschwindigkeit. Optische Wellenleiter der vorliegenden Art sind jedoch auch anwendbar bei anderen Möglichkeiten der optischen Signalverarbeitung wie Verzweigungen, Schaltern, Filtern, Modulation, Korrelation, Pulskompression, Sensorik usw. Der Brechungsindex eines solchen Wellenleiters muss höher sein als der seiner Umgebung, so dass wie bei jedem Lichtleiter, an der Grenzfläche eine Totalreflexion auftritt. Es müssen also in einem planaren Glassubstrat Bereiche mit einem höheren Brechungsindex erzeugt werden, welche den Wellenleiter oder ein sonstiges integriertes optisches Element darstellen. ZUGRUNDELIEGENDER STAND DER TECHNIK Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist bekannt durch die DE-A-28 08 457. Durch die DE-A-28 08 457 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenleiterstruktur bekannt, bei welchem auf ein Substrat eine Glasschicht aufgebracht wird, deren Brechungsindex höher ist als der des Substrates. Auf diese Glasschicht wird eine Maske aufgebracht. Diese Maske deckt vorgegebene erste Bereiche der Oberfläche der Glasschicht, die dem herzustellenden Wellenleiter entsprechen, ab und lässt die übrigen, zweiten Bereiche dieser Oberfläche frei. Die Glasschicht in den besagten zweiten Bereichen wird einer Behandlung unterworfen. Bei der DE-A-28 04 457 wird ein Glas verwendet, welches in einem kurzwelligen Wellenlängenbereich oberhalb des Wellenlängenbereichs der später durch die Wellenleiterstruktur zu leitenden Strahlung photosensible Eigenschaften aufweist. Die Behandlung der Glasschicht in den von der Maske freigelassenen zweiten Bereichen der Oberfläche besteht in einer Bestrahlung mit Licht des besagten kurzwelligen Wellenlängenbereiches, anschliessender Temperung und Behandlung mit einer Ätzlösung. Durch die Bestrahlung werden metallische Keime gebildet, die bei der Temperung das sie umgebende Glas zur Kristallisation anregen. Die so gebildete belichtete und kristallisierte Phase ist bei der Behandlung mit Ätzlösung wesentlich leichter löslich als das von der Maske abgedeckte, unbelichtete Glas. Nach dem Behandeln mit der Ätzlösung ergeben sich daher auf dem Substrat nach Auflösen der "zweiten" Bereiche die ersten Bereiche als reliefartige Wellenleiterstruktur. Diese Struktur kann dann wieder mit einer weiteren Schicht von geringerem Brechungsindex überzogen werden. Ein ähnliches Verfahren zeigt die EP-A-O 140 431. Umgekehrt zeigt die DE-A-30 11 160 ein Verfahren zur optischen Wellenleiteranordnung, bei welchem auf ein Substrat eine Schicht eines organischen, photoaktiven Stoffes aufgebracht wird, der polymetrisierbar ist und im polymetrisierten Zustand ein wellenleitendes Material bildet. Eine Maske definiert die Gestalt der ebenen Wellenleiteranordnung, und zwar hier durch die freigelassenen Bereiche der Oberfläche. Die Schicht wird durch diese Maske hindurch mit einer die Polymerisation bewirkenden UV-Strahlung bestrahlt. Die unbelichteten, nicht polymerisierten Bereiche der Schicht werden durch Entwickeln entfernt. Die US-A-3 873 339, die US-A-3 934 061 und die DE-A-2 313 207 zeigen Verfahren, bei denen auf einen Teil der glatten Oberfläche eines Glassubstrats eine erste Glasschicht mit grösserem Brechungsindex aufgebracht wird. Auf diese erste Glasschicht wird als Überzug eine zweite Glasschicht mit wieder geringerem Brechungsindex aufgebracht. Bei dem Verfahren nach der DE-A-3 047 589 wird ebenfalls auf ein Substrat eine erste, hier durchgehende Glasschicht aufgebracht. Die