FI79910C

FI79910C - Method of manufacturing a waveguide component for the forming field transform's forming integrated optics

Info

Publication number: FI79910C
Application number: FI873333A
Authority: FI
Inventors: Seppo Honkanen; Ari Tervonen
Original assignee: Valtion Teknillinen
Priority date: 1987-07-31
Filing date: 1987-07-31
Publication date: 1990-03-12
Also published as: FI873333A; FI79910B; FI873333A0

Description

7991 07991 0

Muotokentän muuntavan integroidun optiikan aaltojohdekompo-nentin valmistusmenetelmäMethod of manufacturing a waveguide component of a shape field converting integrated optic

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukaisen muoto-kentän muuntavan integroidun optiikan aaltojohdekomponentin valmistusmenetelmä.The invention relates to a method of manufacturing a waveguide component of an integrated optics which transforms a shape field according to claim 1.

Menetelmän avulla voidaan valmistaa lasisubstraatille optisia aaltojohteita, joiden geometria ja taitekerroinjakauma muuttuvat tasaisesti pitkin aaltojohdetta. Aaltojohteen geometrian ja taitekerroinjakauman muuttaminen muuttaa myös aaltojohteessa etenevän valon muotokenttää.The method can be used to fabricate optical waveguides on a glass substrate whose geometry and refractive index distribution change uniformly along the waveguide. Changing the waveguide geometry and refractive index distribution also changes the shape field of the light propagating in the waveguide.

Menetelmän mukaisesti valmistettuja komponentteja voidaan käyttää välielementteinä parantamaan erilaisten optisten kuitujen ja integroidun optiikan aaltojohteiden välistä kyt-kentähyötysuhdetta. Tärkeimpänä esimerkkinä on optisen yksi-muotokuidun ja puolijohdelaserin välisen kytkentähyötysuh-teen parantaminen. Optisen kuidun muotokenttä on lähes sylinterisymmetrinen, mutta puolijohdelaserin muotokenttä poikkeaa huomattavasti em. symmetriasta, mistä on seurauksena suuri optisen tehon vaimeneminen liitettäessä ko. komponentit toisiinsa. Jos muotokenttä muuttuu riittävän hitaasti puolijohdelaserin muotokentästä optisen kuidun muotokentäk-si, kytkentävaimennus on vähäinen. Riitävän hidas muutos toteutuu, jos muotokentän muuttavan komponentin pituus on suuruusluokaltaan suurempi kuin 3 mm.The components manufactured according to the method can be used as intermediate elements to improve the coupling efficiency between different optical fibers and waveguides of integrated optics. The most important example is the improvement of the coupling efficiency between a single-mode optical fiber and a semiconductor laser. The shape field of the optical fiber is almost cylindrically symmetrical, but the shape field of the semiconductor laser differs considerably from the above-mentioned symmetry, which results in a large attenuation of the optical power when the components together. If the shape field changes slowly enough from the shape field of the semiconductor laser to the shape field of the optical fiber, the coupling attenuation is negligible. A sufficiently slow change occurs if the length of the shape-changing component is greater than 3 mm.

Aiemmin erilaisten optisten kuitujen ja integroidun optiikan aaltojohteiden välistä kytkentävaimennusta on pienennetty käyttämällä valon kenttä jakautumaa muuttavia linssisysteeme-jä tai muokkaamalla optisen kuidun päätä. Lasisubstraatille on muotokentän muuntava komponentti ehdotettu valmistettavaksi diffusoidusta aaltojohteesta siten, että diffuusiota jatketaan lämmittämällä aaltojohdetta paikallisesti laserilla, jota pyyhkäistään eri aikoja pitkin aaltojohdetta (K.In the past, the coupling attenuation between different optical fibers and waveguides of integrated optics has been reduced by using lens field-changing lens systems or by modifying the end of the optical fiber. For the glass substrate, a shape field converting component has been proposed to be made of a diffused waveguide by continuing the diffusion by heating the waveguide locally with a laser that is scanned along different times along the waveguide (K.

