DE60108228T2

DE60108228T2 - Optische wellenleiter und diese enthaltende vorrichtungen

Info

Publication number: DE60108228T2
Application number: DE60108228T
Authority: DE
Inventors: Gilberto Southampton BRAMBILLA; Valerio Southampton PRUNERI; Laurence Southampton REEKIE
Original assignee: University of Southampton
Current assignee: University of Southampton
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: AU4090801A; EP1265820B1; EP1265820A1; DE60108228D1; WO2001070640A1; ATE286492T1

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft optische Wellenleiter, die photoempfindliches Glas aufweisen, und optische Wellenleitereinrichtungen, die solch ein Glas enthalten, wie z. B. optische Fasergitter, optische Faserdispersionskompensatoren, optische Fasersensoren, optische Faserlaser und planare Wellenleitereinrichtungen.
Die Photoempfindlichkeit von Glasmaterialien (d. h. die Veränderung des Brechungsindex durch Bestrahlung mit optischer Strahlung) ist eine fundamentale Eigenschaft für die Realisierung von vielen optischen Vorrichtungen. Typische Gläser, die für diese Anwendungen verwendet werden, sind gegenüber ultraviolettem Licht (UV) photoempfindlich. Beispielsweise haben Bragg-Gitter in optischen Fasern und ebenen Wellenleitern sehr viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen seit ihrem Nachweis. Bragg-Gitter werden erhalten durch Belichtung eines Wellenleiters, der aus photoempfindlichem Glas hergestellt ist, mit einem periodischen Lichtmuster. Solche Einrichtungen haben viele Anwendungen, wie z. B. als Sensoren, Dispersionskompensatoren und Laserspiegel.
Die Festlegung von Kanalwellenleitern unter Verwendung des UV-Einschreibens auf Glassubstraten, wie z. B. Quarz auf Silicium, wird ebenso zunehmend wichtig für die Realisierung von multifunktionalen integrierten optischen Komponenten.
Optische Telekommunikationsfasern, d. h. SiO₂-Fasern mit einem niedrigen Gehalt an GeO₂ (~3%), zeigen nur relativ kleine Brechungsindexveränderungen, wenn sie UV-Strahlung ausgesetzt werden. Zusätzlich ist in Standard-Germanosilikatwellenleitern die UV-lichtinduzierte Brechungsindexveränderung nicht ausreichend für das Einschreiben von komplexen Strukturen mit einem hohen Integrationsgrad. Mit bekannten photoempfindlichen Gläsern ist es somit notwendig, die Photoempfindlichkeit von optischen Fasern oder ebenen Wellenleitern zu erhöhen durch Verfahren nach der Herstellung und durch Codotierung. Typische Verfahren nach der Herstellung sind die Wasserstoff/Deuteriumbeladung und das Flammbürsten. Typische Codotierstoffe sind B₂O₃, SnO₂ und Seltenerdelemente. SnO₂ wird hauptsächlich als Codotierstoff in Germanosilikat-, Phosphorsilikat- und Aluminiumsilikatgläsern verwendet [siehe Referenzen 1, 2, 3, 4]. Optische Faser mit einer numerischen Apertur (NA) zwischen 0,23 und 0,29 und Brechungsindexmodulationen von ~10^–3 können auf diese Art und Weise hergestellt werden.
In letzter Zeit wurden optische Fasern aus SnO₂:SiO₂ untersucht [5]. Zinndotiertes Glas wurde ebenso von anderen erwähnt [6–8]. In Referenz [5] wurde gezeigt, daß kleine Konzentrationen (~0,15 mol-%) von SnO₂ in einem Siliciumnetzwerk permanente Brechungsindexveränderungen mit einem hohen Grad von Lichtbrechung ergeben. Unter ähnlichen UV-Bestrahlungsbedingungen ist der Grad der Lichtbrechung nahezu zwei Größenordnungen größer als die Konzentrationen von GeO₂, die in SiO₂:GeO₂-Fasern erforderlich sind.
Verglichen mit der oben erwähnten Nachherstellungs- und Codotierungstechniken hat die Verwendung von SnO₂ verschiedene mögliche Anziehungspunkte. Sie sollte die Absorption im drit ten Telekomfenster bei 1,5 μm gering halten. Die Verarbeitung ist möglicherweise weniger zeitaufwendig und möglicherweise günstiger.
In der Praxis ist jedoch die Herstellung von SnO₂:SiO₂-Gläsern begrenzt durch die niedrige Lösbarkeit von Sn, das bei Konzentrationen von größer als etwa 1 mol-% aus SnO₂ auskristallisiert. Die Versetzung von SnO₂ mit höheren Konzentrationen führt zu einem kristallinen Material, was für die Realisierung von Vorrichtungen mit einem niedrigen optischen Verlust unbrauchbar ist. Obgleich nicht-kristallines, photoempfindliches Siliciumglas mit SnO₂-Konzentrationen von nahe 1 mol-% möglicherweise zu der Herstellung von praktikablen Vorrichtungen führen könnte, stellt die 1% Löslichkeitsgrenze die hauptsächliche praktische Begrenzung dar, die die Größe der Photoempfindlichkeit (Brechungsindexmodulation) und die Steuerung von NA begrenzt.
