DE69107462T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Einbettung von Wellenleitern. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft das Einbetten von optischen Wellenleiterbahnen der durch Ionenaustauschtechniken gebildeten Art.
• Früher wurden passive Wellenleiterbahnen durch Ionenaustauschprozesse in der Oberfläche eines Glassubstrates gebildet. Aufgrund ihrer Verträglichkeit mit optischen Fasern und ihrer niedrigen Herstellungskosten sind derartige Wellenleiterbahnen für integrierte optische Anwendungen geeignet. Zunächst wird eine erste Fläche eines Glassubstrates durch Aufbringen einer Maskiermaterialschicht auf eine Fläche des Substrates und durch fotolitografisches Ätzen der Maskiermaterialschicht maskiert, wobei Öffnungen belassen werden, an denen die Wellenleiterbahn zu bilden ist. Die maskierte Fläche wird mit einem ersten Salzschmelzenbad in Kontakt gebracht. In den meisten Fällen werden Natriumionen in dein Substratglas gegen ein Dotierungskation wie Cs, Ag, Ru oder Tl ausgetauscht. Manchmal wird wahrend dieses ersten Ionenaustauschprozesses ein elektrisches Feld angelegt. Die Wellenleiterbahn kann unter der Substratoberfläche eingebettet werden, indem die Maske entfernt wird, wobei eine Elektrode an die zweite Fläche des Substrates angelegt und die aktive Seite mit einem zweiten Salzschmelzenbad in Kontakt gebracht wird, welches Ionen enthält, die weniger zu dem Substratbrechungsindex beitragen, Z.B. Na- und K-Ionen. Während der Kontakt mit dem zweiten Salzbad besteht, wird zwischen das Bad und die Elektrode der zweiten Fläche ein elektrisches Feld angelegt.
• Als Ergebnis dieses doppelten Ionenaustauschprozesses wird unter der ersten Substratfläche ein signaltragender Bereich gebildet, der einen höheren Brechungsindex aufweist als der ihn umgebende Bereich. Es ist von Vorteil, zwischen dem Bereich mit höherem Brechungsindex und dessen benachbarten Bereichen eine ziemlich deutliche Grenze zu ziehen. Darüber hinaus sollte der Bereich mit höherem Brechungsindex tief genug unter der Substratfläche eingebettet sein, um eine Streuung von Oberflächenunregelmäßigkeiten und Fehlern zu verhindern. Üblicherweise wird eine Tiefe von mehr als 15 um verwendet, um zu verhindern, daß das elektromagnetische Feld die Glasfläche erreicht. Das Brechungsindexprofil hängt von solchen Parametern wie der Zusammensetzung des Glassubstrates, der Eigenheit des hereinkommenden Dotierungsions, seiner Konzentration in der Quelle, der Salzbadtemperatur, der Diffusionszeit und der Größe des extern angelegten Feldes ab.
• Die ungünstigen Auswirkungen thermischer Diffusion können durch Einbetten eines Wellenleiters bei einer relativ niedrigen Temperatur reduziert werden. Die zum Erreichen einer gegebenen Tiefe erforderliche Bearbeitungszeit jedoch nimmt entsprechend zu. Zur Steigerung der Rate der Ionenbewegung bei niedrigen Temperaturen ist ein elektrisches Feld verwendet worden. U.S.-Patent 4 913 717 besagt, daß Wellenleiter mit deutlichen, klar definierten Grenzen gebildet werden können, indem der erste Ionenaustausch bei niedriger Temperatur und unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes von bis zu einigen Hundert Volt pro Millimeter durchgeführt und der Wellenleiter bei einer niedrigen Temperatur eingebettet und wiederum die Spannung angelegt wird.
