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DE3542614A1 - Method for attenuating optical substrate waves in an integrated optical component - Google Patents

Method for attenuating optical substrate waves in an integrated optical component

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Publication number
DE3542614A1
DE3542614A1 DE19853542614 DE3542614A DE3542614A1 DE 3542614 A1 DE3542614 A1 DE 3542614A1 DE 19853542614 DE19853542614 DE 19853542614 DE 3542614 A DE3542614 A DE 3542614A DE 3542614 A1 DE3542614 A1 DE 3542614A1
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DE
Germany
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metallization
substrate
waves
substrate waves
component
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Withdrawn
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DE19853542614
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Bernd Dipl Phys Hillerich
Edgar Dipl Phys Weidel
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
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Abstract

The invention relates to a method for attenuating optical substrate waves in an integrated optical component. This is achieved by applying a metallisation of low reflectance to the top side and/or underside of the component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen in einem integriert optischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for damping optical substrate waves in an integrated optical Component according to the preamble of patent claim 1.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Dämpfung von Streulicht und/oder optischen Substratwellen in im wesent­ lichen planaren integriert optischen Bauelementen, z.B. Kopplern, Schaltern, Multiplexern.The invention particularly relates to the damping of Scattered light and / or optical substrate waves in essentially planar integrated optical components, e.g. Couplers, switches, multiplexers.

Als Beispiel ist in Fig. 1 die Kopplung zwischen einem faseroptischen Einzel-Lichtwellenleiter 1, z.B. einem Quarzglas-Lichtwellenleiter, und einem im wesentlichen planaren integriert optischen Bauelement 2 dargestellt. As Example 1, the coupling between an optical fiber single light waveguide 1, for example in FIG. A quartz glass optical fiber, and a substantially planar integrated optical device 2 is shown.

Der Lichtwellenleiter 1 besteht aus einem lichtführenden Kern 3 und einen diesen umgebenden Mantel 4. Das Bauele­ ment 2 besteht aus einem Substrat 5, in das optische Wellenleiter 6 allseitig eingebettet sind. Das Substrat 5 sowie die Wellenleiter 6 bestehen aus einem Material, das entsprechend der verwendeten Lichtwellenlänge gewählt ist. Geeignete Materialien sind z.B. Quarzglas, Lithiumniobat oder Halbleitermaterialien wie GaAs oder Inp. Derartige Bauelemente haben Länge- und Breitenabmessungen, die z.B. im Bereich von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern liegen, die Dicke beträgt z.B. ungefähr einen Millimeter.The optical waveguide 1 consists of a light-guiding core 3 and a jacket 4 surrounding it. The component 2 consists of a substrate 5 in which optical waveguides 6 are embedded on all sides. The substrate 5 and the waveguide 6 consist of a material which is selected in accordance with the light wavelength used. Suitable materials are quartz glass, lithium niobate or semiconductor materials such as GaAs or Inp. Components of this type have length and width dimensions which are, for example, in the range from a few millimeters to a few centimeters, and the thickness is, for example, approximately one millimeter.

Die Wellenleiter 6 haben Querschnittsflächen, deren Durch­ messer bzw. Höhen sowie Breiten im Bereich von 1 µm bis 100 µm liegen.The waveguides 6 have cross-sectional areas whose diameters or heights and widths are in the range from 1 μm to 100 μm.

Es ist nun erwünscht, daß beispielsweise in dem Licht­ wellenleiter 1 im Kern 3 geführtes Licht 7 möglichst verlustfrei in den Wellenleiter 6 eingekoppelt wird. Hat nun dieser z.B. eine von dem Lichtwellenleiter 1 abwei­ chende Querschnittsfläche, so entstehen in dem Bauelement 2 in der dargestellten Weise im Wellenleiter geführtes Licht 8 sowie störende Substratwellen 9.It is now desirable that, for example, light 7 guided in the core 3 in the light waveguide 1 is coupled into the waveguide 6 with as little loss as possible. If this has, for example, a cross-sectional area deviating from the optical waveguide 1 , light 8 and disruptive substrate waves 9 are produced in the component 2 in the manner shown in the waveguide.