2 799102 79910

Baka, K. Shiraishi, O. Hanaizumi, S. Kawakami; Appi. Phys. Lett. 45 (8), October 1984, s. 815). Esitetyille valmistusmenetelmille on oleellista menetelmien monimutkaisuus. Lins-sisysteemejä käytettäessä kohdistus on vaikeaa toteuttaa ja ongelmana on myös komponenttien huono stabiilisuus. Tavallisia kvartsilasista valmistettuja optisia kuituja muokattaessa kytkentähyötysuhteen parannusta rajoittaa kuiduissa saavutettavan taitekertoimen maksimikasvun pienuus.Baka, K. Shiraishi, O. Hanaizumi, S. Kawakami; Appl. Phys. Lett. 45 (8), October 1984, p. 815). The complexity of the methods is essential for the presented production methods. When using Lins internal systems, alignment is difficult to implement and poor component stability is also a problem. When modifying ordinary quartz glass optical fibers, the improvement in coupling efficiency is limited by the small increase in refractive index achievable in the fibers.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnettuihin ratkaisuihin liittyvät haittatekijät ja saada aikaan aivan uuden tyyppinen muotokentän muuntavan integroidun optiikan aaltojohdekomponentin valmistusmenetelmä.The object of the present invention is to eliminate the disadvantages associated with the known solutions and to provide a completely new type of method for manufacturing a waveguide component of an integrated optics which transforms a shape field.

Keksintö perustuu siihen, että ioninvaihtotekniikkaa käytettäessä muotokentän muuntimeksi tarkoitetun nauhamaisen, ensimmäisen ionilähteen läheisyyteen sovitetaan toiset ioni-lähteet, jotka muuttavat ensimmäisen ionilähteen ja vasta-elektrodin välistä sähkökenttää ensimmäisen ionilähteen pituussuunnan funktiona ionien diffuusiosuunnan ja täten valo-johteen muodon muuttamiseksi.The invention is based on the use of second ion sources in the vicinity of a strip-like first ion source for shaping a shape field converter, which changes the electric field between the first ion source and the counter electrode as a function of the longitudinal direction of the first ion source to change the ion diffusion direction and thus the light guide.

• Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 : tunnusmerkkiosassa.More specifically, the method according to the invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 1.

Keksinnön mukaista valmistusmenetelmää käytettäessä saavutetaan huomattavia etuja tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna. Menetelmä perustuu valoiitografiaan, joten se on erittäin yksinkertainen ja helposti hallittavissa. Yhdeltä lasisubst-raatilta saadaan useita komponentteja, joten menetelmä sopii halpaan massavalmistukseen. Menetelmän mukaisesti valmistetulla komponentilla toteutettu liitos on helppo kohdistaa ja : se on stabiili. Saavutettava taitekertoimen maksimikasvu on riittävä puolijohdelaserin muotokenttää muistuttavan muoto-kentän toteuttamiseksi.When using the manufacturing method according to the invention, considerable advantages are achieved compared to known solutions. The method is based on photographic chromatography, so it is very simple and easy to control. Several components are obtained from a single glass substrate, so the method is suitable for inexpensive mass production. The joint made with the component made according to the method is easy to align and: it is stable. The maximum increase in refractive index achievable is sufficient to implement a shape field resembling the shape field of a semiconductor laser.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellutusesimerkkien avulla .The invention will now be examined in more detail by means of application examples according to the accompanying drawings.

3 799103,79910

Kuviot la - le esittävät halkileikattuina perspektiivikuvan-toina valoaaltojohteiden valmistusta ionivaihtotekniikalla lasiin, kun ionilähteenä on hopeakalvo.Figures 1a to 1e are cross-sectional perspective views of the fabrication of light waveguides by ion exchange technology in glass when the ion source is a silver film.

