DE69411403T2

DE69411403T2 - Verfahren zum Feinpolieren von flachen optischen Elementen

Info

Publication number: DE69411403T2
Application number: DE1994611403
Authority: DE
Inventors: Robert James Corning Ny 14831 Hagerty; Clinton Raymond Corning Ny 14831 Jones
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1994-01-15
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2014-01-16
Also published as: EP0608730A1; EP0608730B1; AU673389B2; JPH0752031A; DE69411403D1; AU5384894A; CA2111010A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feinpolieren planarer optischer Elemente, welche im Zusammenhang mit optischen Wellenleitern verwendet werden.

Hintergrund der Erfindung

Ferninformationen werden üblicherweise durch Leiten von Lichtwellen durch einen optischen Wellenleiter übertragen, beispielsweise eine optische Faser. Ein Typ von optischer Wellenleitervorrichtung von augenblicklichem Interesse ist eine planare optische Wellenleiterkomponente. Solche optischen Wellenleitervorrichtungen enthalten eine Führungs- oder Kernschicht, welche zwischen zwei Mantelschichten aus Medien mit geringerem Brechungsindizes als demjenigen der Führungsschicht eingebettet ist. In zunehmenden Maße enthalten solche optischen Wellenleitervorrichtungen ein integrales planares optisches Element in dem optischen Weg des Wellenleiters. Solche Elemente enthalten Linsen, Gitter und Mikroprismen.
Beim Herstellen integraler optischer Elemente wird manchmal eine Technik des reaktiven Ionenätzens verwendet, siehe Beispiel US-Patent Nr. 4,865,453 und US-Patent Nr. 4,740,951.
Ein Problem, dem man bei dem reaktiven Ionätzen gegenübersteht, ist die Bildung von rauhen Hohlraumoberflächen. Daraus resultierend tendieren die integralen optischen Elemente, welche in solchen Hohlräumen bzw. Kavitäten gebildet werden, dazu, rauhe Oberflächen aufzuweisen. Aufgrund der kleinen und isolierten Natur solcher Hohlräume ist es schwierig, solche Rauhigkeit zu eliminieren. Diese Defekte bewirken eine Lichtstreuung oder einen Lichtverlust, welcher die Funktionstüchtigkeit des planarischen optischen Elements reduziert. Solche Funktionstüchtigkeit wird allgemeinerweise hinsichtlich des Überschussverlustes ausgedrückt - d.h. dem Lichtmengenverlust oberhalb des Verlustes in jedem optischen Kanal auf Grund der Aufspaltung durch die optische Schaltungsanordnung.
In M. M. Minot, et al., "A New Guided-Wave Lens Structure," Journal of Lightwave Technology, Band 8, Nr. 12 (1990) wird ein Hohlraum in dem Host-Wellenleiter durch reaktives Ionenätzen gebildet. Die Wände der resultierenden Hohlräume werden dann durch eine nasschemische Polierätzung gleichmäßiger gestaltet. Ein linsenförmiger Wellenleiter wird dann in dem Hohlraum durch Dampfabscheidung von SiO&sub2; auf dem Boden des Hohlraumes als eine Mantelschicht gebildet. Glas, welches als eine Führungsschicht wirkt, wird dann in dem Hohlraum durch Dioden-sputtern abgeschieden.
Diese Technik ist kommerziell nicht nützlich, weil lange Behandlungsperioden verwendet werden müssen. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Überwindung des Problems der Oberflächenrauhigkeit, dem man bei integrierten optischen Elementen entgegensteht, auf effizientere und kosteneffektivere Art und Weise.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Feinpolieren einer optisch transparenten Oberfläche mit einer Polierflüssigkeit mit abrasiven Partikeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Polierflüssigkeit wird während sie einer Anregung bzw. Agitation unterworfen ist, in Kontakt gebracht mit einer optisch transparenten Oberfläche, und zwar unter Bedingungen, welche zum Feinpolieren der optisch transparenten Oberfläche wirksam sind. Solche Agitation ist erwünschtermaßen Ultraschall, wobei die abrasiven Partikel vorzugsweise eine Größe von bis zu 1 um aufweisen. Der Prozeß ist insbesondere nützlich, wo die optisch transparente Oberfläche ein Hohlraum definiert, welcher zum Definieren eines planaren optischen Elements konfiguriert wird.
Die Prozedur nach der vorliegenden Erfindung reduziert im Wesentlichen die Rauhigkeit von optisch transparenten Hohlraumoberflächen. Wenn ein planares optisches Element darauf folgend in dem Hohlraum gebildet wird, bewirkt die Gleichmäßigkeit der Hohlraumoberflächen, daß die konformen Oberflächen des planaren optischen Elements gleichmäßig sind. Dies reduziert wesentlich den Überschussverlust in dem Wellenleiter.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ultraschall-Poliervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Fotografie, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop, eines Hohlraumes in einem optischen Wellenleiter, welcher keiner Ultraschall-Polierung unterworfen worden ist;