Wellenleiterstruktur wird durch eine Maske und durch Wegätzen der freiliegenden Bereiche dieser Glasschicht erzeugt. Diese erste Glasschicht mit der Wellenleiterstruktur wird wie bei der US-A 3 873 339 mit einer zweiten Glasschicht von geringerem Brechungsindex überzogen. Die geschilderten bekannten Verfahren sind technisch aufwendig. Sie sind teils an die Verwendung bestimmter, photosensibler Gläser oder polymerisierbarer Kunststoffe gebunden. Es müssen nacheinander mehrere Glasschichten aufgebracht werden, um die Wellenleiterstrukturen von höherem Brechungsindex in Glas von geringerm Brechungsindex einzubetten. Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung von dämpfungsarmen Wellenleitern in Glassubstraten beruht darauf, dass durch Ionenaustausch im Bereich des Wellenleiters ein gegenüber dem übrigen Glassubstrat erhöhter Brechungsindex erzeugt wird. Es wird also die Oberfläche des Glassubstrats durch eine Maske abgedeckt. Diese Maske lässt die dem gewünschten Wellenleiter entsprechenden Bereiche frei. In diesen Bereichen wird durch Ionenaustausch dann der Brechungsindex des Glassubstrats erhöht. Dieses bekannte Verfahren weist verschiedene Nachteile auf. Es wird hierdurch in dem Bereich, der die optische Welle führen soll, lokal eine hohe mechanische Spannung erzeugt. Durch diese Spannung wird gerade zum Teil die Wellenführung bewirkt. Dadurch lässt sich aber der Bereich der -Wellenführung.-unddas das Brechungsindexprofil nicht genau definieren. Da das Glas als unterkühlte Schmelze unter dem Einfluss ständiger mechanischer Spannungen fliesst, ist nur eine geringe zeitliche Stabilität der so erhaltenen optischen Wellenleiter zu erwarten. Ferner neigt die Glasoberfläche im ausgetauschten Bereich aufgrund der mechanischen Spannungen zu Rissbildungen verschiedenen Grades, welche die Dämpfung der Wellenleiter drastisch erhöhen. Es sind Verfahren bekannt, durch Temper- oder Rücktauschprozesse die Oberflächenspannungen der Gläser zu reduzieren und die Wellenleiter in dem Glassubstrat zu "vergraben". Dadurch werden Spannungen abgebaut und die Wellenleitung wird in oberflächenfernere Bereiche des Glassubstrats verlegt, wodurch der Einfluss von Oberflächenfehlern durch Politur, Mikrorisse, Kontamination oder ähnliches ausgeschaltet wird. Dieser Prozess ist jedoch nur ungenügend steuerbar. Dadurch kann die Präzision der Wellenführung, wie sie für gewisse Anwendungen unbedingt erforderlich ist, nicht oder nicht reproduzierbar erreicht werden. Es ist weiterhin bekannt, den Brechungsindex von Oberflächenschichten durch Auslaugprozesse zu vermindern. Solche Verfahren verwendet man zur Reflexverminderung von Glasoberflächen (DE-B-821 828 oder das Buch von Frischat "Ionic Diffusion in Oxide Glasses", Seite 88ff). OFFENBARUNG DER ERFINDUNG Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von integriert-optischen Strukturen in Glas, insbesondere Wellenleitern, zu schaffen, welches unter Vermeidung der vorstehend geschilderten Nachteile eine reproduzierbare Herstellung der Strukturen in einem Glassubstrat unter Anwendung beherrschbarer Verfahrensschritte gestattet. Insbesondere soll nur eine Glasschicht auf das Substrat aufgebracht werden. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass (d) die Behandlung der Glasschicht in den zweiten Bereichen eine Behandlung zur Verminderung des Brechungsindex der im übrigen mechanisch unveränderten Glasschicht ist. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird zunächst auf das Substrat eine Glasschicht aufgebracht, deren Brechungsindex höher ist als der des Substrats. Hierfür sind verschiedene bekannte Verfahren anwendbar, beispielsweise Aufdampfen, Sputtern, CVD-Verfahren mit anschliessender Kolabierung, Glasabschneidung aus metallorganischen Lösungen mit anschliessendem Temperprozess, Aufschmelzen oder Ionenaustausch. Danach wird eine Maske aufgebracht, die nicht, wie bei den bekannten Verfahren, die Bereiche der herzustellenden Wellenleiter freilässt, sondern diese Bereiche -ähnlich wie bei der Herstellung von Leiterbahnen bei gedruckten Schaltungen- abdeckt. Auch hierfür sind Verfahren bekannt. Es können Masken aus Metall (Aluminium, Chrom, Titan), aus dielektrischen Materialien (z.B. A12 03) oder aus Photoresisten verwendet werden. Nach Aufbringen dieser Maske erfolgt eine Verminderung des Brechungsindex der aufgebrachten Glasschicht. Es erfolgt also eine Verminderung des Brechungsindex in den Bereichen ausserhalb der vorgesehenen Wellenleiter gegenüber dem vorhergehenden Zustand und nicht wie bei dem bekannten Verfahren eine Erhöhung des Brechungsindex nur im Bereich der Wellenleiter. Verfahren zur Verminderung des Brechungsindex von Oberflächenschichten sind bekannt. Beispielsweise kann diese Verminderung des Brechungsindex durch Auslaugprozesse erfolgen. Solche Verfahren verwendet man zur Reflexverminderung von Glasoberflächen. Dabei werden in einer wässrigen Lösung geeigneter Substanzen dem Glas Bestandteile entzogen, so dass eine wohl definierte Schicht mit vermindertem Brechungsindex entsteht. Solche Prozesse sind beispielsweise beschrieben in der DE-PS 821 828 oder in dem Buch von Frischat "Ionic Diffusion in Oxide Glasses" Seite 88ff. Der Wellenleiter wird auf diese Weise von dem unveränderten Material der aufgebrachten Schicht gebildet. Der Brechungsindex der Umgebung des Wellenleiters wird vermindert und zwar vorzugsweise auf einen Wert, der ungefähr dem Brechungsindex des Substrats entspricht. Vorzugsweise werden folgende weitere Verfahrensschritte angewandt: (e) Entfernen der Maske und (f) Verminderung des Brechungsindex in einer gegenüber der Dicke der Glasschicht dünnen Oberflächenschicht der ersten Bereiche. Auf diese Weise wird der Wellenleiter mit höherem Brechungsindex allseitig von Material mit vermindertem Brechungsindex umgeben. Die hierbei angewandten Auslaugprozesse bewirken ausserdem sehr wirksame Selbstheilungseffekte auf durch Mikrorisse gestörte Glasoberflächen, wodurch die Dämpfung der so entstehenden Wellenleiter weiter vermindert wird. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, welche in Figuren 1 bis 3 in einem Schnitt durch das Substrat die verschiedenen Verfahrens schritte zeigen. BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Mit 10 ist das Substrat bezeichnet, das einen Brechungsindex n 1 besitzt. Auf das Substrat 10 wird in einem ersten Verfahrensschritt eine Schicht 12 aus einem Material mit einem gegenüber dem Substrat 10 erhöhten Brechungsindex n 2 aufgebracht, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Auf diese Schicht 12 wird dann in einem zweiten Schritt eine Maske 14 aufgebracht, welche die Bereiche der zu erzeugenden Strukturen (Wellenleiter) abdeckt. Daraufhin wird der Brechungsindex der Schicht 12 in den Bereichen ausserhalb der Maske durch einen Auslaugprozess vermindert, so dass er etwa dem Brechungsindex n 1 des Substrats entspricht. Dieser Schritt ist in Fig. 2 angedeutet. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird anschliessend die Maske 14 entfernt. Die dann erscheinende Oberfläche der Schicht 12 wird daraufhin einem weiteren Auslaugprozess ausgesetzt, wodurch der Brechungsindex in einer gegenüber der Dicke der Glasschicht 12 dünnen Oberflächenschicht auch in den Bereichen vermindert wird, die vorher durch die Maske abgedeckt waren. Auf diese Weise entstehen Wellenleiter 18 als Bereiche von gegenüber der Umgebung erhöhtem Brechungsindex n 2 die allseitig von Material mit einem geringeren Brechungsindex etwa n umgeben sind. Beispiel Das Substrat 10 ist eine Scheibe aus Glas der Type BK7 der Firma Schott. Auf dieses Substrat wird eine Schicht von etwa 0,3 bis 0,5 . aus Borkronglas mit einem gegenüber dem Glas BK7 um etwa 2% erhöhten Brechungsindex durch Sputtern aufgebracht. Das Aufbringen von Schichten durch Sputtern ist eine bekannte Technik und daher nicht im einzelnen beschrieben. Es wird dabei das aufzubringende Material in einer Gasentladung durch Argonionen im Vakuum verdampft und schlägt sich auf einer Oberfläche, auf der das Material auafgebracht werden soll, nieder. Die Maske 14 wird photolithographisch aus Aluminium hergestellt. Die Verminderung des Brechungsindex erfolgt durch Auslaugen der Glasschicht 12 mittels einer neutralen Lösusng, also einer Lösung mit dem PH Wert 7. Eine neutrale Lösung wird gewählt, weil die meisten Gläser durch Säuren oder Laugen irgendwie angreifbar sind. Das Auslaugen könnte mit destilliertem Wasser erfolgen. Üblicherweise werden jedoch bestimmte wässrige Lösungen verwendet, wie beispielsweise in der erwähnten DE-PS 821 828 beschrieben sind. Mit solchen Lösungen erfolgt dann auch das Auslaugen der Schicht 16 gemäss Fig. 3.

Claims: Patentantsprüche 1. Verfahren zur Herstellung von integriert-optischen Strukturen in Glas, mit den Verfahrensschritten: (a) Beschichten eines Substrats (10) mit einer Glasschicht (12), deren Brechungsindex (n2) höher ist als der des Substrats (10), (b) Aufbringen einer Maske (14) auf diese Glasschicht (12), wobei diese Maske (14) vorgegebene erste Bereiche der Oberfläche der Glasschicht (12), die dem herzustellenden Wellenleiter entsprechen, abdeckt und die übrigen, zweiten Bereiche dieser Oberfläche freilässt, (c) Behandlung der Glasschicht (12) in den besagten zweiten Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Behandlung der Glasschicht (12) in den zweiten Bereichen eine Behandlung zur Verminderung des Brechungsindex der im übrigen mechanisch unveränderten Glasschicht (12) ist. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch die weiteren Verfahrensschritte: (e) Entfernen der Maske (14) und (f) Verminderung des Brechungsindex in einer gegenüber der Dicke der Glasschicht (12) dünnen Oberflächenschicht der ersten Bereiche. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung des Brechungsindex durch Auslaugen erfolgt. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslaugen mittels einer neutralen Lösung erfolgt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung des Brechungsindex auf einen Wert erfolgt, der etwa gleich dem Brechungsindex (ni ) des Substrats (10) ist. 6. Verfahren nach Anspruch > , dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (14) photolithographisch aus Aluminium hergestellt wird.

Inventors: BERNARD, WALTER, DR., LANGNER, KLAUS, SCHWARZ, KARL HANS
Applicants: BODENSEEWERK GERATETECHNIK GMBH
Application year: 1986
Main classification: C03C17
IPC codes: C03C17, C03C15, G02B6