DE3536781C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung planarer Lichtwellenleiter entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method of manufacture planar optical fiber according to the Preamble of claim 1.

Planare Lichtwellenleiter werden in optischen Kommunika­ tionssystemen als Kopplungselemente von optischen Wellen­ leitern eingesetzt. Je nach Anordnung dienen diese Kopp­ lungselemente zur Signalverzweigung oder zum Mischen von Signalen (Demultiplexer/Multiplexer).Planar optical fibers are used in optical communications tion systems as coupling elements of optical waves ladders used. Depending on the arrangement, these are used tion elements for signal branching or for mixing Signals (demultiplexer / multiplexer).

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung dieser Wellenleiter ist das OVD-Verfahren, bei dem hochreines SiCl₄ mit einigen Prozent TiCl₄ vermischt und in einer offenen Flamme mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird. Diese durch Flammen­ hydrolyse hergestellten Glaspartikel werden auf einem Substrat abgelagert. Während der Ablagerung wird der Brenner ständig hin- und herbewegt, so daß sich mehrere Schichten ausbilden. Der Brechungsindex wird dabei durch den TiCl₄ - Strom gesteuert. Danach wird das Substrat mit den porösen Glasschichten erhitzt, damit sich die einzelnen Schichten verfestigen (Kawachi et al., Electronics Letters 1983, Vol. 19, No. 15, S. 583).A known method for producing these waveguides is the OVD method, in which high-purity SiCl _{4 is} mixed with a few percent TiCl ₄ and reacted with oxygen in an open flame. These glass particles produced by flame hydrolysis are deposited on a substrate. The burner is constantly moved back and forth during the deposition, so that several layers are formed. The refractive index is controlled by the TiCl ₄ current. The substrate with the porous glass layers is then heated so that the individual layers solidify (Kawachi et al., Electronics Letters 1983, Vol. 19, No. 15, p. 583).

Anschließend wird das Schichtensystem mit einer Silizium­ maske bedeckt und durch gezieltes Wegätzen werden die Führungsnuten zur Aufnahme der Wellenleiter sowie die lichtführenden Streifen hergestellt (Yamada et al., Electronics Letters 1984, Vol. 20, No. 8, S. 313). Diese bekannten planaren Wellenleiter haben jedoch den Nachteil, daß der Verlauf der Brechzahl durch die Schichtenablagerung nur in einer Richtung - nämlich in Richtung der Flächennormalen des Substrates - vorgegeben werden kann. Nach dem Ätzen hat der lichtführende Streifen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und das Profil des lichtführenden Kerns ist seitlich nicht angepaßt, was zu erheblichen Dämpfungsver­ lusten führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß nur relativ dicke Schichten hergestellt werden können, so daß kein fein abgestuftes Brechzahlprofil hergestellt werden kann.Then the layer system with a silicon mask and through targeted etching away the Guide grooves for receiving the waveguide and the light guiding  Strips made (Yamada et al., Electronics Letters 1984, Vol. 20, No. 8, p. 313). These well-known planar However, waveguides have the disadvantage that the course of the Refractive index due to layer deposition only in one Direction - namely in the direction of the surface normal of the Substrates - can be specified. After the etching, the light-guiding strips an essentially rectangular Cross section and the profile of the light-guiding core is not laterally adjusted, which leads to considerable Dämpfungsver lust leads. Another disadvantage is that only relatively thick layers can be produced, so that no finely graduated refractive index profile can be produced can.