Fig. 3 eine Fotografie, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop, eines Hohlraumes in einem optischen Wellenleiter, welcher einer Stunde Ultraschall-Polierens unterworfen worden ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Fotografie, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop, eines Hohlraumes in einem optischen Wellenleiter, welcher 2 Stunden lang Ultraschall-Polieren ausgesetzt worden ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Fotografie, aufgenommen mit einem Rasterelektro nenmikroskop, eines Hohlraumes in einem optischen Wellenleiter, welcher Ultraschall-Polieren 4 Stunden lang unterworfen worden ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feinpolieren einer optisch transparenten Oberfläche mit einer Poliermischung mit abrasiven Partikeln. Die Poliermischung wird während sie einer Ultraschallanregung unterworfen wird, mit einer optisch transparenten Oberfläche unter Bedingungen in Berührung gebracht, welche zum Feinpolieren der optisch transparenten Oberfläche effektiv sind. Diese Berührung involviert vorzugsweise das Eintauchen der Oberfläche in die Poliermischung.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Ultraschallpolieren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. In dieser Vorrichtung umfaßt der Generator 10, welcher elektrische Ausgangsimpulse erzeugt, eine Vorrichtung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer hohen Gleichspannung zur Erzeugung von Impulsen. Einige bekannte Vorrichtungen können solch ein Schalten bewerkstelligen, und sie enthalten Block- Oszillatoren, Multivibratoren, Flip-Flops, Tunneldioden usw.
Impulse vom Generator 10 werden dem Wandler 8 zugeführt, welcher sich mechanisch ansprechend auf die Impulse bewegt. Einige im allgemeinen bekannte Vorrichtungen können auf Impulse ansprechend gestaltet werden, um als Wandler 10 zu dienen, und diese enthalten Kristalle, Piezoelektrica, elektrotriktive, magnetorstrictive Vorrichtungen und weitere.
Der Generator 10 ist derart gestaltet, daß er im Ultraschallfrequenzbereich von 20-45 Kilohertz bei einem Agitationlei stungspegel von 100 bis 200 Watt arbeitet. Der Wandler 8 wird unter diesen Bedingungen arbeiten gelassen, und zwar als Resultat seiner Verbindung mit dem Generator 10. Der Wandler 8 wiederrum ist an der Basis oder einer Seite des Tanks 6 angebracht, um die Flüssigkeit L unter diesen Bedingungen zum Schwingen zu bringen. Der Wandler 8, der Generator 10 und der Tank 6 sind vorzugsweise zusammen in einer üblichen Ultraschallreinigungseinheit zusammengefaßt. Ein Beispiel solch einer Einheit ist der Ultraschallreiniger Branson D-150, welcher von Branson Equipment Co., Shelton, CT hergestellt wird.
Die planare optische Vorrichtung D wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in den Behälter 2 zum Feinpolieren gesetzt. Einige gewichtige Abdeckung 4 wird dann über den Behälter 2 gesetzt, um ihn in Kontakt mit dem Boden des Tanks 6 zu halten. Ebenfalls gehalten innerhalb des Behälters 2 wird eine Poliermischung P, welche in Ultraschallbedingungen unterworfen wird, da die hochintensiven positiven Verschiebungen, welche in der Flüssigkeit L erzeugt werden, durch die Wand des Behälters 2 übertragen werden. Wiederrum fallen solche Verschiebungen der Poliermischung P auf die planare optische Vorrichtung D ein. Während des Betriebs der Vorrichtung von Fig. 1 sollte der Pegel der Flüssigkeit L auf einer Höhe gehalten werden, die ausreicht, um die Übertragung solcher positiven Verschiebungen zu gewährleisten. Im Allgemeinen ist eine tiefe von 2,0 bis 2,6 cm, vorzugsweise 2,54 cm, der Flüssigkeit im Tank 6 hinreichend.
Anstelle der Verwendung der Anordnung von Fig. 1 kann der Ultraschallpolierprozeß nach der vorliegenden Erfindung einen Werkstückhalter oder eine Klemme verwenden, um die planare optische Vorrichtung D in die Poliermischung P des Behälters 2 einzutauchen. Diese Technik ist in den US-Patent mit der Nr. 2,796,702 und 3,564,775 von Bodine, Jr. offenbart, welche hierdurch Bezugnahme mitaufgenommen sein sollen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Prozeß ohne die Verwendung des Behälters 2 und der Abdeckung 4 ausgeführt werden. Die Poliermischung P und die planare optische Vorrichtung D können direkt zum Feinpolieren in den Tank 6 gesetzt werden.
Die Poliermischung P wird aus einer Mischung einer Flüssigkeit und abrasiver Partikel hergestellt. Die Poliermischung hat ein volumetrisches Verhältnis der Flüssigkeit zu den abrasiven Partikeln von 1:0,4 bis 1:2,5, vorzugsweise 1:1.
Das Polieren kann bei irgendeiner Temperatur ausgeführt werden, welche nicht für die polierte optisch transparente Oberfläche schädlich ist. Temperaturen von nicht mehr als 20 bis 50ºC sollten verwendet werden, wobei Raumtemperatur bevorzugt ist. Falls notwendig kann Eis der Flüssigkeit L hinzugefügt werden, um zu gewährleisten, das sie nicht durch den Wandler 8 überhitzt wird.
