PROCESS FOR MAKING LIGHTWAVE GUIDE STRUCTURES

Abstract: Light-conducting tracks (3) are produced in a substrate which contains a dopant, at least in a surface layer (2), by heating the substrate in accordance with a preselected pattern. The heating in accordance with a pattern causes the dopant to diffuse out of the substrate at discrete points. The associated change in refractive index induces the light-conducting tracks. <IMAGE>

Description: Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleiter-Strukturen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleiter-Strukturen, bei dem ein Substrat, das zumindest in einer Oberilächenschicht ein Dotierungsmittel enthält, derart erhitzt wird, dass sich die Zusammensetzung und somit der Brechungsindex der erhitzten Substratschicht ändern. Optische Nachrichtenübertragungssysteme enthalten neben Lichtleitfasern noch eine Vielzahl weiterer optischer Komponenten. Diese Komponenten kommen heute meist als diskrete Bauelemente zum Esnsatzt sie werden dement- sprechend isoliert voneinander hergestellt. Neben Haibleiterlasern als Lichtquellen und Photodetektoren als Empfänger werden für optische Übertragungsssysteme diskrete Komponenten wie z.B. Einkopplungselemente, Verzweiger, Multiplexer, Demultiplexer und Schalter auf rein optischer Basis benötigt. Als Fernziel sollten alle diese Einzelkomponenten, ähnlich wie in der Mikroelektronik, in "optischen Schaltkreisen" zusammengefasst und auf einem einzigen Trager untergebracht werden (integrierte Optik). Da innerhalb eines Ubertragungs- systems eine Vielzahl optischer Komponenten vorhanden sein kann, müssen die optischen Verluste dieser Komponenten möglichst gering gehalten werden, also in der Grössen- ordnung der Verluste des Übertragungssystems bzw. von Spleissstellen liegen, d.h. typischerweise kleiner als 0,1 dB sein. Ein Verfahren mit dem eingangs genannten Verfahrensschritt ist aus der US-A-3 981 707 bekannt. Dabei wird ein fluorhaltiges Glassubstrat derart hoch erhitzt, dass Fluor aus dem Substrat herausdiffundiert. Dadurch bildet sich in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche ein Fluor-Konzentrationsgradient (und somit ein Brechungsindexgradient) aus, der über der gesamten Oberfläche des Substrats gleichförmig und konstant ist. Es entsteht also aus dem gesamten Substrat ein flächig unstrukturierter planarer Lichtwellenleiter. Bei einer anderen Ausführungsform dieses bekannten Verfahrens wird das gesamte Substrat zu einer Gradientenindex-Lichtleitfaser weiterverarbeitet. In beiden Fällen entstehen demnach keine lokalisierten lichtleitenden Strukturen, d.h. der Aufbau integrierter optischer Komponenten ist mit diesem Verfahren nicht möglich. Aus der US-A-3 981 707 ist es bekannt, an der Oberfläche eines undotierten licht leitenden Substrats mit einem Laserstrahl Substratmaterial zu verdampfen, so dass Vertiefungen entstehen. Die hohe Temperatur des Laserstrahls bewirkt ausserdem, dass in unmittelbarer Nähe der Vertiefungen lichtleitende Bahnen entstehen. Dieser Effekt beruht auf lokalen Änderungen der Zusammensetzung des Substratmaterials, die mit lokalen Brechungsindex änderungen einhergehen. Die Ausbildung der Vertiefungen bedeutet eine tiefgreifende Veränderung der Geometrie des Substrats, die stört, weil dann keine planaren, anschliessend gut abdeckbaren Strukturen mehr vorliegen. Nachteilig ist bei diesem Vorgehen auch, dass Rauheiten der bearbeiteten Oberflächen (es werden Vertiefungen erzeugt) in der Regel zu verstärkter Streuung führen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die einfache Herstellung dämpfungsarmer Lichtwellenleiter-Strukturen, insbesondere in planaren Substraten, ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Erhitzung der Substratschicht, die das Dotierungsmittel enthält, entsprechend einem vorgewählten Muster vorgenommen wird, wobei das Dotierungsmittel entsprechend dem vorgewählten Muster aus der Substratschicht herausdiffundiert. Durch die mustergemässe, d.h. lokale Erhitzung nach der Erfindung verarmt das Substrat an diskreten Stellen entsprechend dem vorgewählten Muster bezüglich einer (oder mehrerer) brechungsindexverändernder Dotierung(en). Dadurch wird der Brechungsindex des behandelten Substrats entsprechend dem Muster verändert, so dass eine zur Fortleitung des Lichts geeignete Struktur gebildet wird. Die erfindungsgemässe thermische Behandlung kann sowohl an einer dotierten Zone einer Lichtleitfaser-Vorform als auch an anderen geeigneten Substraten, z.B. flächigen (planaren) Substraten, vorgenommen werden. Zur thermischen Behandlung der Substrate können Wärmequellen jeder Art herangezogen werden, z.B. Flammen, elektrische Beheizung o.