Kuvio 2 esittää yläkuvantona yhtä keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävää valoaaltojohderakenteen maskikuviota.Figure 2 shows a top view of one mask pattern of a light waveguide structure used in the method according to the invention.

Kuviot 3a ja 3b esittävät leikkauskuvantoina kuvion 2 mukaisen maskikuvion keskimmäisen ionilähteen muodostaman sähkökentän muotoa ionilähteen eri päissä.Figures 3a and 3b show in sectional views the shape of the electric field generated by the central ion source of the mask pattern of Figure 2 at different ends of the ion source.

Kuviot 4a ja 4b esittävät leikkauskuvantoina optisia muoto-kenttiä keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun muoto-kentän muuntimen eri päissä.Figures 4a and 4b show sectional views of optical shape fields at different ends of a shape field converter manufactured by the method according to the invention.

Keksinnön mukaisen menetelmän lähtökohtana on ionivaihtotek-niikka, jolla valoaaltojohteita voidaan valmistaa lasiin. Ionilähteenä ionivaihdossa käytetään yleensä suolasulatteita (esim. AgNC>3, KNO3), joista ionit diffusoidaan lasiin. Sähkökenttää käytetään usein nopeuttamaan prosessia. Valoaalto-johde syntyy sellaisessa ionivaihtotilanteessa, jossa lasiin diffusoituva ioni nostaa lasin taitekerrointa. Vaihtoehtona suolasulatteille voidaan ionilähteenä käyttää myös metalli-kalvoa, jolloin sähkökentän käyttö on useimmiten välttämätön hyvien valoaaltojohteiden valmistamiseksi.The starting point of the method according to the invention is an ion exchange technique with which light waveguides can be produced in glass. Salt melts (e.g. AgNC> 3, KNO3) are usually used as the ion source in ion exchange, from which ions are diffused into the glass. The electric field is often used to speed up the process. A light wave conductor is generated in an ion exchange situation in which an ion diffusing into the glass increases the refractive index of the glass. As an alternative to salt melts, a metal film can also be used as the ion source, in which case the use of an electric field is most often necessary for the production of good light waveguides.

Kuvioissa la - le on havainnollistettu valokanavien valmistusta hopeakalvoa käyttäen hopea-natrium-ionivaihdolla natriumia sisältävään lasiin 1. Kuvion la mukaisesti hopea diffusoidaan lasiin 1 ionilähteen 2 ja vastaelektrodin 3 välisen sähkökentän avulla joko valoiitografiällä kuvioidun mas-kimateriaalin 4 läpi tai kuvioiden Ib ja le mukaisesti lasille 1 kuvioidusta hopeanauhasta 5. Kuviossa Ib on hopea-nauha 5 päällystetty alumiinikalvolla 6. Sähkökenttä muodostetaan tasajännitteellä, mutta myös epäsymmetrisen vaihtojännitteen käyttö on mahdollista.Figures 1a to 1e illustrate the fabrication of light channels using a silver film by silver-sodium ion exchange in a sodium-containing glass 1. According to Figure 1a, silver is diffused into a glass 1 by an electric field between an ion source 2 and a counter electrode 3 either by photographic chromatography on the patterned mask material 4 or 1 of the patterned silver ribbon 5. In Fig. 1b, the silver ribbon 5 is covered with an aluminum foil 6. The electric field is generated by a direct voltage, but it is also possible to use an asymmetrical alternating voltage.