• Zwar kann eine weitere Steigerung bei der Stärke des elektrischen Feldes die Bearbeitungszeit verkürzen, doch kann dies zu einer Reihe von Problemen führen: (a) sie kann die Bildung von Lichtbögen verursachen, (b) sie kann aufgrund von Kurzschlüssen zwischen den beiden Seiten des Glassubstrates den Bruch des Glassubstrates verursachen, wobei diese Kurzschlüsse auf ein Hinaufwandern der Ionen an den Rändern des Substrates zurückzuführen sind, und (c) sie kann aufgrund der Substraterwärmung durch die Joulesche Wärme eine Ablaufinstabilität verursachen. Einige dieser Probleme bestehen bereits bei Feldern von nur etwa 200 V/mm.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum reproduzierbaren Einbetten optischer Wellenleiterbahnen mit deutlichen, klar definierten Grenzen in ein Glassubstrat zu schaffen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbetten einer optischen Wellenleiterbahn aus Dotierungsionen, die sich entlang einer ersten Fläche eines Glassubstrates erstreckt, das erste und zweite einander entgegengesetzte Flächen aufweist. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung (37) zum Halten des Substrates (13') auf, derart, daß die erste Substratfläche (17') mit einem Salzschmelzenbad (10') in Kontakt ist. Auf der zweiten Fläche (18') des Substrates ist eine poröse leitfähige Elektrode angeordnet. Eine Einrichtung (23') legt an die poröse Elektrode und das Bad eine Spannung an, um ein elektrisches Feld zu schaffen, das die Dotierungsionen tiefer in das Substrat treibt.
• Die Vorrichtung der Erfindung ist besonders zweckmäßig bei Prozessen, in denen elektrische Felder, die größer als 500 V/mm sind, an das Substrat (13') angelegt werden. Die poröse Elektrode (19) besteht vorzugsweise aus einer Schicht aus Kohlenstoffpartikeln. Die Substrathalteeinrichtung (37) kann eine planare leitfähige Fläche (42) zum Kontaktieren der porösen Elektrode (19') aufweisen, wobei die Einrichtung (23') zum Anlegen einer Spannung mit der leitfähigen Fläche (42) verbunden ist. Um den Umfang der leitfähigen Fläche verläuft eine Nut (41), und eine Einrichtung (40,43) evakuiert die Nut und entfernt Sauerstoff aus der porösen Elektrode (19'). Am Umfang der zweiten Fläche (18') kann ein Glasisolierring (35) befestigt sein, um zu verhindern, daß Salze aus dem Bad (10') durch Kapillarwirkung die Seitenwände des Substrates hinaufwandern.
• Dem Verfahren der Erfindung gemäß wird zunächst an der ersten Fläche (17') des Substrates (13') durch Ionenaustausch eine optische Wellenleiterbahn gebildet. An die zweite Fläche (18') des Substrates wird eine poröse Elektrode (19) angelegt, und die erste Fläche des Substrates wird mit dem Salzschmelzenbad (10') in Kontakt gebracht. An das Substrat wird ein elektrisches Feld angelegt, um die ersten Ionen tiefer in das Substrat zu treiben.
• Die poröse Elektrode kann gebildet werden, indem auf den Umfangsbereich der zweiten Fläche eine Maske aufgebracht, die zweite Fläche mit in einem flüchtigen Träger suspendierten Kohlenstoffpartikeln besprüht und der Träger verdampft wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Salzbadsystems nach dem Stand der Technik zum Einbetten optischer Wellenleiterbahnen in ein Substrat.
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Vakuumhalters für ein Substrat.
• Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die das Aufbringen einer Beschichtung aus Kohlenstoffpartikeln auf ein Substrat darstellt.
• Fig. 4 ist eine Unteransicht des Vakuumhalters von Fig. 2.
• Fig. 5 ist eine Kurve, die die während des zweiten Ionenaustauschprozesses an ein Substrat angelegte Spannung und den daraus resultierenden Strom durch das Substrat darstellt.
• Fig. 6 ist eine Draufsicht auf einen Teil der Oberfläche eines Substrates, die für den ersten Ionenaustauschprozeß maskiert ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
• Beispiele für Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung einer optischen Wellenleiterbahn in der Oberfläche eines Glassubstrates durch Ionenaustausch und der anschließenden Einbettung dieser Bahn finden sich in den U.S.-Patenten Nrs. 3 836 348, 4 765 702, 4 842 629, 4 913 717 und 4 933 262. Ferner sei auf folgende Veröffentlichungen verwiesen: R.V. Ramaswamy et al. "Ion-Exchanged Glass Waveguides: A Review", Journal of Lightwave Technology, Teil 6, Nr. 6, Juni 1988, Seiten 984-1002; H.J. Lilenhof et al. "Index Profiles of Multimode Optical Strip Waveguides by Field Enhanced Ion Exchange in Glasses", Optics Communications, Teil 35, Nr. 1, Oktober, 1980, Seiten 49-53; und A. Miliou et al. "Fiber-Compatible K&spplus;-Na&spplus; Ion-Exchanged Channel Waveguides: Fabrication and Characterization", IEEE Journal of Quantum Electronics, Teil 25, Nr. 8, August, 1989, Seiten 1889-1897.