Im allgemeinen ist je länger das Polieren ausgeführt wird, desto gleichmäßiger die optisch transparente Oberfläche. Polierzeiten von 1 bis 4 Stunden sind üblicherweise hinreichend.
Die abrasiven Partikel haben vorzugsweise eine Größe von bis zu 1 um, und vorzugsweise von 0,1-0,3 um. Diese Partikel sind hergestellt aus Aluminiumoxid, Glas, Diamantstaub, Carborund, Wolframcarbid, Siliziumcarbid, Borcarbid sowie Mischungen davon. Vorzugsweise wird Aluminiumoxidpulver mit einer Partikelgröße von 0,3 um verwendet.
Die Flüssigkeitskomponente der Poliermischung P kann irgendeine Flüssigkeit sein, die zum Aufschlemmen der obigen abrasiven Partikel geeignet ist. Solche Flüssigkeiten enthalten Leitungswasser und deionisiertes Wasser.
Das Feinpolierverfahren nach der vorliegenden Erfindung ist nützlich beim Behandeln optisch transparenter Oberflächen, welche einen Hohlraum oder eine Seitenwand in einem optischen Wellenleiter definieren. Solche Hohlräume oder Seitenwände werden durch Aussetzen der optischen Wellenleiter gegenüber reaktiven Ionenätzen gebildet und haben eine Konfiguration entsprechend derjenigen eines planaren optischen Elements. Nachdem der Hohlraum oder die Seitenwand gebildet ist, wird er/sie in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung feinpoliert. Ein planares optisches Element wird dann in dem polierten Hohlraum in Übereinstimmung mit der Prozedur der US-Patent Nr. 4,868,453 von Gidon et al. und 4,470,951 von Lizet et al. sowie M. M. Minot, "A New Guided-Wave Lens Structure," Journal of Lightwave Technology, Band 8, Nr. 12 (1990) gebildet, von denen alle oben erläutert worden sind. Geeignete Konfigurationen des planaren optischen Elements sind diejenigen einer geodesischen Komponente, einer Luneberg-Linse, einer Fresnel- Linse, einer Gitter-Linse, einer TIPE-Linse und andere ähnliche Mikrokomponenten-Vorrichtungen.
Einige Techniken sind bekannt zum Erzeugen solcher planaren optischen Elemente in planaren entrigierten optischen Vorrichtungen. Die folgenden Referenzen offenbaren geeignete Prozeduren: Das US-Patent Nr. 4,712,856 von Nicia für geodesische Komponenten; Suhara et al., "Graded-Index Fresnel Lenses for Integrated Optics," Applied Optics, Band 21, Nr. 11, Seiten 1966-1971 (1982) für Fresnel-Linsen; Columbini, "Design of Thin-film Luneberg-type Lenses for Maximum Focal Length Control," Applied Optics, Band 20, Nr. 20, Seiten 3589-3593 (1981) für Luneberg-Linsen; und Hatakoshi et al., "Waveguide Grating Lenses for Optical Couplers," Applied Optics, Band 23, Nr. 11, Seiten 1749-1753 (1984) für Gitterlinsen. Eine weitere Technik wurde entwickelt, wo planare optische Wellenleiter und Komponenten darin unter Verwendung von Polymeren her gestellt werden, z.B. Fan et al., EPO Patent Publication No. 0,446,672.
Geodesische Linsen sind durch eine Oberflächeneinsenkung bzw. -einbuchtung in der Oberseite des planaren optischen Wellenleiters gekennzeichnet. Geodesische Linsen erfordern eine strenge Steuerung während der Herstellung dieser Oberflächeneinbuchtung zum Halten der Streuverluste an den Übergangspunkten auf einem Minimum.
Luneberg-Linsen, welche eine Unterklasse von Geodesischen Linsen sind, erfordern die Verwendung eines Linsenmaterials, welches einen höheren Brechungsindex aufweist als demjenigen des Substrats des planaren optischen Wellenleiters, mit dem es verwendet wird.
Fresnel-Linsen, welche in der massiven Optik ähnlich wie Zonenplatten sind, beruhen auf der Phasenverschiebung und/oder Absorption zum Erhalten des erwünschten Focusiereffekts. Diese Phasenverschiebung wird über eine Reihe von halbperiodigen Zonen erzielt, welche an einen planaren optischen Wellenleiter angelegt sind. Für eine detaillierte Erörterung der Verwendung von Fresnel-Linsen in planaren optischen Wellenleitern, siehe Ashley et al., "Fresnel Lens in a Thin-film Waveguide", Applied Physics Letters, Band 33, Seiten 490-492 (1978).
Weitere Techniken zur Herstellung planarer optischer Elemente in optischen Wellenleitern sind erörtert in US-Patentanmeldung mit der Reihennummer 840,749 von Bhagavatula, welche hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Optisch transparente Oberflächen, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung behandelt worden sind, haben eine Oberflächenrauhigkeit, die wesentlich gleichmäßiger ist als diejenige, welche nach dem reaktiven Ionenätzen auftritt.
ters in dieser Art und Weise vor der Bildung eines planaren optischen Elements in dem Hohlraum feinpoliert werden, hat der Wellenleiter wesentlich weniger Überschussverlust als Wellenleiter, welche nicht auf diese Art und Weise poliert worden sind. Somit zeigen optische Wellenleiter, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung behandelt worden sind, eine wesentlich bessere Funktionstüchtigkeit als diejenigen, welche dem Polieren nicht unterzogen worden sind.