Derartige Substratwellen 9 und/oder Streulicht entstehen weiterhin bei der nicht vollständigen Überkopplung von Strahlung aus optischen Sendern wie z.B. Halbleiterlasern in die Wellenleiter des Bauelementes, bei Knicken und Krümmungen von Wellenleitern, an Störstellen und Streu­ zentren der Wellenleiter, an Kopplern und Modulatoren usw., d.h. an allen Stellen innerhalb eines integriert optischen Bauelementes, an denen die in den Wellenleitern geführten Wellen Verluste erleiden. Die Substratwellen 9 pflanzen sich fort durch Reflexion an der Oberseite und/oder Unterseite des in dem integriert optischen Bau­ element enthaltenden Substrates 5 bzw. an den Endflächen. Diese Substratwellen 9 sind für die meisten integriert optischen Bauelemente unerwünscht, denn sie verschlechtern den Nutzsignal/Störsignal-Abstand und verursachen stören­ des Übersprechen. In Extremfällen kann die Gesamtleistung der Substratwellen 9 sogar über der in den Wellenleiter 6 geführten optischen Leistung liegen.Such substrate waves 9 and / or scattered light continue to arise in the incomplete coupling of radiation from optical transmitters such as semiconductor lasers into the waveguide of the component, in the event of kinks and curvatures of waveguides, at interference points and scattering centers of the waveguides, at couplers and modulators, etc., ie at all points within an integrated optical component at which the waves guided in the waveguides suffer losses. The substrate waves 9 propagate by reflection on the top and / or bottom of the element 5 contained in the integrated optical component or on the end faces. These substrate waves 9 are undesirable for most integrated optical components, because they degrade the useful signal / interference signal distance and cause interference with crosstalk. In extreme cases, the total power of the substrate waves 9 can even be higher than the optical power guided into the waveguide 6 .

Eine Dämpfung der störenden Substratwellen 9 ist möglich durch Beschichten der Außenfläche des Substrates 5 mit lichtabsorbierender Farbe und/oder Lack oder durch Ein­ betten des Substrates in ein optisches Medium, welches die gleiche Brechzahl besitzt und welches möglichst hohe optische Verluste besitzt für das zu über­ tragende Licht. Geeignete derartige Farben, Lacke und/oder optische Medien enthalten organische Stoffe, bei denen sich in nachteiliger Weise im Laufe der Zeit die Funk­ tionsfähigkeit verringert, z.B. durch Alterung. Dadurch verringert sich z.B. die Temperaturfestigkeit, die Gas­ dichtigkeit, insbesondere die Dichtigkeit gegen Wasser­ dampf, sowie die Haftung dieser Stoffe auf dem Substrat.Damping of the disturbing substrate waves 9 is possible by coating the outer surface of the substrate 5 with light-absorbing paint and / or lacquer or by embedding the substrate in an optical medium which has the same refractive index and which has the highest possible optical losses for the one to be transmitted Light. Suitable paints, varnishes and / or optical media of this type contain organic substances in which the functionality is disadvantageously reduced over time, for example due to aging. This reduces, for example, the temperature resistance, the gas tightness, in particular the tightness against water vapor, and the adhesion of these substances to the substrate.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat­ tungsgemäßes Verfahren anzugeben, das in kostengünstiger und zuverlässiger Weise eine möglichst hohe Unterdrückung störender Substratwellen ermöglicht und das insbesondere eine Alterungsbeständigkeit besitzt.The invention is therefore based on the object of a gat appropriate method to specify that in less expensive and reliably the highest possible suppression disturbing substrate waves and in particular  has an aging resistance.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This problem is solved by the in the characteristic Part of claim 1 specified features. Advantage sticky refinements and / or further training are the Removable subclaims.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die aufgebrachte Metallisierung lediglich eine vernachlässig­ bare Schichtdicke besitzt, so daß die Dicke des Substrates im wesentlichen erhalten bleibt.A first advantage of the invention is that the applied metallization is negligible Bare layer thickness, so that the thickness of the substrate essentially remains.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß für die Metalli­ sierung sehr korrosionsbeständige Metalle verwendbar sind, so daß insbesondere ein störendes Eindringen von Wasser in das Substrat vermieden wird.A second advantage is that for the Metalli very corrosion-resistant metals can be used, so that in particular a disturbing penetration of water the substrate is avoided.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf weitere schematische Figuren.The invention is based on execution examples explained with reference to others schematic figures.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen schematisch dargestellte Quer­ schnitte durch Ausführungsbeispiele. Figs. 2 to 4 show schematic cross sections through embodiments illustrated.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die Außenfläche des Substrates 5 derart zu metallisieren, daß eine verlust­ behaftete Reflexion der Substratwellen 9 an der Grenz­ fläche Substrat/Metallisierung entsteht.The invention is based on the knowledge of metallizing the outer surface of the substrate 5 such that a lossy reflection of the substrate waves 9 arises at the substrate / metallization interface.