Kuviossa 2 on esitetty substraattilasille kuvioitavan ioni-lähteen muotoa keksinnönmukaisessa menetelmässä. Keskellä 4 79910 sijaitsevasta ensimmäisestä ionilähteestä 7 lasiin 8 diffu-soituvat ionit muodostavat muotokentän muuntavan aaltojoh-teen. Ensimmäisen ionilähteen 7 leveys a on n. 2 Jim ja pituus b n. 5 mm. Ensimmäisen ionilähteen 7 viereen integroidut toiset ionilähteet 9 ovat muunninaihion alkupäässä 10 hyvin lähellä ensimmäistä ionilähdettä 7, mutta loppupäässä 11 huomattavasti kauempana. Kyseinen välimatkan muutos tapahtuu vähitellen. Toiset ionilähteet 9 sijaitsevat symmetrisesti ensimmäisen lähteen 7 suhteen. Välimatka voi kasvaa lineaarisesti muunninaihion alkupäästä 10 loppupäähän 11 tai se voi noudattaa jotain muuta, esim. eksponentiaalista funktiota. Sivuun integroitujen ionilähteiden 9 leveydellä ei ole suurta merkitystä, niiden tehtävänä on muuttaa sähkökentän muotoa lasissa keskimmäisen ionilähteen 7 alla.Figure 2 shows the shape of an ion source to be patterned on a substrate glass in the method according to the invention. From the first ion source 7 located in the middle of 4,79910, the ions diffusing into the glass 8 form a shape field converting waveguide. The width a of the first ion source 7 is about 2 Jim and the length b is about 5 mm. The second ion sources 9 integrated next to the first ion source 7 are very close to the first ion source 7 at the beginning 10 of the converter blank, but considerably further away at the end 11. This change in distance occurs gradually. The second ion sources 9 are located symmetrically with respect to the first source 7. The distance may increase linearly from the beginning 10 to the end 11 of the transducer blank or it may follow some other, e.g. exponential function. The width of the ion sources 9 integrated in the side is not of great importance, their function is to change the shape of the electric field in the glass under the central ion source 7.

Kuvioissa 3a ja 3b havainnollistetaan sähkökentän muotoa lasissa ensimmäisen ionilähteen 7 alla muunninaihion eri päissä. Kuvio 3a kuvaa sähkökentän muotoa muunninaihion alkupäässä 10, johon laser on tarkoitus kytkeä ja kuvio 3b taas loppupään 11 sähkökentän muotoa. Hopea diffusoituu lasiin kenttäviivojen 13 suuntaisesti ja kentänvoimakkuuden määräämällä nopeudella, jolloin kuvion 3b mukaisessa yksittäisen ionilähteen tapauksessa kenttäviivat lähtevät lähteestä sä-teittäisesti ja diffusoiduksi valokanavaksi saadaan poikkileikkaukseltaan puolipalloa muistuttava alue, koska nauhamainen lähde voidaan katsoa likimain viivalähteeksi. Kun ensimmäisen ionilähteen 7 rinnalle asetetaan kuvion 3a mukaisesti toiset lähteet 9, lähestytään tasomaisen lähteen tilannetta, jossa kenttäviivat ovat tasoon nähden kohtisuorat. Tällöin ionit diffusoituvat oleellisen suoraan kohti vastae-lektrodia 14 ja diffusoitunut alue muodostuu poikkileikkaukseltaan l-itteäksi. Vaihtelemalla toisten lähteiden 9 etäisyyttä ensimmäisestä lähteessä 7 ja mahdollisesti toisten lähteiden 9 jännitettä vastaelektrodiin 14 nähden voidaan valokanavan muotoa vaihdella halutuissa rajoissa. Esimerkiksi kuvion 2 mukaisessa tilanteessa sähkökentän muoto muuttuu vähitellen aihion alkupäästä 10 loppupäähän 11.Figures 3a and 3b illustrate the shape of the electric field in the glass under the first ion source 7 at different ends of the converter blank. Fig. 3a illustrates the shape of the electric field at the beginning 10 of the transducer blank to which the laser is to be connected, and Fig. 3b again the shape of the electric field at the end 11. Silver diffuses into the glass parallel to the field lines 13 and at a rate determined by the field strength, whereby in the case of a single ion source according to Fig. 3b the field lines emanate radially from the source and the diffused light channel is When the second sources 9 are placed alongside the first ion source 7 according to Fig. 3a, the situation of the planar source is approached, in which the field lines are perpendicular to the plane. In this case, the ions diffuse substantially directly towards the counter-electrode 14 and the diffused region is formed to the east of the cross-section. By varying the distance of the second sources 9 from the first source 7 and possibly the voltage of the second sources 9 with respect to the counter electrode 14, the shape of the light channel can be varied within the desired limits. For example, in the situation according to Figure 2, the shape of the electric field gradually changes from the beginning 10 to the end 11 of the blank.