Ein anderes Problem bei der Herstellung von SnO₂-dotierten oder codotierten Fasern über modifizierte chemische Dampfabscheidung (MCVD) oder Lösungsdotiertechniken betrifft die hohe Flüchtigkeit von SnO₂ bei der Temperatur, die für die Preformreduktion notwendig ist. Dieses Problem verhindert effektiv hohe SnO₂-Konzentrationen, die in eine Faser eingebracht werden. Es kann erwartet werden, daß ein analoges Problem für andere Glasherstellungsprozesse auftritt.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein photoempfindliches Glas bereitzustellen für das Herstellen von faseroptischen und ebenen Wellenleitern, das es erlaubt, daß Zinnoxid in eine Siliciummatrix eingebracht wird mit Konzentrationen oberhalb dessen normalen Löslichkeitslimits von 1 mol-%, und das ebenso die Effekte der hohen Flüchtigkeit während der Preformreduktion oder anderer Glasherstellungsprozesse reduziert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wurde entdeckt, daß das Einschließen eines Elements der Gruppe I, wie z. B. Natrium, in einer zinndotierten Siliciumglasmatrix ein Glas mit höchst wünschenswerten Eigenschaften für die Verwendung in Wellenleitern, hergestellt entweder aus optischen Fasern, wobei das Glas den Kern bildet, oder als Teil einer ebenen Wellenleiterstruktur, bereitstellt.
Folglich stellt die Erfindung einen optischen Wellenleiter zur Verfügung mit einem wellenleitenden Kanal aus lichtempfindlichem Siliciumglas mit einem modifizierten Brechungsindex, der optisch hierin einbeschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Glas Oxide von Silicium, Zinn und zumindest einem der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium enthält. Der optische Wellenleiter kann eine optische Faser sein, wobei der wellenleitende Kanal gebildet wird durch einen Kern der optischen Faser, der das lichtempfindliche Glas aufweist. Der optische Wellenleiter kann ebenso eine ebene Wellenleitereinrichtung sein, die eine Schicht des lichtempfindlichen Glases aufweist mit einem Wellenleiterkanal, der optisch in die Schicht einbeschrieben ist. Integrierte ebene Wellenleiterstrukturen können somit hergestellt werden durch Einschreiben eines Kanalnetzwerks in die lichtempfindliche Glasschicht.
Das Einschließen eines Oxids von Na, Li oder K kann verwendet werden, um die Löslichkeit von Zinn in den Oxiden bis zu 20-mal über die 1 mol-%-Grenze von Zinn in der binären Verbindung SiO₂:SnO₂ anzuheben, wodurch ermöglicht wird, daß größere Brechungsindexmodulationen erzielt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Glas die Oxide SiO₂, SnO₂ und Na₂O auf. Das Einschließen von Natriumoxid in Silikon und Zinnoxid hat gezeigt, daß es ein lichtempfindliches Glas mit einer höchst wünschenswerten Kombination aus Eigenschaften erzeugt.
Ein weiterer Vorteil des Einschlusses von Natrium ist der, daß die Effekte, die die hohe Flüchtigkeit von Sn während der Preformreduktion betreffen, reduziert werden.
Darüber hinaus wurde gezeigt, daß die Brechungsindexmodulationen, die optisch in das SiO₂:SnO₂:Na₂O-Glas einbeschrieben wurden, eine bemerkenswerte Temperaturstabilität zeigen, viel besser als bei konventionellen SiO₂:GeO₂-Gläsern. Es wurde gezeigt, daß die Temperaturstabilität mindestens so gut ist wie die des binären photoempfindlichen Glases SiO₂:SnO₂. Der Natriumoxideinschluß kann somit verwendet werden, um die Sn-Konzentration zu erhöhen, um die intrinsische Photoempfindlichkeit zu erhöhen, während gleichzeitig ein Glas bereitgestellt wird, bei dem optisch einbeschriebene Brechungsindexmodulationen höchst stabil sind.