Aus der EP 00 52 901 ist ein Verfahren bekannt, mit dem Kopplungselemente mit im Querschnitt runden lichtführenden Streifen hergestellt werden. Hierzu werden in die Substrat­ glasplatte Nuten mit einem halbkreisförmigen Querschnitt nach einem vorgegebenen Muster eingeätzt oder mechanisch eingebracht. Im nächsten Schritt werden aus der Gasphase mittels eines CVD-Verfahrens glasartige Schichten auf der Glasplatte und in diesen Nuten abgeschieden. Mit Zunahme der Schichtdicke wird immer mehr Dotiermaterial zusammen mit dem Quarzglas abgeschieden. Dies wird so lange fortgeführt, bis die Nuten mit diesen Schichten vollständig ausgefüllt sind. Das gleiche wird mit einem Substrat durchgeführt, das mit dem spiegelbildlichen Nutenmuster versehen ist. Danach werden beide Substratplatten abgeschliffen und aneinanderge­ fügt, so daß die Nuten mit den glasartigen Schichten übereinanderliegen. Obwohl diese Streifenleiter einen kreis­ förmigen Querschnitt mit einer radial nach außen abnehmenden Brechzahl aufweisen, ist ihre Herstellung nicht unproblema­ tisch. A method is known from EP 00 52 901 with which Coupling elements with light guiding round in cross section Strips are made. This is done in the substrate glass plate grooves with a semicircular cross section etched according to a given pattern or mechanically brought in. In the next step, the gas phase by means of a CVD process glassy layers on the Glass plate and deposited in these grooves. With increasing Layer thickness becomes more and more dopant along with the Quartz glass deposited. This will continue until the grooves are completely filled with these layers. The same is done with a substrate using the mirrored groove pattern is provided. After that both substrate plates are sanded and joined together inserts so that the grooves with the vitreous layers lie on top of each other. Although this strip line is a circle shaped cross section with a radially decreasing outward Have a refractive index, their production is not without problems table.  

Das Herstellungsverfahren und insbesondere der Poliervor­ gang sind sehr aufwendig. Die Nuten müssen exakt übereinan­ derliegen, wobei an der Nahtstelle zwischen den Substrat­ platten im Bereich der lichtführenden Schichten weder Verunreinigungen noch Luftspalte vorhanden sein dürfen.The manufacturing process and especially the polishing process gang are very expensive. The grooves must be exactly aligned derlie, being at the interface between the substrate neither in the area of the light-guiding layers Impurities or air gaps may still be present.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von planaren Wellenleitern zu schaffen, bei dem die obengenannten Nachteile des Standes der Technik vermieden sind und in einfacher Weise planare Wellenleiter erhalten werden, die geringere Verluste als die bekannten planaren Wellenleiter aufweisen.The object of the present invention is a method to create planar waveguides, in which the above disadvantages of the prior art Technology are avoided and planar in a simple manner Waveguides are obtained that have lower losses than the known planar waveguides.

Die Aufgabe wird mit dem im Kennzeichen des Anspruchs 1 niedergelegten Verfahren gelöst. The task is completed with the in the license plate of the Claim 1 resolved method.  

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein halbzylin­ derförmiger Bereich mit zur Zylinderachse hin ansteigender Brechzahl in sehr einfacher Weise durch das Ausdiffundieren des Dotierungsmittels in den nicht abgedeckten Bereichen der ersten Schicht erzeugt. Dieser halbzylinderförmige Kernbereich wird dann durch die weiteren Schichten, die ebenfalls dotiert sein können, so ergänzt, daß sich ein lichtführender Bereich mit geringer Dämpfung ausbildet. Außer Fluor kann auch jedes andere Dotierungsmittel verwen­ det werden, das brechzahlsenkend wirkt und ausdiffundierbar ist.According to the method of the invention, a semicylin deriform area with increasing towards the cylinder axis Refractive index in a very simple way by diffusing out of the dopant in the uncovered areas the first layer. This semi-cylindrical The core area is then covered by the other layers can also be endowed, so added that a forms light-guiding area with low attenuation. In addition to fluorine, any other dopant can be used detective, which has a refractive index-reducing effect and is diffusible is.

Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich dadurch, daß bereits die dotierte erste Schicht einen vorgegebenen Brechzahlverlauf haben kann.Further possible variations result from the fact that the doped first layer already has a predetermined one Refractive index history can have.