Beispiele

Beispiel 1

Ein optischer Wellenleiter mit einem Hohlraum, welcher durch reaktives Ionenätzen gebildet wurde, wurde einer gepufferten Oxidätzung mit einer modifizierten HF-gepufferten Lösung 30 Sekunden lang bei einer Ätzrate von 400 Å pro Minute unterzogen. Nach Vervollständigung der gepufferten Oxidätzbehandlung wurde eine Fotografie des optischen Wellenleiters mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Siehe dazu Fig. 2. Diese Fotografie zeigt, daß die Hohlraumoberflächen eine signifikante Rauhigkeit aufweisen.

Beispiel 2

Ein optischer Wellenleiter mit einem Hohlraum wie demjenigen von Beispiel 1 wurde einer gepufferten Oxidätzung gemäß den im Beispiel 1 aufgestellten Prozeduren unterworfen.
Der Wellenleiter wurde dann in einen Becher von 30 ml gesetzt, dem eine Poliermischung hinzugefügt war, die aus 100 ml von Aluminiumpulver mit 0,3 um und 10 ml Wasser formuliert war. Der Becher wurde dann in den Tank eines Ultraschallreinigers des Typs Branson D-150 gesetzt, und eine gewichtige Plastikabdeckung wurde dann auf die Oberseite des Bechers gesetzt, um zu gewährleisten, daß er in gutem Kontakt mit der Basis des Ultraschallreinigers bleibt. Der Ultraschallreinigertank wurde dann bis zu einer Höhe von 2,54 cm mit Wasser gefüllt, so daß die Ultraschallschwingungen auf den Becherinhalt übertragen wurden. Der Ultraschallreiniger wurde dann eingeschaltet und für eine Zeitspanne von 1 Stunde betrieben.
Nach Vervollständigung der Ultraschallbehandlung wurde der optische Wellenleiter entfernt, und eine Fotografie davon wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Diese Fotografie ist in Fig. 3 gezeigt. Ein Vergleich von Fig. 2 und 3 zeigt, daß die Feinpolierprozedur nach der vorliegenden Erfindung eine wesentlich gleichmäßige Oberfläche hervorbringt.