Das Reflexionsverhalten von Metallen wird durch die Fresnelschen Formeln beschrieben, wobei der Brechungsindex n des Metalls als komplexe Zahl n = n₁ + i k₁ einzusetzen ist (siehe z.B. "Advanced optical techniques", edited by A.C.S. van Heel, North Holland publishing Co., Seiten 149ff.) Für die erwünschte hohe Dämpfung der Substrat­ wellen 9 ist es erforderlich, daß der Realteil n 1 und der Imaginärteil k 1 des Brechungsindexes einen möglichst großen Wert besitzen. Dieses ist in der deutschen Patent­ anmeldung näher erläutert, die zeitgleich mit dieser Patentanmeldung angemeldet ist und die das interne Akten­ zeichen UL 85/133 besitzt.The reflection behavior of metals is described by the Fresnel formulas, the refractive index n of the metal being used as a complex number n = n ₁ + i k ₁ (see, for example, "Advanced optical techniques", edited by ACS van Heel, North Holland publishing Co. , Pages 149ff.) For the desired high damping of the substrate waves 9 , it is necessary that the real part n 1 and the imaginary part k 1 of the refractive index have the greatest possible value. This is explained in more detail in the German patent application, which is registered at the same time as this patent application and which has the internal file number UL 85/133.

Die Dämpfung der störenden Substratwellen 9 beruht nun darauf, die Reflexion an den nicht zur Einkopplung und Auskopplung benutzten Grenzflächen des ingegriert opti­ schen Bauelements durch eine geeignete teilweise oder vollständige Metallbeschichtung zu verschlechtern. Als Metalle eignen sich hierfür diejenigen, deren komplexe Brechzahl n = n 1 + ik 1 sowohl einen großen Realteil n 1 als auch einen großen Imaginärteil k 1 besitzen, wie z.B. Titan mit n 1 = 3,67 und k 1 = 4,37 bei einer Lichtwellenlänge von 1,4 µm. Bei dieser Wellenlänge besitzt das Metall Chrom die Werte n 1 = 3,69 und k 1 = 3.84.The attenuation of the interfering substrate waves 9 is now based on deteriorating the reflection at the interfaces of the integrated optical component not used for coupling and decoupling by means of a suitable partial or complete metal coating. Suitable metals are those whose complex refractive index n = n 1 + ik 1 has both a large real part n 1 and a large imaginary part k 1 , such as titanium with n 1 = 3.67 and k 1 = 4.37 a light wavelength of 1.4 µm. At this wavelength, the metal chromium has the values n 1 = 3.69 and k 1 = 3.84.