Das Einfügen von Natriumoxid verursacht ebenso keine signifikante Veränderung des Hintergrundsbrechungsindex. Dies steht im Gegensatz zu anderen Dotierstoffen (z. B. Ge oder P), die für das Erhöhen des Löslichkeitslimits von Sn geeignet sein könnten, die jedoch den Hintergrundsbrechungsindex des Quarzglases zu einem viel größeren Ausmaß erhöht. Beispielsweise erhöht sich in konventionellem Germanosilikatglas der Hintergrundsbrechungsindex um etwa 0,002 pro mol-% von GeO₂ in SiO₂ (siehe Referenz 9). Auf der anderen Seite ist für Natrium der Anstieg etwa fünfmal geringer, und zwar etwa 0,0004 pro mol-% für Na₂O in SiO₂. Dies ist ein wichtiger Vorteil für Natrium, da, falls der Brechungsindex zu hoch ist, es schwierig oder unmöglich ist, optische Fasern oder ebene Wellenleiter herzustellen, die mit den gegenwärtigen Telekommunikationsfasern kompatibel sind.
Das photoempfindliche Glas weist vorzugsweise zwischen etwa 1–20 mol-% SnO₂ und 1–60 mol-% R₂O (wobei R = Na, K oder Li) auf, um innerhalb des Löslichkeitslimits in einer im allgemeinen Siliciumdioxidmatrix zu liegen. Das photoempfindliche Glas kann aufweisen: 2, 5 und/oder 10 mol-% SnO₂ und/oder zumindest eines von: 2, 5, 10, 20, 30 oder 40 mol-% R₂O.
Es versteht sich ebenso, daß die Kombination aus Zinn und Na-, Li- oder K-Oxiden nicht nur an reines Quarzglas angewendet werden kann, sondern ebenso an Siliciumdioxid dotiert mit anderen Elementen, z. B. an Germanosilikatglas, Phosphorsilikatglas oder Aluminiumsilikatglas oder Kombinationen hiervon. Zusätzliche Seltenerddotierstoffe, wie z. B. Er, Nd oder Yb, können ebenso aufgenommen werden, um Verstärkung bereitzustellen. Bezugnahmen zu Quarzglas und einer Siliciumdioxidmatrix sollen daher Siliciumdioxid dotiert mit anderen Elementen, wie z. B. Germanium, Phosphor oder Aluminium, abdecken. Ähnliche Bezugnahmen auf ternäre Verbindungen werden als quaternäre oder höhere Ordnungskomponenten beinhaltend ausgelegt.
Das photoempfindliche Glas kann verwendet werden für viele Vorrichtungsanwendungen. Genauer gesagt kann eine optische Faser bereitgestellt werden, die einen Kern hat, der aus photoempfindlichem Glas gemacht ist. Ein ebener Wellenleiter, der das photoempfindliche Glas aufweist, kann ebenso bereitgestellt werden. Es kann ebenso eine optische Einrichtung mit einem Verstärkungsmedium bereitgestellt werden, das das photoempfindliche Glas enthält, beispielsweise ein Laser, ein optischer Verstärker oder Lichtermitter. Um Verstärkung in dem photoempfindlichen Glas bereitzustellen, können geeignete Dotierstoffe, wie z. B. die Seltenerdelemente Er, Nb, Yb beinhaltet sein. Darüber hinaus kann eine Gitterstruktur in das photoempfindliche Glas einbeschrieben sein, wie weiter unten in der spezifischen Beschreibung beschrieben wird.
Aufgrund der beachtlichen Stabilität der optisch in das Glas einbeschriebenen Brechungsindexmodulationen sind Vorrichtungen, die aus dem Glas hergestellt sind, robuster gegenüber intrinsischer Absorption, Multiphotonabsorption, hohen Temperaturen und anderen in Bezug stehenden Effekten, die alle dazu neigen, optisch einbeschriebene Brechungsindexmodulationen auszulöschen.
Folglich ist das Glas insbesondere attraktiv für Anwendungen, wie z. B. Hochleistungslaser und Verstärker, wo Restabsorptionseffekte oder Multiphotonabsorption typischerweise groß sind, und wo signifikante Temperaturanstiege während des Betriebs auftreten können. Da die Brechungsindexmodulationen solch hohen Betriebstemperaturen widerstehen können, können Vorrichtungen, die das Glas beinhalten, bei höheren Temperaturen und bei höheren Intensitäten betrieben werden. Auf diese Art und Weise sind die Kühlanforderungen weniger streng und Geräte können mit höheren Ausgangsniveaus betrieben werden. Allgemeiner ausgedrückt zeigt die hohe Temperaturstabilität die hohe charakteristische Aktivierungsenergie für die lichtinduzierten Brechungsindexveränderungen auf, von denen man annimmt, daß sie von Elektroneneinfangeffekten stammen. Folglich wird erwartet, daß, selbst falls die Vorrichtungsbetriebstemperaturen durch Kühlen oder einen gepulsten Betrieb niedrig gehalten werden, Leistungsgeräte, die ein optisch in das Glas einbeschriebenes moduliertes Brechungsindexprofil aufweisen, eine erhöhte Stabilität zeigen. Beispielsweise wird erwartet, daß die Vorrichtungszuverlässigkeit und die Lebensdauer verbessert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine optische Wellenleitervorrichtung bereitgestellt, die aufweist: einen optischen Wellenleiter, der zumindest teilweise aus photoempfindlichem Quarzglas gebildet ist, wobei das photoempfindliche Glas mit Zinn als photoempfindlichem Dotierstoff dotiert ist, und weiterhin eine Brechungsindexvariation, die optisch in das photoempfindliche Glas des optischen Wellenleiters eingedruckt ist, aufweist, wobei das photoempfindliche Glas zusätzlich mit Na, Li oder K als Dotierstoff für das Erhöhen der Löslichkeit von Zinn im Glas dotiert ist.
Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Wellenleiters bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines photoempfindlichen Quarzglases dotiert mit Zinn als photoempfindlichem Dotierstoff und einem Na-, Li- oder K-Dotierstoff für das Erhöhen der Löslichkeit von Zinn im photoempfindlichen Glas, und das Aussetzen von Regionen des photoempfindlichen Glases mit Brechungsindexveränderung induzierender optischer Strahlung, wobei die ausgesetzten bzw. bestrahlten Bereiche einen lichtführenden Kern mit erhöhtem Brechungsindex innerhalb des photoempfindlichen Glases bereitstellen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Prozeß bereitgestellt für das Erhöhen der Empfindlichkeit von optischem Siliciumdioxidglas gegenüber lichtinduzierten Brechungsindexvariationen, wobei der Prozeß aufweist: Dotieren des optischen Glases mit Zinn als lichtempfindlichem Dotierstoff in Verbindung mit Na, Li oder K als weiterem Dotierstoff für das Aufnehmen erhöhter Zinnmengen in das optische Glas, wodurch die Empfindlichkeit des optischen Glases gegenüber lichtinduzierter Brechungsindexvariation erhöht wird, und Bestrahlen von Bereichen des optischen Glases mit variierender optischer Strahlung, um den Brechungsindex des optischen Glases zu modulieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie die selbige in Wirkung gebracht werden kann, wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 die Brechungsindexmodulation als eine Funktion der Bestrahlungszeit zeigt,
2 die ursprüngliche Geschwindigkeit des Brechungsindexmodulationswachsens als eine Funktion der UV-Laserintensität in einem Glas gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3A die Temperaturstabilität für in ein Glas gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und in drei weitere Gläser einbeschriebene Gitter im Hinblick auf die Verschlechterung der Amplitude der Brechungsindexmodulation der Gitter, wenn die Temperatur erhöht wird, zeigt,
3B die Temperaturstabilität für das Gitter gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die in 3A gezeigt ist, in Bezug auf die Reflexionsantwort, wenn die Temperatur erhöht wird, zeigt,
4 die Löslichkeitsgrenzen in der ternären Verbindung SnO₂:SiO₂:R₂O für die Beispiele R = Li (Kurve 1), R = Na (Kurve 2) und R = K (Kurve 3) zeigt,
5 einen schematischen Querschnitt durch eine optische Faser mit einem Kern aus photoempfindlichem Glas, in den eine Brechungsindexmodulation einbeschrieben wurde, zeigt,
6 eine Seitenansicht einer ebenen Wellenleiterstruktur zeigt, die optisch in die Oberfläche einer epitaktischen oder Bulk-Schicht von photoempfindlichem Glas einbeschrieben ist,
7 eine seitliche Ansicht einer ebenen Wellenleiterstruktur zeigt, die optisch in eine Schicht aus photoempfindlichem Glas einbeschrieben ist, die zwischen eine Pufferschicht und eine Deckschicht eingelegt ist,
8 einen optischen Faserlaser mit Bragg-Reflektorkavitätsspiegeln zeigt,
9 ein gechirptes Gitter zeigt und
10 einen optischen Fasersensor zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine optische Faser wurde erzeugt durch Schrumpfen eines Suprasil-(TM)Mantels auf einem kleinen zylindrischen Glaskernstab während des Ziehens. Der Kern wurde hergestellt durch Schmelzen von Pulvern aus Na₂O, SiO₂ und SnO₂ in einem Platintiegel bei 1500°C für 60 Minuten. Das Glas wurde dann verfestigt bei 1750°C für 60 Minuten. Die molare Zusammensetzung des verwendeten Pulvers, um das Glas herzustellen, war: [SiO₂] = 75%, [SnO₂] = 5%, [Na₂O] = 20%. Das Glas wurde dann geschmolzen und gebohrt mit einem Ultraschallbohrer. Der Zylinder (1,5 mm Durchmesser und 50 mm Höhe) wurde in einem Ultraschallbad gereinigt und in Flußsäure (HF) geätzt, um die Oberflächenrauhheit zu reduzieren. Der Brechungsindex wurde mit einem Abbe-Refraktometer gemessen und zu n_Na = 1,52 bestimmt. Der Mantel (ein Suprasil-Rohr mit OD = 34 mm und ID = 1,6 mm) wurde auf den Kern bei 2000°C geschrumpft, während die Faser gezogen wurde. Die Faser hat OD = 74 μm und einen zweiten Moden-Cutoff bei 2495 nm.