• Der erste Ionenaustausch kann wie oben beschrieben und wie ausführlicher in dem speziellen, nachfolgend ausgeführten Beispiel beschrieben ausgeführt werden. Zwar können Cs-, Ag-, Ru-, Tl- oder dergleichen Ionen für den ersten Ionenaustausch verwendet werden, doch wird zur Vereinfachung der Erläuterung auf Thalliumionen Bezug genommen. Nachdem durch den ersten Ionenaustauschprozeß eine oder mehr Wellenleiterbahnen in der ersten Fläche 17 gebildet worden sind, wird die Maske entfernt und an die zweite Fläche wird eine Elektrode angelegt.
• Bei der in Fig. 1 gezeigten zweiten Ionenaustauschvorrichtung ist in einem Behälter 11, der in einem Ofen 12 auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, ein Salzschmelzenbad 10 gehalten. Das Bad 10 besteht aus dem geeigneten Salz als Quelle für die diffundierenden Ionen. Die Diffusionsteinperatur wird zur Steuerung der Diffusionsrate eingestellt. Charakteristiken, die einen Einfluß auf die Wahl eines Salzes für ein gegebenes Ion haben, sind sein Schmelzpunkt und die Dissoziationstemperatur. In einigen Fällen können die Schmelztemperaturen durch Verwendung einer Mischung aus zwei Salzen gesenkt werden. Das Substrat 13 ist üblicherweise ein Silikatglas, das geeignete Ionen für den Austauschprozeß und geeignete Bestandteile zur Bereitstellung des gewünschten Brechungsindex enthält. Das Substrat 13 kann mittels verschiedener Arten von Haltern, beispielsweise einem Vakuumhalter 16, derart positioniert werden, daß die erste Substratfläche 17 mit dem Salzbad 10 in Kontakt ist. Der Pfeil V zeigt das Anlegen von Vakuum an den Halter 16. Die zweite Substratfläche 18 ist mit einer negativen Elektrode versehen. Zwar wurde üblicherweise ein zweites Salzbad verwendet, doch führt die Verwendung einer metallischen Elektrode 19 aus Gold, Aluminium oder dergleichen zu einer einfacheren Vorrichtung. Der negative Anschluß der Energieversorgungsquelle 23 kann direkt an die Elektrode 19 angeschlossen sein oder er kann an einen metallischen Vakuumhalter 16 angeschlossen sein. Der positive Energieversorgungsquellenanschluß ist an einen Platindraht 20 angeschlossen, der in die Salzschmelze eingetaucht ist. Üblicherweise umgibt ein (nicht dargestelltes) Glasrohr den Draht 20 und fängt an dieser Elektrode erzeugte Blasen ein. Ein Rührer 26 wälzt diesen Teil des Bades von den Wänden in der Nähe des Heizgerätes 25 her zu dem Rest des Bades hin um, wodurch in dem gesamten Bad eine relativ einheitliche Temperatur aufrechterhalten wird. Vorzugsweise wird das Substrat 13 vor seinem Eintritt in den Ofen in einer (nicht dargestellten) Kammer in der Nähe des Ofens 12 vorgewärmt. Ein elektrisches Feld, das vorzugsweise größer als 300 V/mm ist, sollte an das Substrat angelegt werden, um die Flächenwellenleiter mit minimaler thermischer Diffusion der Tl-Ionen einzubetten. Verschiedene der nachfolgend beschriebenen Elemente sind in die Ionenaustauschvorrichtung integriert worden, um zu ermöglichen, daß sie den zur Erzeugung des Feldes erforderlichen Hochspannungen standhalten kann.