Zum Abscheiden der glasartigen Schichten wird ein nicht- isothermes Plasma-CVD-Verfahren benutzt.A non- isothermal plasma CVD method used.

Unter diesem bereits beispielsweise aus der EP 00 17 296 bekannten Verfahren ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem mit einem sogenannten kalten Plasma gearbeitet wird, in dem nur Elektronen eine hohe kinetische Energie besitzen. Mit einem solchen Plasma kann man selbst Gasgemische zur Reaktion bringen, die thermisch nicht reaktiv sind. Mit diesem nicht-isothermen PCVD-Verfahren lassen sich bei ziemlich niedriger Temperatur direkt aus der Gasphase glasartige Schichten abscheiden, so daß sich eine nachfol­ gende Erhitzung zur Verglasung erübrigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich bei Abscheidung bei niedriger Tempera­ tur, d. h. zwischen Raumtemperatur und 300°C, ein etwaiger Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glas­ plattenmaterials und der abgeschiedenen Schichten nicht nachteilig bemerkbar macht.Among them, for example from EP 00 17 296 known method is to be understood as a method in which a so-called cold plasma is used, in which only electrons have high kinetic energy. With Such a plasma can even be used for gas mixtures Bring reaction that are not thermally reactive. With this non-isothermal PCVD process can be used pretty low temperature straight from the gas phase deposit vitreous layers, so that a subsequent sufficient heating for glazing is unnecessary. Another advantage consists in the fact that during deposition at a low temperature door, d. H. between room temperature and 300 ° C, any Difference in the coefficient of thermal expansion of the glass plate material and the deposited layers not disadvantageously noticeable.

Die Abdeckschicht, die beispielsweise mit B₂O₃ dotiert ist, wirkt als Diffusionssperre für das Dotierungsmittel der darunterliegenden Schicht. Dadurch wird erreicht, daß lediglich in den nicht abgedeckten Bereichen dieser ersten Schicht sich ein Brechzahlgradient durch Ausdiffusion ausbilden kann. The cover layer, which is doped with B ₂ O ₃ , for example, acts as a diffusion barrier for the dopant of the layer below. The result of this is that a refractive index gradient can only develop in the areas of this first layer that are not covered by diffusion.

Das Brechzahlprofil und die Abmessungen des Kernbereichs werden durch die Breite der nicht abgedeckten Bereiche, durch die Temperatur und die Zeit der Ausdiffusion so eingestellt, daß entweder ein Monomodewellenleiter oder ein Multimodewellenleiter entsteht. Die Brechzahlen der übrigen Schichten sowie die numerische Apertur werden dem jeweiligen Verwendungszweck ebenfalls angepaßt.The refractive index profile and the dimensions of the core area are determined by the width of the areas not covered, through the temperature and the time of diffusion so set that either a single mode waveguide or a Multimode waveguide is created. The refractive indices of the rest Layers as well as the numerical aperture are given to the respective Purpose also adapted.

Da beim Ausdiffundieren des die Brechzahl erniedrigenden Dotierungsmittels auch das Dotierungsmittel der Abdeck­ schicht aus den oberflächennahen Bereichen ausdiffundiert, kann en Leckwellenleiter entstehen, der zu höheren Ver­ lusten führt. Deshalb wird vorzugsweise nach dem Ausdiffun­ dieren eine dünne Oberflächenschicht der nicht abgedeckten Bereiche und der Abdeckschicht abgeätzt.Since the diffraction factor that lowers the refractive index Dopant also the dopant of the cover diffused out of the near-surface areas, can lead to leakage wave conductors leading to higher ver lust leads. Therefore, preferably after diffusion a thin surface layer of the uncovered Areas and the cover layer etched off.