Ein Gitter für eine Reflektivität bei ~1,55 μm wurde in die Faser einbeschrieben unter Verwendung eines gepulsten KrF-Excimerlasers (Wellenlänge 248 nm), der bei 30 Hz arbeitet, unter Verwendung einer Phasenmaske. Pulsdauer und Fluß wurden auf 20 ns und 140 mJ/Puls*cm² abgeschätzt. Die Gitterlänge betrug näherungsweise 2 mm.
1 zeigt den Anstieg der Brechungsindexmodulation mit der Bestrahlungszeit in Minuten. Ein Sättigungsniveau wird bei 6,2*10^–2 nach 120 Minuten Belichtung erreicht. Messungen bei unterschiedlichen Intensitäten wurden durchgeführt, um zu verstehen, ob die Lichtempfindlichkeit dieser Probe durch einen oder mehrere Photonabsorptionsprozesse angetrieben wird.
2 zeigt das ursprüngliche Wachsen der Brechungsindexmodulation als eine Funktion der Laserintensität, die linear erscheint und einen Gradienten von 1,1 hat. Dies ist ein Hinweis, daß der photorefraktive Effekt des Glases auf einem Ein-Photon-Prozeß basiert.
3A zeigt die Ergebnisse der Temperaturstabilitätsstudien, die auf Gittern durchgeführt wurden, die in photoempfindliches Glas einbeschrieben wurden, und zwar Gittern vier unterschiedlicher Zusammensetzungstypen. Die Grafik zeigt die Amplitude der Brechungsindexmodulation über der Temperatur in °C. Die Brechungsindexmodulation an der betreffenden Temperatur wird normalisiert auf die ursprüngliche Brechungsindexmodulation bei 20°C vor dem Aufheizen. Die Brechungsindexmodulation wurde in jedem Fall während des Heizschritts gemessen. Die Proben wurden erst auf 205°C aufgeheizt und dann zu höheren Temperaturen in Schritten von etwa 45°C. Jede Temperaturrampe benötigte etwa 2 Minuten und wurde gefolgt von dem Konstanthalten der Probe bei einer Temperatur für etwa 28 Minuten, bevor die Temperatur mit einem weiteren Schritt erneut erhöht wurde.
Die vier Beispiele sind Gitter, die in das Na₂O:SnO₂:SiO₂-Glas (SSN2 – ausgefüllte Kreise) geschrieben wurden, im Vergleich zu Gittern, die in die SiO₂:SnO₂-Gläser der Referenz [5] (SS – offene Kreise) geschrieben wurden, und im Vergleich zu denjenigen, die in Germanosilikatglas SiO₂:GeO₂ (SG – gefüllte Dreiecke) und Borogermanosilikatglas SiO₂:GeO₂:B₂O₃ (SGB – offene Dreiecke) einbeschrieben sind. Die erhöhte Stabilität der Gitter, die in SnO₂:SiO₂ und Na₂O:SnO₂:SiO₂ eingeschrieben wurden im Vergleich zu Germanosilikat und Borogermanosilikat ist markant. (An diesem Punkt sollte betont werden, daß die beachtlichen thermischen Eigenschaften von SnO₂:SiO₂-Binärglas nicht aus Referenz [5] bekannt sind, und es wird angenommen, daß diese nirgendwo sonst in der Literatur vorher bekannt waren.)
3B zeigt die Reflexionsantwort des Gitters, das in Na₂O:SnO₂:SiO₂-Glas bei verschiedenen unterschiedlichen Temperaturen einbeschrieben wurde, wobei die Antwortkurven bei Punkten gemessen wurden, die in 3A gezeigt sind. In der Ordnung von ansteigenden Peakwellenlän gen (von links nach rechts in der Figur) wurden die Antwortkurven aufgenommen bei: 20 (A), 205 (B), 343 (C), 484 (D), 580 (E), 681 (F), 767 (G), 852 (H), 895 (I) und 940°C (J), wobei die Peakantwortwellenlänge sich graduell von etwa 1546 nm erhöht. Man sieht, daß das Gitter stabil war bis zu und einschließlich der 681°C-Messung (Antwort F bei 1552 nm) mit einer ersten Verschlechterung, die bei 767°C erkennbar war (Antwort G).