• Eine bevorzugte Elektrode und ein bevorzugter Vakuumhalter sind in den Fign. 2 und 4 gezeigt, in denen Elemente, die von gleicher Art wie diejenigen von Fig. 1 sind, durch mit Strichindex versehene Bezugszeichen repräsentiert werden. Der Substrathalter 37 besteht aus einem Stützarm 38 und einem unteren Teil 39. Ein Sammelrohrsystem mit Löchern 40 und 43 evakuiert die Ringnut 41, die um den Umfang der Bodenfläche 42 verläuft. Auf diese Weise ist das Substrat 13' an dem Halter 37 gesichert, wobei die Elektrode 19' sehr guten elektrischen und thermischen Kontakt mit der Bodenfläche 42 hat. Die Bodenfläche 42 weist vorzugsweise dieselbe allgemeine Form wie das Substrat auf, wobei eine runde Form dargestellt ist. Bei einem quadratischen Substrat würde ein quadratischer Halter verwendet, um zu ermöglichen, daß die Bodenfläche des Halters die Elektrode 19' im wesentlichen abdeckt. Der Substrathalter 37 hält die Fläche 17' des Substrates 13' an der Oberfläche der Salzschmelze 10' und legt die negative Energieversorgungsspannung an die Elektrode 19' an.
• Die Elektrode 19' ist vorzugsweise eine poröse leitfähige Schicht, die aus Kohlenstoff oder einem feuerfesten Metall wie Wolfram, Chrom, Molybdän, Titan oder dergleichen gebildet ist. Das leitfähige Material kann in Partikelform mit einem Spray, das ein flüchtiges Lösungsmittel und ein polymeres Bindemittel enthält, aufgebracht werden. Zur Begrenzung des Aufbringens der Elektrode 19' auf den gewünschten Bereich der Substratfläche kann eine Maske 29 (Fig. 3) verwendet werden. Damit das Lösungsmittel verdampft, kann die aufgebrachte Schicht erwärmt werden, wodurch eine Schicht gebildet wird, die selbst porös ist oder die porös wird, wenn sie auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreichend hoch ist, um eine Zersetzung des Bindemittels zu bewirken. Die poröse Elektrode läßt zu, daß die Natriumionen, Kaliumionen oder dergleichen Ionen aus dem Glassubstrat austreten, ohne die Elektrode zu zerstören.
• Die Elektrode 19' ist vorzugsweise aus porösem Kohlenstoff gebildet, einem nichtklebenden Material, das leicht aufbringbar ist und Na und K gegenüber chemisch resistent ist. Kohlenstoff hält hohen Temperaturen stand und ist ein guter elektrischer und thermischer Leiter.
• Auf den Umfangsbereich 30 wird ein schmaler Wulst 34 aus Kleber aufgebracht. Ein Ring 35 aus elektrisch isolierendem Material wird auf den Kleber 34 gedrückt, wodurch er an dem Substrat befestigt wird. Der Kleber muß imstande sein, den hohen Temperaturen des zweiten Ionenaustauschschrittes standzuhalten. Der Ring 35 kann aus demselben Material wie das Substrat 13' gebildet sein, um die Möglichkeit von Problemen aufgrund von ungleichmäßigen thermischen Ausdehnungen zu eliminieren. Der Ring 35 kann jedoch aus anderen Materialien gebildet sein, die thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche sich geringfügig von demjenigen des Substrates 13' unterscheiden.
• Nachdem das Substrat 13' wie oben beschrieben vorbereitet worden ist, wird die Nut 41 evakuiert und das Substrat wird an dem Halter 37 befestigt. Zuvor ist in dem Substrat in dessen erster Fläche durch einen ersten Ionenaustauschprozeß, wie zuvor beschrieben, eine thalliumdotierte optische Wellenleiterbahn gebildet worden. Das Substrat wird vorgewärmt und dann in den Ofen für den zweiten Ionenaustausch eingeschoben, in dem seine Bodenfläche 17' abgesenkt wird, so daß sie das Salzschmelzenbad 10' kontaktiert. Das Salzbad wird auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten, d.h. einer, die bedeutend niedriger ist als die Substratglasübergangstemperatur Tg, So daß die Tl-Ionen eine ausreichend niedrige Thermodiffusionskonstante aufweisen. Die Thermodiffusionskonstante der Tl-Ionen sollte unter 5x10&supmin;¹² cm² sec liegen. Um die optische Wellenleiterbahn innerhalb einer angemessen kurzen Zeitspanne bei dieser niedrigen Temperatur einzubetten, werden bei dem Prozeß starke elektrische Felder verwendet, d.h. Felder über 500 V/mm. Dies bewirkt, daß die Tl- Ionen tief in das Substrat hineingetrieben werden; die Thermodiffusion dieser Ionen ist aber ausreichend gering, so daß die optische Bahn nicht bedeutend verbreitert wird, d.h. die Querschnittsabmessungen der eingebetteten Bahn betragen nicht mehr als etwa das Doppelte der Querschnittsabmessungen der ursprünglich gebildeten Bahn.