Beispiel 3

Die Testprozedur von Beispiel 2 wurde wiederholt, und zwar mit Ausnahme der Tatsache, daß die Ultraschallpolierstufe 2 Stunden lang ausgeführt wurde. Nach Vervollständigung des Ultraschallpolierens wurde der optische Wellenleiter von der Poliermischung entfernt, und eine Fotografie davon wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Diese Fotografie ist Fig. 4. Ein Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 2 und 3 zeigt, daß eine Erhöhung der Ultraschallpolierzeit die Gleichmäßigkeit der Hohlraumwände erhöht.

Beispiel 4

Der Prozeß von Beispiel 2 wurde wiederholt, und zwar mit Ausnahme dessen, daß die Ultraschallpolierzeit 4 Stunden betrug. Nach Vervollständigung der Ultraschallpolierung wurde der optische Wellenleiter von der Poliermischung entfernt, und eine Fotografie davon wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Diese Fotografie ist Fig. 5. Ein Vergleich von Fig. 5 mit Fig. 2, 3 und 4 zeigt, daß die Polierzeit von 4 Stunden eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Hohlraumwände hervorbrachte.

Beispiel 5

1 · 8-Koppler/Teilervorrichtungen wurden gemäß dem Design und dem Verfahren hergestellt, daß in der ebenfalls anhängigen US- Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/840,749 erläutert ist, welche hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Eine solche Vorrichtung wurde nach der Verarbeitung gemäß Beispiel 1 hinsichtlich ihrer optischen Funktionstüchtigkeit vermessen. Das mittlere Verhältnis zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung für die 8 Ausgänge betrug näherungsweise 12 dB (das theoretische Verhältnis ist 9 dB für 1 · 8-Teilung). ]
Eine weitere solche Vorrichtung wurde zusätzlicherweise gemäß dem Polierprozeß von Beispiel 4 behandelt. Der mittlere Überschussverlust betrug etwa 11 dB, eine Verbesserung von 33% von dem Überschussverlust ohne die erfindungsgemäße Polierbehandlung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer kleinen integrierten planaren optischen Wellenleitervorrichtung, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines planaren optischen Wellenleiters;

Ausbilden einer kleinen Mikrovertiefung im optischen Wellenleiter, wobei die Vertiefung eine optisch transparente Oberfläche aufweist und auf der 4 Oberfläche eine Unebenheit ausgebildet ist;

wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:

Einsetzen des optischen Wellenleiters mit der ausgebildeten Vertiefung (D) in einen eine flüssige Aufschlämmung (P) mit kleinen abrasiven Teilchen enthaltenden Behälter (2);

Ultraschallbehandlung der flüssigen Aufschlämmung, um die ausgebildete Unebenheit der optisch durchlässigen Oberfläche der Vertiefung zu vermindern;

weiterhin Ausbilden eines optischen Elements in der Vertiefung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden einer kleinen Mikrovertiefung die reaktive Ionenätzung des optischen Wellenleiters zur Ausbildung der kleinen Mikrovertiefung umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend die Übermantelung des optischen Wellenleiters, um die Vertiefung zu bedecken.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden eines optischen Elements in der Vertiefung die Ausbildung eines planaren optischen Elements, einer geodätischen Komponente, einer Luneberglinse, einer Fresnellinse, einer Gitterlinse, einer TIPE-Linse oder einer anderen ähnlichen Mikrokomponenteneinrichtung in der Vertiefung umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einsetzen des optischen Wellenleiters (D) in den die flüssige Aufschlämmung (P) enthaltenden Behälter (2) das Eintauchen des optischen Wellenleiters in die flüssige Aufschlämmung umfaßt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden einer kleinen Mikrovertiefung das Ausbilden einer kleinen Mikrovertiefung mit einer Tiefe von etwa 20 um oder weniger umfaßt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallbehandlung der flüssigen Aufschlämmung wenigstens eine Stunde lang durchgeführt wird.