4 ist der Referenz [10] entnommen und zeigt die Beziehung zwischen den Konzentrationen der Konstituenten in den ternären Verbindungen SnO₂:SiO₂:R₂O, wobei R = Li (Kurve 1), Na (Kurve 2) oder K (Kurve 3) ist. Die Kurven stellen die genäherten Konzentrationsgrenzen für die Kristallisation dar. Für alle drei Gruppe-I-Elemente ist die Maximalkonzentration für SnO₂ für nicht-kristallines Material als bei 20 mol-% Einschluß der Gruppe I-Elemente gezeigt, was somit die Aufnahme von bis zu 20-mal mehr Sn in eine nicht-kristalline Siliciumdioxidmatrix erlaubt. Die Konzentrationen, die für die Gruppe I-Elemente erzielt werden können, reichen von Minimalwerten von vielleicht etwa 10 mol-% bis zu Maximalwerten von etwa 40% für Li und 60% für Na und K. Für Na liegt ein bevorzugter Konzentrationsbereich zwischen etwa 10 und 60 mol-%. Es versteht sich, daß diese Kurven nur für eine reine Silicumdioxidmatrix anwendbar sind. Andere Kurven sind anwendbar, falls beispielsweise eine Germanosilikatmatrix verwendet wird.
Wie oben beschrieben, wurde eine Gittereinschreibung in eine ternäre SiO₂:SnO₂:Na₂O-Phase, die eine signifikante Brechungsindexmodulation erzielt, gezeigt.
Von Messungen der Absorption bei Sn-dotiertem/-codotiertem Siliciumdioxid wird erwartet, daß in dem ternären SiO₂:SnO₂:Na₂O-Glas der Absorptionspeak bei etwa 250 nm bei längeren Wellenlängen situiert sein wird verglichen mit germanosilikatbasiertem Glas. Dies könnte nützlich sein für Gittereinschreibung durch eine Beschichtung auf einer optischen Faser (wenn die Beschichtungen typischerweise bei längeren UV-Wellenlängen transparenter sind) und für die Verwendung von kommerziellen Laserquellen (festkörperbasiert) sowohl über Ein-Photon- als auch Zwei-Photon-Prozessen.
In den obigen Ausführungsformen wird die Faser produziert unter Verwendung von Stange-in-Rohr-Techniken anstelle von MCVD wie in einer vorherigen Arbeit. Man glaubt, daß dies für das Erreichen von hohen Sn-Konzentrationen nützlich sein kann. MCVD bleibt jedoch eine Option für Niedrigverlustfasern, wo die Sn-Löslichkeit erhöht wird durch Verwendung von Na über Lösungsdotierung.
Obgleich die oben beschriebene Ausführungsform das UV-Schreiben von Bragg-Gittern in optischen Glasfasern und Wellenleitern betrifft, können die Lehren hiervon allgemein Anwendung finden für die Produktion von optischen Vorrichtungen basierend auf photoempfindlichem Glas, wo eine erhöhte Photorefraktivität erforderlich ist, beispielsweise bei der Festlegung von Kanalwellenleitern durch UV-Schreiben. Einige Wellenleiterstrukturen und Vorrichtungen, die solche Wellenleiter beinhalten, werden nun unter Bezug auf die 5–10 beschrieben.
5 zeigt im axialen Querschnitt eine optische Faser entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsform. Die Faser weist einen Kern 20 des photoempfindlichen Glases SnO₂:SiO₂:Na₂O auf, in den optisch eine Gitterstruktur 25 einbeschrieben ist. Der Kern wird umgeben von einem Mantel 10.
6 zeigt eine ebene Wellenleiterstruktur 25, die optisch in eine Schicht 20 des photoempfindlichen Glases SnO₂:SiO₂:Na₂O mit einem Schreibstrahl oder Lithographen einbeschrieben ist. Die photoempfindliche Glasschicht 20 wird auf einem Siliciumdioxidsubstrat 5 abgeschieden. Der Wellenleiterkanal wird in die photoempfindliche Glasschicht 20 einbeschrieben durch Fokussieren eines Lichtstrahls auf die Schicht.
7 zeigt eine vergrabene Wellenleiterstruktur. Eine Siliciumdioxidpufferschicht 12 wird auf einem Siliciumsubstrat 5 abgeschieden. Eine Schicht 22 aus photoempfindlichem Glas SnO₂:SiO₂:Na₂O wird auf der Pufferschicht 12 mit einer weiteren Siliciumdioxidabdeckungsschicht 11, die auf der photoempfindlichen Glasschicht 22 abgeschieden wird, abgeschieden. Ein Wellenleiterkanal 25 wird in die photoempfindliche Glasschicht 22 eingeschrieben durch Fokussieren eines Lichtstrahls 23, so daß der Strahlbrennpunkt oder die Strahltaille mit der Schicht 22 zusammenfällt.