• Wenn die Kaliumionen und/oder die Natriumionen die poröse Elektrode 19' erreichen, besetzen sie die Poren, wo sie zu ihrer metallischen Form reduziert werden. Der Bereich der porösen Elektrode 19' innerhalb der Grenzen des Kreisrings 41 wird evakuiert. Da der evakuierte Bereich nicht von Luft besetzt werden kann, können Na und K, die diesen Bereich besetzen, nicht neu oxidiert werden, um eine Isolierschicht zu bilden. Na und K behalten vielmehr ihre metallische Form bei, wodurch eine elektrisch und thermisch leitfähige Schicht gebildet wird. Dies führt zum Anlegen eines einheitlichen elektrischen Feldes an das Substrat, wodurch der Prozeß des Einbettens der optischen Wellenleiterbahnen verbessert wird.
• Bei starken elektrischen Feldern und in Abwesenheit des Ringes 35 würden die Salze dazu neigen, durch Kapillarwirkung die Seitenflächen 14' und 15' hinaufzuwandern, und die resultierende Beschichtung würde einen Kurzschluß zwischen der Elektrode 19' und dem Bad 10' erzeugen. Derartige starken elektrischen Felder könnten auch direkt zwischen der Elektrode 19' und dem Bad 10' das Entstehen eines Kurzschlusses bewirken. Der Ring 35 vergrößert den Abstand zwischen der Elektrode 19' und dem Salzbad 10', wodurch beide Arten von Entladungen zwischen diesen beiden leitfähigen Elementen verhindert werden.
• Die Erwärmung des Substrates durch Joulesche Wärme aufgrund des starken elektrischen Feldes kann Prozeßinstabilität bewirken. Um eine derartige Instabilität zu verhindern, wird das elektrische Feld durch Regeln des von der Energieversorgungsquelle gelieferten Stroms geregelt. Wenn an die Elektroden auf den entgegengesetzten Seiten des Substrates eine Spannung Vi angelegt wird, beginnt die Substrattemperatur zu steigen, wodurch ein Anstieg des Stroms durch das Substrat bewirkt wird. Zum Zeitpunkt t&sub1;, wenn ein vorbestimmter maximaler Strom Im erreicht worden ist (siehe Fig. 5), beginnt die Energieversorgungsquelle, der Schaltung, die die Elektroden 19' und 20' enthält, einen konstanten Strom zuzuführen. Zwischen den Zeitpunkten t&sub0; und t&sub1; bleibt die Spannung auf Vi. Bei t&sub1; beginnt die Spannung bis zum Zeitpunkt te abzufallen, nach dem die Spannung im wesentlichen konstant auf der Gleichgewichtsspannung Ve bleibt. Der Unterschied zwischen den Zeitpunkten t&sub0; und t&sub1; kann durch Erhöhung von Vi verkürzt werden. Durch Beibehalten eines konstanten Stroms ist die Steuerung des Verfahrens beträchtlich erleichtert. Die Anzahl der ausgetauschten Ionen gibt die Tiefe an, in der eine optische Bahn eingebettet worden ist. Daher führt die Regelung von sowohl Strom als auch Zeit zur präzisen Steuerung der ausgetauschten Ionen und somit der Einbettungstiefe der Wellenleiterbahn.
• Nach Abschluß des zweiten Ionenaustauschprozesses wird das Substrat mit einer gesteuerten Rate abgekühlt, bis seine Temperatur ausreichend niedrig ist, um es sicher auf Zimmertemperatur bringen zu können. Da üblicherweise auf dem Substrat mehrere optische Vorrichtungen neben- und/oder hintereinander gebildet werden, wird das Substrat in Abschnitte geschnitten, die jeweils je nach Wunsch eine oder mehr Vorrichtungen enthalten. Durch eine Technik wie nach U.S.-Patent Nr. 4 943 130 können schweineschwanzförmige Enden optischer Fasern mit den Enden der optischen Wellenleiterbahnen ausgerichtet und an diesen befestigt werden.
• Das folgende Beispiel veranschaulicht die Verbesserungen, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einbetten optischer Wellenleiterbahnen mit Unterstützung eines starken elektrischen Feldes realisiert werden können.