ä. Besonders vorteilhaft ist wegen der Möglichkeit einer örtlich sehr gezielten thermischen Behandlung und damit verbunden der Erzeugung sehr kleiner lichtleitender Strukturen die bereits erwähnte Verwendung eines Laserstrahls zum Aufheizen des Substrats. Durch eine örtliche Verlegung des Laser-Brennflecks, Intensitäts änderung oder Änderung der Einwirkungsdauer oder auch durch den Abtransport des aus dem Substrat entfernten Dotierungsmittel können die Brechungsindexverteilung und die Geometrie der erfindungsgemäss hergestellten lichtführenden Struktur in erwünschter Weise gezielt beeinflusst werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindu gwQiye das das Dotierungsmittel enthaltende Substrat durch Abscheidung von Schichten aus der Gasphase erzeugt. Die Abscheidung aus der Gasphase kann physikalisch (Aufdampfen) oder chemisch (CVD-Verfahren) erfolgen. Besonders vorteilhaft ist wegen der niedrigen Substrattemperatur das aus "Topics in Current Chemistry" 89 (1980) 107-131 bekannte PCVD-Verfahren. Die Abscheidung aus der Gasphase hat den Vorteil, dass eine Kombination der Verfahrensschritte Abscheiden und Erhitzen leicht mehrmals nacheinander wiederholt werden kann. Dabei ist es möglich, aufeinanderfolgende Schichten entsprechend einzelner Muster zu erhitzen, die sich hinsichtlich Lage und/oder Form voneinander unterscheiden. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Lichtwellenleiter-Strukturen entweder voneinander getrennt in unterschiedlichen Ebenen innerhalb eines Substrats oder auch miteinander verbunden - d.h. dreidimensionale Lichtwellenleiter-Strukturen herzustellen. Die Wirkung der lokalen Erhitzung wird durch Anwesenheit einer chemisch aktiven Gasatmosphäre unterstützt. Als aktives Gas ist insbesondere Chlor geeignet. Abschliessend kann beim erfindungsgemässen Verfahren durch ein CVD-Verfahren, insbesondere das PCVD-Verfahren, eine Deckschicht aufgebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere eine planare Struktur allseitig gegen äussere Einflüsse geschützt wird. Erhöhte, zum Teil auch auf Verschmutzungen zurückzuführende Zusatzdämpfungen können so vermieden werden. Nach Anbringen der Deckschicht können die Verfahrensschritte Abscheiden und Erhitzen auf dieser Deckschicht gegebenenfalls mehrmals wiederholt werden. Anschliessend kann noch eine Deckschicht angebracht werden. Durch die erfindungsgemässe thermische Behandlung z.B. von Substraten aus homogen dotiertem SiO2 lassen sich lichtleitende Strukturen mit Dämpfungen von weniger als 0,1 dB pro Komponente auf einfache Weise herstellen. Man kann solche Strukturen in einer Ebene erzeugen oder auch in mehreren Ebenen übereinander, wobei eine geeignete Positionierung des Lasers ein Verbinden mehrerer Elemente untereinander auch in der dritten Dimension erlaubt. Nimmt der Laser in jeder Ebene die gleiche Position ein, so können Strukturen erzeugt werden, deren Verhältnis von Querausdehnung zu Tiefe nicht mehr durch die Materialdiffusion bestimmt wird. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung, durch die die Erfindung näher erläutert wird, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. la und lb ein unbehandeltes Substrat und dessen Brechungsindexprofil n über die Dicke d des Substrats, Fig. 2a und 2b ein lokal erhitztes Substrat und dessen Brechungsindexprofil, Fig. 3 eine Wellenleiterstruktur in Form eines Verzweigers, Fig. 4a und 4b eine eingebettete Lichtwellenleiter Struktur und deren Brechungsindexprofil, Fig. 5a und Fig. 5b ein weiteres unbehandeltes Substrat und dessen Brechungsindexprofil, Fig. 6a, 6b und 6c das Substrat nach Fig. 5aUz dessen Brechungsindexprofil nach lokaler Erhitzung entsprechend einem vorgewählten Muster und Fig. 7a und 7b eine eingebettete Lichtwellenleiter Struktur und deren Brechungsindexprofil. Eine homogen mit Fluor dotierte SiO2-Schicht 2 wird auf einer Quarzunterlage 1 abgeschieden (Fig. la, b). Durch thermische Zwischen- und/oder Nachbehandlung der dotierten Schicht mit einem CO2-Laserstrahl h. verarmt diese Schicht an Fluor entsprechend einem vorgewählten Muster. Dadurch erhöht sich an den mit dem Laserstrahl abgefahrenen Stellen 3 der Brechungsindex n des abgeschiedenen Materials (Fig. 2a,b). Auf diese Weise ist es moglich, optische Komponenten, z. B. Verzweiger 4, direkt in das Substrat