8 ist eine schematische Zeichnung eines optischen Faserlasers. Eine Laserkavität wird festgelegt durch ein erstes und ein zweites Bragg-Gitter 30 und 40, die optisch in eine optische Faser mit einem Kern aus photoempfindlichem Glas SnO₂:SiO₂:Na₂O, wie in Bezug auf 5 beschrieben, einbeschrieben ist. Das Verstärkungsmedium 50 ist ebenso aus einer optischen Faser hergestellt, wobei der Kern mit Er oder einem anderen geeigneten Seltenerdelement, wie z. B. Nd oder Yb, dotiert ist. Die Gesamtstruktur kann vom Einzelfasertyp sein, z. B. mit einem Kern aus Erdotiertem SnO₂:SiO₂:Na₂O-Glas. Die lichtempfindlichen Eigenschaften des Kavitätskerns können dann verwendet werden, um einen DFB-Laser (Distributed Feedback) herzustellen. Alternativ dazu können die Bragg-Gitter in Faserabschnitte einbeschrieben sein mit einem Kern aus SnO₂:SiO₂:Na₂O mit einem getrennten Faserabschnitt, der für die Kavität bereitgestellt wird. Der Kavitätsabschnitt wird einen verstärkungsinduzierenden Dotierstoff, wie z. B. ein Seltenerdelement, beinhalten, muß jedoch nicht irgendwelche lichtempfindlichen Dotierstoffe beinhalten. Im Betrieb wird ein Pumpstrahl P verwendet, um die stimulierte Emission in der Kavität anzuregen, um einen Laserausgang der Wellenlänge λ_L zu erzeugen. 9 zeigt ein gechirptes Fasergitter 60 mit einem Kern aus photoempfindlichem Glas SnO₂:SiO₂:Na₂O, wie in Bezug auf 5 beschrieben. Das gechirpte Gitter kann als ein Dispersionskompensator in der Langstreckenfaserkommunikation verwendet werden.
10 zeigt einen optischen Fasersensor. Eine Mehrzahl von Bragg-Gittern 74, 76, 78 mit entsprechenden charakteristischen Reflexionswellenlängen λ₁, λ₂ ... λ_n sind getrennt entlang eines Faserabschnitts 80 angeordnet, wobei ein Ende hiervon mit einem Zirkulator 72 verbunden ist. Die Faser weist einen Kern des photoempfindlichen Glases SnO₂:SiO₂:Na₂O auf, in den die Gitter optisch eingeschrieben werden. Der Zirkulator 72 ist betreibbar, um einen Probenlichtstrahl P von einem Eingang 70 durch den Faserabschnitt 80 zu leiten und um Licht, das von den Bragg-Gittern zu einem weiteren Abschnitt der Faser 80 zu leiten, die zu einem Ausgang 77 führt. Licht von dem Ausgang 77 wird von einem Photodetektor 75 erfaßt und analysiert, um zu bestimmen, von welchem der Bragg-Gitter das Licht reflektiert wurde. Spektroskopische oder Zeitauflösungstechniken können für die Analyse verwendet werden. Die Vorrichtung wird verwendet als ein Sensor durch Plazieren jedes der Bragg-Gitter an anderen Orten, wobei jedes eine andere physikalische Umgebung erfährt. Druck, Temperatur oder Belastung können beispielsweise auf diese Art und Weise gemessen werden.
REFERENZEN

1. L. Dong, J. L. Cruz, L. Reekie, M. G. Xu und D. N. Payne, IEEE Photonics Tech. Lett. 7, 1048 (1995).
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3. L. Dong, J. L. Cruz, J. A. Tucknott, L. Reekie und D. N. Payne, Optics Lett. 20, 1982 (1995).
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5. G. Brambilla, V. Pruneri und L. Reekie, Applied Phys. Lett. 76, 807 (2000).
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7. WO 99/18042, "Light-induced refractive index changes in low temperature glasses".
8. US 5,698,262 , "Method for forming tin oxide coating on glass".
9. Bansal & Doremus "Handbook of Optical Glass Properties" Academic Press 1986 ISBN 0-12-078140-9 Seiten 163, 583 & 584.
10. O. V. Mazurin, M. V. Streltsina, T. P. Shvaiko-Shvaikovskaya, "Handbook of Glass Data Part C Ternary Silicate Glasses", Elsevier, 1985 – ISBN 0-444-42889-5 Seiten 581, 585, 592, 593 & 601.

Claims

Optischer Wellenleiter mit einem wellenleitenden Kanal aus lichtempfindlichem Quarzglas mit einem modifizierten Brechungsindex, der optisch darin einbeschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Glas Oxide von Silicium, Zinn und zumindest einem der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium aufweist.
Optischer Faserwellenleiter mit einem Kern aus lichtempfindlichem Quarzglas mit einem modulierten Brechungsindexprofil, das optisch einbeschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Glas des Kerns Oxide von Silicium, Zinn und zumindest einem der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium aufweist.