• Zur Bildung von thalliuindotierten optischen Wellenleiterbahnen entlang einer ersten Fläche eines 3 mm dicken kreisförmigen Glassubstrates, das einen Durchmesser von 60 mm aufweist, wurde ein erster Ionenaustauschprozeß durchgeführt. Das Substrat bestand aus einem Natrium- und Kaliumionen enthaltenden Aluminoborsilikatglas. Sein Brechungsindex betrug 1,463. Zur Bildung einer Siliziummaske 50 auf einer ersten planaren Fläche des Substrates wurde eine fotolithografische Technik verwendet. Ein kleiner zentraler Teil des maskierten Substrates ist in Fig. 6 gezeigt. Die Maske 50 wies vierzig parallele, Y-förmige Öffnungen 51 auf, die jeweils 3 um breit waren.
• Das Substrat wurde in einen ein Thalliumnitratsalzbad enthaltenden Ofen eingebracht. Die Temperatur der Ofenatmosphäre, die zunächst 200ºC betrug, wurde auf 340ºC erhöht. Die maskierte Fläche des Substrates wurde dann abgesenkt, so daß sie eine Stunde lang mit dem Thalliumnitratsalzbad von 340ºC in Kontakt war. In der ersten Substratfläche wurden in der Nähe der Maskenöffnungen durch thermische Diffusion vierzig Y-förmige thalliumdotierte optische Wellenleiterkopplerbahnen gebildet. Das Substrat wurde aus dem Bad entnommen und in die Ofenatmosphäre gebracht, wo es aus 200ºC abgekühlt wurde. Es wurde dann aus dem Ofen entnommen und auf Zimmertemperatur abgekühlt. Dann wurde die Maske entfernt. Ein geeignetes Verfahren zum Aufbringen und Entfernen der Maske 50 wird in der Französischen Patentanmeldung Nr. 91 11923, eingereicht am 27. September 1991, gelehrt.
• Maske 29 (siehe Fig. 3) wurde über dem Substrat 13' angeordnet, um den Umfangsbereich 30 der zweiten Substratfläche 18' abzudecken. Aus einem im Handel unter der Bezeichnung Pulvegraph D 31 erhältlichen und von Acheson France S.A. - BP 36 - La Gueroulde - 27160-Breteuil-sur-Iton hergestellten Behälter wurde auf die freiliegende Fläche des Substrates eine Kohlenstoffpartikelbeschichtung aufgesprüht. Das Spray enthielt Lamellengraphit in einem polymeren Bindemittel und ein Lösungsmittel. Die Dicke der Kohlenstoffbeschichtung lag im Bereich von etwa 12-25 um. Die Maske 29 wurde entfernt, und das Substrat wurde auf etwa 100ºC erwärmt, um das Lösungsmittel aus der Kohlenstoffbeschichtung zu verdampfen. Das Substrat wurde abgekühlt, und auf den Umfang der Seite 18' wurde ein dünner Wulst General Electric RTV 118 Silikon aufgebracht. Ein ringförmiger, 35 mm hoher Glasring 35 wurde auf den Silikonwulst gedrückt, und man ließ den Kleber bei Zimmertemperatur mindestens 10 Stunden lang polymerisieren. Die Zusammensetzung des Ringes 35 war dieselbe wie die des Substrates 13'. Dann wurde das Substrat, wie in Fig. 2 gezeigt, an dem Halter 37 befestigt.
• Der zweite Ionenaustauschprozeß, währenddessen die zunächst gebildeten optischen Wellenleiterbahnen eingebettet wurden, wurde in einem zweiten Ionenaustauschofen durchgeführt, welcher eine Salzschmelzenbadmischung enthielt, die 80% Kaliumnitrat und 20% Natriumnitrat aufwies. Sowohl die Ofenatmosphäre als auch das Bad wurden auf 310ºC gehalten.