Damit die Wellenenergie vollständig vom Substrat getrennt wird, wird diese mit einem Dotierungsmittel versehene Schicht in einer solchen Dicke auf das Substrat aufgebracht, daß nach der Ausdiffusion dieses Dotierungsmittels aus den nicht abgedeckten Bereichen zwischen dem so gebildeten Kernbereich und diesem Substrat noch ein entsprechend großer dotierter Bereich erhalten bleibt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Substrat an der Lichtführung nicht beteiligt wird, so daß das Substrat nicht aus hochreinem Material hergestellt zu werden braucht. Dadurch werden Kosten bei der Herstellung der planaren Wellenleiter eingespart.So that the wave energy is completely separated from the substrate is, this is provided with a dopant Layer applied to the substrate in such a thickness, that after the diffusion of this dopant from the uncovered areas between the so formed Core area and this substrate still a correspondingly large doped area is preserved. This measure has the Advantage that the substrate on the light guide is not is involved so that the substrate is not made of high purity Material needs to be made. This will Cost of manufacturing the planar waveguide saved.

Zur Faserankopplung werden vor den lichtführenden Streifen in dem Substrat Führungsnuten ausgebildet, in die die anzukoppelnden Wellenleiter eingesetzt werden.For fiber coupling, in front of the light-guiding strips formed in the substrate guide grooves into which the to be coupled waveguide are used.

Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten planaren Lichtwellenleitern betragen die Dämpfungsverluste deutlich weniger als 0,2 dB/cm.In those produced by the method according to the invention The attenuation losses are planar optical fibers significantly less than 0.2 dB / cm.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtExemplary embodiments of the Invention explained with reference to the drawings.  It shows

Fig. 1 einen Schnitt durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten planaren Wellenleiter, Fig. 1 shows a section through a planar prepared by the novel method waveguide,

Fig. 2 den Brechungsindexverlauf der Schichten 3 und 5 längs der Linie II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows the course of the refractive index of the layers 3 and 5 along the line II-II in FIG. 1.

Die Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen planaren Wellenleiter im Schnitt mit der Substratplatte 2 und den lichtführenden Bereichen 1. Auf das Substrat 2 ist die mit dem Dotierungs­ mittel versehene Schicht 3 aufgebracht, die anschließend mit der Schicht 4 selektiv abgedeckt wird. Diese Abdeckschicht 4 wirkt als Diffusionssperre für das in der Schicht 3 enthaltene Dotierungsmittel. Durch Erhitzen wird an­ schließend das Dotierungsmittel aus den nicht abgedeckten Bereichen ausdiffundiert, so daß sich in etwa der durch die gestrichelte Linie 6 begrenzte Bereich ausbildet, in dem die Brechzahl kontinuierlich zur Achse dieses halbzylinderförmigen Bereichs hin ansteigt. Die Dicke der Schicht 3 wird so gewählt, daß zwischen der Linie 6 und dem Substrat 2 ein noch ausreichend großer Bereich der Schicht 3 mit Dotierungsmittel erhalten bleibt, damit die Wellenener­ gie vom Substrat abgekoppelt ist und das Substrat nicht an der Lichtführung teilnimmt. Danach wird ein weiteres Schichtensystem 5 aufgebracht, wobei der Brechzahlverlauf so gewählt wird, daß der Kernbereich vervollständigt und der Mantelbereich ausgebildet wird. Fig. 1 shows the planar waveguide according to the invention in section, with the substrate sheet 2 and the light-guiding portions 1. The layer 3 provided with the doping agent is applied to the substrate 2 and is then selectively covered with the layer 4 . This cover layer 4 acts as a diffusion barrier for the dopant contained in layer 3 . By heating, the dopant is then diffused out of the areas not covered, so that approximately the area delimited by the broken line 6 is formed, in which the refractive index increases continuously towards the axis of this semi-cylindrical area. The thickness of the layer 3 is chosen so that a sufficiently large area of the layer 3 with dopant is retained between the line 6 and the substrate 2 , so that the wave energy is decoupled from the substrate and the substrate does not participate in the light guidance. A further layer system 5 is then applied, the course of the refractive index being selected such that the core area is completed and the cladding area is formed.