Ebener Wellenleiter mit einer Schicht aus lichtempfindlichem Quarzglas, wobei die Schicht zumindest einen wellenleitenden Kanal mit modifiziertem Brechungsindex, der optisch darin einbeschrieben ist, hat, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Glas der Schicht Oxide von Silicium, Zinn und zumindest einem der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 3, bei dem die lichtempfindliche Glasschicht unter einer Deckschicht vergraben ist.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das lichtempfindliche Glas zumindest 2 Mol-% SnO₂ aufweist.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das lichtempfindliche Glas zumindest 5 Mol-% SnO₂ aufweist.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das lichtempfindliche Glas zumindest 10 Mol-% SnO₂ aufweist.
Wellenleiter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das lichtempfindliche Glas SiO₂, SnO₂ und R₂O aufweist, wobei R zumindest eines der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium ist.
Wellenleiter nach Anspruch 8, bei dem das lichtempfindliche Glas zumindest 2 Mol-% R₂O aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 8, bei dem das lichtempfindliche Glas zumindest 5 Mol-% R₂O aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 8, bei dem das lichtempfindliche Glas zumindest 10 Mol-% R₂O aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 8, bei dem das lichtempfindliche Glas zumindest 20 Mol-% R₂O aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 8, bei dem das lichtempfindliche Glas zumindest 30 Mol-% R₂O aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 8, bei dem das lichtempfindliche Glas zumindest 50 Mol-% R₂O aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 8, wobei das lichtempfindliche Glas zwischen etwa 1–20 Mol-% SnO₂ und 1–60 Mol-% R₂O aufweist.
Wellenleiter nach einem der vorherigen Ansprüche, der dotiert ist, um einen Verstärkungsbereich bereitzustellen.
Wellenleiter nach Anspruch 16, wobei der Verstärkungsbereich einen Seltenerddotierstoff aufweist.
Wellenleiter nach Anspruch 17, wobei der Seltenerddotierstoff zumindest eines der Elemente Er, Nd und Yb ist.
Laser, der einen Wellenleiter nach Anspruch 18 aufweist.
Laser nach Anspruch 19, der weiterhin ein Paar Bragg-Reflektoren aufweist, die optisch in das lichtempfindliche Glas einbeschrieben sind, die zumindest einen Teil der Verstärkungsregion begrenzen.
Laser nach Anspruch 19, der weiterhin ein Paar von Bragg-Reflektoren aufweist, die in ein weiteres lichtempfindliches Glas, das die Verstärkungsregion umgrenzt, einbeschrieben sind.
Gitter, das einen Wellenleiter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist, wobei das Gitter festgelegt wird durch ein moduliertes Brechungsindexprofil, das optisch in das lichtempfindliche Glas eingeschrieben ist.
Dispersionskompensator, der ein Gitter nach Anspruch 22 aufweist, wobei das Gitter ein gechirptes Gitter ist.
Bragg-Reflektor, der ein Gitter nach Anspruch 22 aufweist.
Sensor, der eine Mehrzahl von Bragg-Reflektoren nach Anspruch 24 aufweist, die entlang des Wellenleiters verteilt sind, wobei jeder Bragg-Reflektor eine charakteristische Reflexionsantwort hat.
Optische Wellenleitereinrichtung, die aufweist: einen optischen Wellenleiter, der zumindest teilweise aus lichtempfindlichem Quarzglas gebildet ist, wobei das lichtempfindliche Glas mit Zinn als lichtempfindlichem Dotierstoff dotiert ist, und eine Brechungsindexvariation, die optisch dem lichtempfindlichen Glas des optischen Wellenleiters aufgeprägt ist, wobei das lichtempfindliche Glas zusätzlich mit einem der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium als Dotierstoff dotiert ist für die erhöhte Löslichkeit von Zinn in dem Glas.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines lichtempfindlichen Quarzglases, das mit Zinn dotiert ist, als lichtempfindlichem Dotierstoff und einem der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium als Dotierstoff dotiert ist für das Erhöhen der Löslichkeit von Zinn in dem lichtempfindlichen Glas, und Aussetzen von Bereichen des lichtempfindlichen Glases einer optischen Strahlung, die eine Brechungsindexveränderung induziert, wobei die bestrahlten Bereiche einen lichtführenden Kern von erhöhtem Brechungsindex innerhalb des lichtempfindlichen Glases bereitstellen.
Verfahren für das Erhöhen der Empfindlichkeit des optischen Quarzglases gegenüber lichtinduzierten Brechungsindexvariationen, wobei das Verfahren aufweist: Dotieren des optischen Glases mit Zinn als lichtempfindlichem Dotierstoff in Kombination mit einem der Elemente Natrium, Lithium oder Kalium als einem weiteren Dotierstoff für das Inkorporieren erhöhter Zinnmengen in dem optischen Glas, wodurch die Empfindlichkeit des optischen Glases gegenüber lichtinduzierten Brechungsindexveränderungen erhöht wird, und Aussetzen von Bereichen des optischen Glases mit variierender optischer Strahlung, um den Brechungsindex des optischen Glases zu modulieren.