• Zunächst wurde das Substrat in eine Wärme/Kühl-Kammer in der Nähe des zweiten Ionenaustauschofens eingeführt; die Anfangstemperatur der Kammer betrug 200ºC. Die Kammertemperatur wurde erhöht, um die Temperatur des Substrates auf 310ºC zu steigern. Das Substrat wurde in den zweiten Ionenaustauschofen eingebracht, in dem es abgesenkt wurde, so daß es die Salzschmelzenbadmischung von 310ºC kontaktierte. Der Rührer 26, der zu einer Seite des Substrates angeordnet war, wurde mit mäßiger Geschwindigkeit betrieben, welche ausreichte, um das gesamte Bad auf eine Temperatur von 310ºC zu homogenisieren. Zwischen die Elektrode 19' und das Bad 10' wurde eine elektrische Spannung von 3000 V gelegt. Nach 2 Minuten (t&sub1;) hatte der Strom durch das Substrat auf einen vorbestimmten Maximalwert Im von 5,7 ma zugenommen, wonach die Spannung allmählich abzunehmen begann (Fig. 5), um den Strom auf einem konstanten Wert von 5,7 ma zu halten. 30 Minuten nach t&sub0; hatte die Spannung auf 2100 V abgenommen, sie blieb auf diesem Wert bis zum Ende des Durchlaufs, 9 Stunden nach t&sub0;. Daher betrug das elektrische Feld in dem Substrat zwischen den Zeitpunkten te und tf 700 V/mm.
• Nachdem die Spannung und der Strom Gleichgewichtswerte erreicht hatten (30 Minuten nach t&sub0;), wurde bestimmt, daß die mittlere Substrattemperatur 330ºC betrug. Die Substrattemperatur kann hergeleitet werden, indem eine Probe in einen Ofen eingebracht wird, wobei ihre Fläche mit dem Schmelzenbad in Kontakt ist. Nachdem die Probentemperatur mit der Badtemperatur ein Gleichgewicht erreicht hat, wird eine Spannung angelegt, der Strom gemessen und der spezifische Widerstand berechnet. Die Spannung wird abgeschaltet, die Badtemperatur verändert, es wird wieder eine Spannung angelegt und der Strom wird wieder gemessen. Dieser Vorgang wird innerhalb des interessierenden Temperaturbereiches ausreichend oft wiederholt, um eine Kurve des log&sub1;&sub0; R v. 1/T aufzuzeichnen. Während irgendeiner bestimmten zweiten Ionenaustauschbehandlung kann die Substrattemperatur gefolgert werden, indem der spezifische Widerstand von der Spannung und dem Strom abgeleitet wird und dann die Temperatur anhand der zuvor erzeugten Kurve des log&sub1;&sub0; R v. 1/T erhalten wird.
• Nach Abschluß des Wellenleiterbahneinbettungsprozesses wurde das Substrat von dem zweiten Ionenaustauschofen zu der Wärme/Kühl- Kammer überführt, deren Temperatur 310ºC betrug. Nachdem die Substrattemperatur auf 200ºC gesunken war, wurde das Substrat aus der Kammer entfernt.
• Die zweite Ionenaustauschbehandlung bewirkte, daß die Tl-Ionen zu einer Tiefe von etwa 25 um in das Substrat getrieben wurden. Die durchschnittliche Temperaturdifferenz von 20ºC zwischen dem Substrat und dem Bad war ausreichend gering, so daß die Temperatur des Substrates 13' über seinen gesamten Querschnitt relativ einheitlich war. Die optischen Wellenleiterkopplerbahnen erstreckten sich von der Seite 14' das Substrat entlang zu der Seite 15'. Von jeder der Seiten 14' und 15' und von den senkrecht zu den Seiten 14' und 15' verlaufenden Seiten wurde ein Substratabschnitt entfernt. Der verbleibende quadratische Abschnitt von 40 mm Kantenlänge enthielt 40 optische Koppler.
• Während sich auf der quadratischen Wafer von 40 mm Kantenlänge noch Vorrichtungen befinden, werden der Einfügungsverlust und die Grenzwellenlänge gemessen. Ein Ende einer ersten optischen Faser ist mit einer Lichtquelle verbunden und ein Ende einer zweiten optischen Faser ist mit einem Detektor verbunden. Ein Referenzsignal wird erhalten, indem die übrigen Enden der Fasern miteinander verbunden und ihre Kerne ausgerichtet werden, um den Lichtdurchsatz auf ein Maximum zu bringen. Das Ausgangsende der ersten Faser ist sequentiell mit den Eingangsenden der optischen Koppler ausgerichtet. In jeden Koppler wird Licht abgestrahlt, wobei die Eingangsfaser mit ihrer Eingangsbahn ausgerichtet ist. Eine optische Ausgangsfaser ist mit jeder Ausgangsbahn ausgerichtet und die Ausgangsleistung wird gemessen. Bei einem Koppler für 3 dB kann der maximal zulässige Einfügungsverlust für jede Ausgangsbahn 3,8 dB betragen, bevor die optischen Schweineschwanzfasern angebracht werden.