Der Verlauf der Brechzahl durch die Schichten 3 und 5 in X-Richtung längs der Linie II-II in Fig. 1 ist in der Fig. 2 dargestellt.The course of the refractive index through the layers 3 and 5 in the X direction along the line II-II in FIG. 1 is shown in FIG. 2.

Zur Herstellung beispielsweise einer Monomodefaser wird ein Kernbereich von 2-8 µm ausgebildet. Das in der Schicht 3 enthaltene Fluor wird 1-2 min lang bei einer Temperatur von 2000-2200°C ausdiffundiert. Danach werden in bekannter Weise die übrigen Schichten 5 aufge­ bracht.For example, a core area of 2-8 μm is formed to produce a single-mode fiber. The fluorine contained in layer 3 is diffused for 1-2 minutes at a temperature of 2000-2200 ° C. Then the other layers 5 are brought up in a known manner.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung planarer Lichtwellenleiter mit streifenförmigen lichtführenden Bereichen, durch Abscheiden dünner glasartiger Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat, wobei innerhalb der Schichten der Brechungsindex geändert wird und ein lichtführender Kernbereich sowie ein daran angrenzender Mantelbereich gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - auf dem Substrat eine erste Schicht mit einem die Brechzahl erniedrigenden Dotiermittel abgeschieden wird,
• - darauf in üblicher Maskentechnik eine als Diffusions­ sperre für das Dotiermittel der ersten Schicht wirkende, entsprechend einem gewünschten Streifenmuster struktu­ rierte Abdeckschicht aufgebracht wird,
• - das mit den Schichten versehene Substrat zum Ausdiffun­ dieren des Dotiermittels aus den nicht abgedeckten Bereichen erhitzt wird
• - und sowohl auf den entstandenen Kernzonen der lichtführen­ den Bereiche als auch auf der Abdeckung weitere Schichten mit einem zur Vervollständigung der Lichtwellenleiter abgestuften Brechungsindex aufgebracht werden, wobei alle Schichten mittels einer Heterogen-Reaktion (CVD-Ver­ fahren) aus der Gasphase abgeschieden werden.

1. A method for producing planar optical waveguides with strip-shaped light-guiding regions, by depositing thin glass-like layers from the gas phase on a substrate, the refractive index being changed within the layers and a light-guiding core region and an adjoining cladding region being formed, characterized in that

• a first layer is deposited on the substrate with a dopant that lowers the refractive index,
• a covering layer which acts as a diffusion barrier for the dopant of the first layer and is structured in accordance with a desired stripe pattern is applied thereon in the customary mask technique,
• - The substrate provided with the layers is heated to diffuse the dopant from the uncovered areas
• - And both layers are applied to the resulting core zones of the light-guiding areas and also on the cover with a refractive index graded to complete the optical waveguide, all layers being separated from the gas phase by means of a heterogeneous reaction (CVD method).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden der glasartigen Schichten mittels eines nicht isothermen Plasma-CVD-Verfahrens durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the deposition of the glass-like layers by means of a non-isothermal plasma CVD process becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß nach dem Ausdiffundieren des Dotiermittels eine dünne Schicht der nicht abgedeckten Bereiche und der Abdeckschicht abgeätzt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized net that after the diffusion of the dopant a thin layer of the areas not covered and the cover layer is etched off.   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Abdeckschicht eine mit Boroxid dotierte Schicht aufgebracht wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that as a covering layer with boron oxide doped layer is applied. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotiermittel der ersten Schicht Fluor verwendet wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that as a dopant of the first layer Fluorine is used. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht in einer Dicke, die auch nach dem Ausdiffundieren des Dotiermittels eine volltändige Isolation des Substrats vom energie­ führenden Kern gewährleistet, auf das Substrat aufgebracht wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the first layer has a thickness, even after the dopant has diffused out a complete isolation of the substrate from the energy leading core ensures applied to the substrate becomes.