5 799105,79910

Ionivaihtotekniikalla syntyvän aaltojohteen muoto riippuu suuresti sähkökentän muodosta lasissa ionilähteen alla. Kuvioissa 4a - 4b nähdään keksinnönmukaisella menetelmällä valmistetun aaltojohteen poikkileikkaus komponentin eri päissä. Kuviot eivät ole täsmälleen samassa mittakaavassa. Kuvion 4a mukaisesti alkupäässä 10 aaltojohteen 12 muoto-kenttä vastaa puolijohdelaserin muotokenttää, mutta loppupäässä 11 se vastaa optisen yksimuotokuidun muotokenttää.The shape of the waveguide generated by the ion exchange technique largely depends on the shape of the electric field in the glass under the ion source. Figures 4a to 4b show a cross-section of a waveguide made by the method according to the invention at different ends of the component. The patterns are not exactly on the same scale. According to Fig. 4a, at the beginning 10 the shape field of the waveguide 12 corresponds to the shape field of the semiconductor laser, but at the end 11 it corresponds to the shape field of the single-mode optical fiber.

Kuvioiden 4a - 4b mukaiseen lopputulokseen voidaan päästä eimerkiksi käyttämällä 0,6 mm paksuista eristelasia, jonka päällä on n. 50 nm paksuinen hopearaita. Vastaelektrodina voidaan käyttää alumiinitasokalvoa. Diffusointi suoritetaan n. 30 V jännitteellä n. 300°C lämpötilassa. Tyypillinen dif-fusointiaika on n. 10 - 30 minuuttia.The result according to Figures 4a to 4b can be achieved, for example, by using 0.6 mm thick insulating glass with a silver strip of about 50 nm thickness on top. An aluminum flat film can be used as the counter electrode. Diffusion is performed at a voltage of about 30 V at a temperature of about 300 ° C. A typical diffusion time is about 10 to 30 minutes.

Keksinnön erilaiset sovellutukset voivat vaihdella huomattavastikin seuraavien patenttivaatimusten puitteissa.The various embodiments of the invention may vary considerably within the scope of the following claims.

Niinpä esimerkiksi toisten ionilähteiden 9 sijoituksen ei välttämättä tarvitse olla symmetrinen ensimmäiseen ioniläh-teeseen 7 nähden, vaan erikoissovellutuksissa saattaa olla edullista valmistaa epäsymmetrisiä aihioita tai varustaa ensimmäinen ionilähde 7 vain toispuoleisesti toisella ioniläh-teellä. Ensimmäisen ionilähteen 7 leveyttä ja paksuutta voidaan myös vaihdella sähkökentän vaihteluiden mukaisesti.Thus, for example, the arrangement of the second ion sources 9 does not necessarily have to be symmetrical with respect to the first ion source 7, but in special applications it may be advantageous to produce asymmetric blanks or to provide the first ion source 7 only unilaterally with the second ion source. The width and thickness of the first ion source 7 can also be varied according to the variations of the electric field.