Da die Dämpfung der Substratwellen 9 ungefähr mit dem Quadrat des Winkels α (Fig. 1) bezüglich der Ausbreitungs­ richtung steigt (einerseits nimmt die Zahl der Reflexionen mit α linear zu, andererseits nimmt der Reflexionsfaktor annähernd linear mit α zu), ist es vorteilhaft, Substrat­ wellen mit niedrigen α in solche mit möglichst großem α zu transformieren. Dieses wird anhand der folgenden Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Since the damping of the substrate shafts 9 approximately with the square of the angle α (Fig. 1) with respect to the propagation direction increases (the one hand, the number of reflections increases with α linear, on the other hand, the reflection factor increases approximately linearly with α to), it is advantageous To transform substrate waves with low α into those with the largest possible α . This is explained in more detail using the following examples.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein planares optisches Bauelement 2 mit einer Dicke von ungefähr 1 mm. In die Unterseite des Substrates 5 z.B. Quarzglas, wurde zunächst durch z.B. einen Schleifvorgang eine grabenförmige Vertie­ fung 11 angebracht, deren Längsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Wellenleiter 6 verläuft und deren Querschnitt im wesentlichen sägezahnförmig ausgebildet ist. Die Vertiefung 11 besitzt eine Breite b von ungefähr 2 mm und eine maximale Tiefe von ungefähr 0,5 mm. Anschließend wird auf die gesamte Ober- und Unterseite, einschließlich der Vertiefung 11, eine Metallisierung 10 aufgebracht, z.B. eine ungefähr 0,1 µm dicke Titanschicht. Die zunächst einen kleine Winkel a besitzenden Substrat­ wellen 9 werden in der dargestellten Weise durch die Vertiefung 11 in Substratwellen transformiert, die einen großen Winkel α besitzen. Bei einem großen Winkel α er­ niedrigt sich jedoch die Reflektanz der Metallisierung 10, so daß die Substratwellen 9 stärker absorbiert werden. Dieser Vorgang ist in der bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung mit dem internen Aktenzeichen UL 85/133 näher erläutert. Für die Metallisierung 10 ist alternativ auch eine ungefähr 0,1 µm dicke Metallschicht aus Chrom benutzbar. Das Aufbringen der Metallisierung 10 erfolgt z.B. durch Aufdampfen des Metalls im Vakuum. Außerdem ist es möglich, in die Ober- und Unterseite des Substrates 5 Metall, z.B. Chrom, Titan, Silber, einzubringen, z.B. durch ein Ionenimplantations- und/oder Diffusionsverfah­ ren, dabei entsteht eine mit Metall angereicherte Schicht mit einer Dicke von ungefähr 10 µm. FIG. 2 shows a cross section through a planar optical component 2 with a thickness of approximately 1 mm. In the underside of the substrate 5, for example quartz glass, a trench-shaped recess 11 was first attached by, for example, a grinding process, the longitudinal direction of which runs essentially perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide 6 and the cross section of which is essentially sawtooth-shaped. The recess 11 has a width b of approximately 2 mm and a maximum depth of approximately 0.5 mm. A metallization 10 , for example an approximately 0.1 μm thick titanium layer, is then applied to the entire top and bottom sides, including the depression 11 . The substrate waves 9 , which initially have a small angle a , are transformed in the manner shown by the recess 11 into substrate waves which have a large angle α . At a large angle α , however, the reflectance of the metallization 10 lowers, so that the substrate waves 9 are more strongly absorbed. This process is explained in more detail in the aforementioned German patent application with the internal file number UL 85/133. Alternatively, an approximately 0.1 μm thick metal layer made of chromium can also be used for the metallization 10 . The metallization 10 is applied, for example, by evaporating the metal in a vacuum. In addition, it is possible to introduce metal, for example chromium, titanium, silver, into the top and bottom of the substrate 5 , for example by an ion implantation and / or diffusion process, thereby creating a layer enriched with metal with a thickness of approximately 10 μm .

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Ober- und Unterseite des Substrates 5 vor dem Aufbringen der Metallisierung 10 aufgerauht wurde. Dabei beträgt die mittlere Rauhtiefe ungefähr 5 µm. Es ist außerdem möglich, auf der Ober- und Unterseite zusätzlich eine Welligkeit von ungefähr 50 µm zu erzeugen. Danach erfolgt eine vorsteh­ end beschriebene Metallisierung 10. Durch diese Maßnahmen ist ebenfalls eine Transformation des Winkels möglich, so daß die Reflektanz erniedrigt wird und dadurch die störenden Substratwellen 9 gedämpft werden.Was FIG. 3 shows an embodiment in which the upper and lower side shows the substrate 5 prior to applying the metallization 10 roughened. The average roughness is about 5 µm. It is also possible to create an additional ripple of approximately 50 µm on the top and bottom. This is followed by a metallization 10 described above. These measures also make it possible to transform the angle so that the reflectance is reduced and the interfering substrate waves 9 are thereby damped.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem vor dem Aufbringen der Metallisierung der Randbereich des Sub­ strates 5 verjüngt wurde, z.B. auf einer Breite b von ungefähr 2 mm. Dadurch wird der Winkel α ebenfalls ver­ größert und störende Substratwellen 9 gedämpft. Fig. 4 shows an embodiment in which the edge region of the substrate 5 was tapered before the metallization was applied, for example to a width b of approximately 2 mm. As a result, the angle α is also enlarged and disruptive substrate waves 9 are damped.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere an­ wendbar. Beispielsweise ist es möglich, die Dämpfungsmaß­ nahmen gemäß den Fig. 2 bis 4 zu kombinieren.The invention is not limited to the execution examples described, but analogously to other applicable. For example, it is possible to combine the damping measures shown in FIGS. 2 to 4.