einzubringen (Fig. 3). Ein Ätzen oder eine aufwendige Maskierung des Substrats sind nicht notwendig. Als Deckschicht bzw. Schutzschicht kann nach der thermischen Behandlung auf das fluordotierte SiO2-Substrat 2 eine weitere Schicht 5 aus fluordotiertem SiO2 aufgebracht und so die gesamte licht leitende Struktur 4 in einen Festkörper eingebettet werden (Fig. 4a,b). Bei GeO2-dotierten SiO2-Schichten wird eine ähnliche Verfahrensweise angewandt. Eine homogen mit GeO2 dotierte SiO2-Schicht 6 wird auf einer Quarzunterlage 1 abgeschieden (Fig. 5a,b). Die thermische Nachbehandlung betrifft jetzt nicht die eigentliche Lichtwellenleiter-Struktur 7, sondern deren unmittelbare Umgebung 8 (Fig. 6a,brc). Dort wird selektiv GeO2 entfernt, so dass der Brechungsindex des Quarzmaterials 6 sinkt. Fig. 6b zeigt das Brechungsindexprofil an einer nicht erhitzten Stelle, während Fig. 6c das Brechungsindexprofil an einer lokal erhitzten Stelle zeigt. Es bleibt auch in diesem Fall eine lichtleitende Struktur 7 zurück (Fig. 7a,b), die, wie bereits beschrieben, mit einer Deckschicht bzw.CVD-Schutzschicht 5 abgedeckt werden kann. Herstellungsbeispiel Eine Quarzglasplatte mit den Abmessungen 100 x 10 x 1 mm wird in eine zur Innenbeschichtung von Quarzglasrohren geeignete PCVD-Anlage gebracht und in einem Rohr mit etwa 20 mm Innendurchmesser fixiert. Das Innere des Rohres wird auf die übliche Weise mit fluordotiertem PCVD-Quarzglas beschichtet, wobei am Ort der eingebrachten Quarzglasplatte statt der Oberfläche des Rohres eine Seite der Platte mit dotiertem PCVD-Material beschichtet wird. Die Gasphase im PCVD-Reaktor setzt sich während der Abscheidung aus 590 sccm (Standard-Kubikzentimeter/Minute) Sauerstoff, 112 sccm Siliziumtetrachlorid und 1,65 sccm Hexafluorethan zusammen. Der Brechungsindex des abgeschiedenen Materials liegt bei einer Beschichtungstemperatur von 1240"C und einem Rohrinnendruck während der Beschichtung von 10 hPa etwa 0,55% unter dem Wert für undotiertes SiO2. Die so beschichtete Quarzplatte wird mit dem fokussierten Strahl eines CO2-Lasers entsprechend einem vorgewählten Muster so weit erhitzt, dass ein Teil der Fluordotierung an diskreten Stellen aus der Beschichtung herausdiffundiert und eine lokale Zone höheren Brechungsindexes (bis maximal 0,54% höher als der Index des fluordotierten, abgeschiedenen Quarzes) hinterlässt. Nach der Wärmebehandlung wird die Platte in der oben beschriebenen Weise erneut mit fluordotiertem Material beschichtet. Die lichtleitende Struktur wird so vollständig eingebettet.

Claims: A method of manufacturing optical waveguide structures, in which method a substrate comprising a dopant at least in a surface layer is heated such that a change in the composition and hence in the refractive index of the heated substrate layer is brought about, characterized in that the substrate layer comprising the dopant is heated according to a predetermined pattern to diffuse the dopant out of the substrate layer according to the predetermined pattern. A method as claimed in Claim 1, characterized in that the substrate layer comprising the dopant is heated by a laser according to the predetermined pattern. A method as claimed in Claim 1, characterized in that the substrate layer comprising the dopant is produced by deposition from a gas phase on a carrier layer of the substrate. A method as claimed in Claim 3, characterized in that the combination of the manufacturing steps of depositing the substrate layer comprising the dopant and of heating according to the predetermined pattern is repeated at least once. A method as claimed in Claim 4, characterized in that in successive layers the predetermined pattern of heating is different. A method as claimed in Claim 1, characterized in that the heating is carried out in a chemically active gaseous atmosphere. A method as claimed in Claim 1, characterized in that after the heating step a coating layer is applied to the surface of the substrate layer. A method as claimed in Claim 7, characterized in that after providing the coating layer at least a further layer is applied to said coating layer, the manufacturing steps of depositing a layer comprising a dopant and of heating such a layer according to a predetermined pattern being repeated at least once.

Inventors: BACHMANN, PETER, DR., GEITTNER, PETER, DR., LYDTIN, HANS, DR.
Applicants: N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH
Application year: 1986
Main classification: C03C17
IPC codes: G02B6, C03C23