Claims

1. Förfarande för tillverkning av en vägledarkomponent för formfältstransformerande integrerad optik, enligt vilket förfarande - pä en första yta av ett plant isolermaterial (1, 8), t.ex. glas bildas en väsentligen pian, längsträckt första jonkälla (7), - p& en andra yta av isolermaterialet (l, 8) bildas en motelektrod (3, 14) och - mellan den första jonkällan (7) och motelektro-den (3, 14) kopplas en spanning för att ästadkomma jondiffusion, kännetecknat av att - närä den första jonkällan anordnas ätminstone en andra jonkälla (9), som är kopplad via en spänningskälla tili en motelektrod (14) och vars avständ tili den första jonkällan (7) varierar i dennas längdriktning, varvid den andra jonkällan (9) ändrar fältfiguration mellan den första jonkällan (7) och motelektroden (14) och därigenom formen pä den ljuskanal (12) som bildas.A method for manufacturing a guide component for shape field-transformer integrated optics, according to which method - on a first surface of a flat insulating material (1, 8), e.g. glass forms a substantially pian, elongate first ion source (7); ), a voltage is coupled to effect ion diffusion, characterized in that - when the first ion source is provided, at least a second ion source (9) is coupled via a voltage source to a counter electrode (14) and the distance to the first ion source (7) varies in its longitudinal direction, whereby the second ion source (9) changes the field configuration between the first ion source (7) and the counter electrode (14) and thereby the shape of the light channel (12) formed.

2. Förfarande enligt patentkrav l, kännetecknat av att pä bägge sidor om den första ionkällan (7) anordnas andra jonkällor (9), vars avständ tili den första jonkällan (7) ökar när man förflyttar sig frän den ena änden av den första jonkällan (7) tili den andra.Method according to claim 1, characterized in that on both sides of the first ion source (7), second ion sources (9) are arranged, the distance of which to the first ion source (7) increases as one moves from one end of the first ion source ( 7) til the other.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, kännetecknat av att de andra jonkällorna (9) anordnas symmetriskt i för-hällande tili den första jonkällan (7).Method according to claim 2, characterized in that the second ion sources (9) are arranged symmetrically in relation to the first ion source (7).

4. Förfarande enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknat av att de andra jonkällorna (9) anordnas sä, 9 79910 att avständet till den första jonkällan (7) ökar lineärt.Method according to claim 2 or 3, characterized in that the second ion sources (9) are arranged so that the distance to the first ion source (7) increases linearly.

5. Förfarande enligt patentkrav 2 eller 3, k ä n n e -tecknat av att de andra jonkällorna (9) anordnas sä, att avständet tili den första jonkällan (7) ökar icke-lineärt, t.ex. logaritmiskt.5. A method according to claim 2 or 3, characterized in that the second ion sources (9) are arranged so that the distance to the first ion source (7) increases non-linearly, e.g. logarithmically.

6. Förfarande enligt n&got av de föregäende patentkraven, kännetecknat av att bredden hos den första jonkällan är inrättad att vara lineärt eller icke-lineärt variabel när man förflyttar sig fr&n den ena änden av den första jonkällan (7) tili den andra, för att anpassa den första jonkällan (7) tili de ändringar i elfältet som or-sakats av de andra jonkällorna (9).Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the width of the first ion source is adapted to be linear or non-linear variable as it moves from one end of the first ion source (7) to the other, to adjust. the first ion source (7) to the changes in the electric field caused by the second ion sources (9).

7. Förfarande enligt nägot av de föregäende patentkraven, kännetecknat av att tjockleken hos den första jonkällan (7) är inrättad att vara lineärt eller icke-lineärt variabel när man förflyttar sig frän den ena änden av den första jonkällan (7) tili den andra, för att anpassa den första jonkällan (7) tili de ändringar i elfältet som orsakats av de andra jonkällorna (9). 1 Förfarande enligt av de föregäende patentkraven, kännetecknat av att potentialen hos de andra jonkällorna (9) anordnas att vara samma som för den andra jonkällan (7).Method according to any of the preceding claims, characterized in that the thickness of the first ion source (7) is arranged to be linear or non-linear variable when moving from one end of the first ion source (7) to the other. to adapt the first ion source (7) to the changes in the electric field caused by the second ion sources (9). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the potential of the other ion sources (9) is arranged to be the same as for the second ion source (7).