Claims (7)

1. Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen in einem integriert optischen Bauelement, bei welchem auf die Ober- und/oder Unterseite des Bauelements eine lichtab­ sorbierende Schicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die lichtabsorbierende Schicht als Metallisierung (10) ausgebildet wird, die einen komplexen Brechungsindex besitzt, bei welchem der Realteil und der Imaginärteil einen möglichst hohen Wert annehmen für die Wellenlänge der zu dämpfenden Substratwellen (9).1. A method for damping optical substrate waves in an integrated optical component, in which a light-absorbing layer is applied to the top and / or bottom of the component, characterized in that the light-absorbing layer is formed as a metallization ( 10 ) has a complex refractive index, in which the real part and the imaginary part assume the highest possible value for the wavelength of the substrate waves ( 9 ) to be damped. 2. Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalli­ sierung (10) als metallische Schicht aufgebracht wird und/oder daß in die Ober- und/oder Unterseite des Bauele­ mentes metallisches Material eingelagert wird. 2. A method for attenuating optical substrate waves according to claim 1, characterized in that the metallization ( 10 ) is applied as a metallic layer and / or that metallic material is incorporated into the top and / or bottom of the component. 3. Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und/oder Unterseite des Bauelementes vor dem Metallisieren derart aufgerauht und/oder gewellt wird, daß nach mindestens einer Reflexion an der Metallisierung (10) Substratwellen ( 9) mit einem möglichst kleinen Refle­ xionswinkel (β) entstehen und/oder zumindest teilweise in Kernwellen umgewandelt werden (Fig. 3).3. A method for attenuating optical substrate waves according to claim 1 or claim 2, characterized in that the top and / or bottom of the component is roughened and / or corrugated before the metallization such that after at least one reflection on the metallization ( 10 ) Substrate waves ( 9 ) with the smallest possible reflection angle ( β ) arise and / or at least partially converted into core waves ( Fig. 3). 4. Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Metallisieren mindestens eine ko­ nische Verjüngung und/oder Einkerbung in dem Substrat durchgeführt wird derart, daß eine Reflexion der Substrat­ wellen an der Verjüngung und/oder Einkerbung zu einem kleineren Reflexionswinkel führt und dadurch zumindest eine teilweise Absorbtion der Substratwellen ( 9) in der Metallisierung (10) ermöglicht (Fig. 2).4. A method for attenuating optical substrate waves according to one of the preceding claims, characterized in that prior to the metallization at least one ko African taper and / or notch is carried out in the substrate such that a reflection of the substrate waves at the taper and / or Notch leads to a smaller reflection angle and thereby enables at least partial absorption of the substrate waves ( 9 ) in the metallization ( 10 ) ( FIG. 2). 5. Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Metallisierung (10) zumindest eines der Metalle Titan oder Chrom verwendet wird.5. A method for attenuating optical substrate waves according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the metals titanium or chromium is used as the metallization ( 10 ). 6. Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Aufbringen der Metallisierung (10 ) mindestens eine Kante des Substrates (5 ) derart abge­ schrägt wird, daß die Substratwellen (9 ) einen sich fortlaufend verkleinernden Reflexionswinkel (β) erhalten und dadurch in der Metallisierung (10) absorbiert werden (Fig. 4). 6. A method for attenuating optical substrate waves according to one of the preceding claims, characterized in that before the application of the metallization ( 10 ) at least one edge of the substrate ( 5 ) is beveled in such a way that the substrate waves ( 9 ) a continuously decreasing Obtained reflection angle ( β ) and thereby absorbed in the metallization ( 10 ) ( Fig. 4). 7. Verfahren zur Dämpfung von optischen Substratwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallisierung (10) durch Diffusion und/oder Ionenimplantation in die Ober- und/oder Unter­ seite des Bauelementes eingelagert wird.7. A method for attenuating optical substrate waves according to one of the preceding claims, characterized in that the metallization ( 10 ) is embedded by diffusion and / or ion implantation in the upper and / or lower side of the component.
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