• Das Substrat wird in 40 einzelne optische Koppler geschnitten, die jeweils 1 mm breit sind. An die drei Bahnenden jedes Y-förmigen Kopplers werden die optischen Schweineschwanzfasern geklebt. Bei dem in diesem Beispiel beschriebenen Prozeß zeigt ein hoher Prozentsatz der Koppler aus jeweils einem quadratischen Substrat von 40 mm Kantenlänge Einfügungsverluste von weniger als 4 dB. Zulässigerweise liefern die Schweineschwänze eine Zugabe von einigen Zehntel eines dB an Verlust zu den Kopplern.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Einbettung einer optischen Wellenleiterbahn aus Dotierungsionen, die sich entlang einer ersten Fläche eines Glassubstrates erstreckt, das erste und zweite einander entgegengesetzte Flächen hat, mit

einem Salzschmelzenbad (10'),

einer Einrichtung (37) zum Halten des Substrates (13') derart, daß dessen erste Fläche (17') mit dem Salzschmelzenbad in Kontakt ist,

einer auf der zweiten Fläche (18') angeordneten porösen leitfähigen Elektrode (19), und

einer Einrichtung (23') zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die poröse Elektrode und das Bad, um die Dotierungsionen tiefer in das Substrat zu treiben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (23') zum Anlegen einer Spannung eine Spannung anlegt, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes von mehr als 500V/mm am Substrat (13') ausreichend ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die poröse Elektrode (19) aus einer Schicht aus Kohlenstoffpartikeln besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner mit einer Einrichtung (40,41,43) zum Entfernen von Sauerstoff von dieser porösen Elektrode (19').

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Einrichtung (37) zum Halten des Substrates eine planare leitfähige Fläche (42) zum Kontaktieren der porösen Elektrode (19') aufweist, wobei die Einrichtung (23') zum Anlegen einer Spannung mit der leitfähigen Fläche (42) verbunden ist, wobei die Einrichtung zum Entfernen von Sauerstoff eine um den Umfang der leitfähigen Fläche (42) verlaufende Nut (41) und eine Einrichtung (40,43) zum Evakuieren der Nut aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem am Umfang der zweiten Fläche (18') befestigten Glasisolierring (35).

7. Verfahren zur Bildung einer optischen Wellenleiterbahn unter der Oberfläche eines Glassubstrates mit ersten und zweiten einander entgegengesetzten Flächen, mit den Schritten:

Bilden einer optischen Wellenleiterbahn an der ersten Fläche (17') des Substrates (13') durch Ionenaustausch,

Anlegen einer porösen Elektrode (19) an die zweite Fläche (18') des Substrates,

In-Kontakt-Bringen der ersten Fläche mit einem Salzschmelzenbad (10') und

Anlegen eines elektrischen Feldes an das Substrat, um die ersten Ionen tiefer in das Substrat zu treiben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das elektrische Feld stärker als 500V/mm ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die poröse Elektrode aus Kohlenstoffpartikeln gebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Anlegens einer porösen Elektrode das Besprühen der zweiten Fläche mit in einem flüchtigen Träger suspendierten Kohlenstoffpartikeln und das Verdampfen des Trägers umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem vor dem Schritt des Besprühens der zweiten Fläche mit Kohlenstoffpartikeln eine Maske auf den Umfangsbereich der zweiten Fläche aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8, 9, 10 und 11, ferner mit dem Schritt des Entfernens von Sauerstoff von der porösen Elektrode (19').

13. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des In-Kontakt-Bringens der ersten Fläche mit einem Salzschmelzenbad (10') das Halten des Substrates von einem Halter (37) mit einer planaren leitfähigen Fläche (42) umfaßt, die die poröse Elektrode (19') kontaktiert, wobei die planare Fläche eine um ihren Umfang verlaufende evakuierte Nut (41) zum Entfernen von Sauerstoff von der porösen Elektrode aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13, ferner mit dem Schritt des Verhinderns, daß die Salze aus dem Bad (10') durch Kapillarwirkung an den Seitenflächen (14',15') hinaufwandern, durch Befestigen eines Glasisolierrings (35) am Umfang der zweiten Fläche (18').