DE2913843A1 - Verfahren zur herstellung von mikrolinsen und kopplungselement mit einer nach diesem verfahren hergestellten mikrolinse - Google Patents

Verfahren zur herstellung von mikrolinsen und kopplungselement mit einer nach diesem verfahren hergestellten mikrolinse

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DE2913843A1 DE19792913843 DE2913843A DE2913843A1 DE 2913843 A1 DE2913843 A1 DE 2913843A1 DE 19792913843 DE19792913843 DE 19792913843 DE 2913843 A DE2913843 A DE 2913843A DE 2913843 A1 DE2913843 A1 DE 2913843A1
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Description

PHILIPS PATENTVERWAL/TUNG:GM3H, Cteindamn: 94, 2°Oο U&^burQ A
3 PHD 79-033
"Verfahren zur Herstellung von MiKrolinsen und Kopplungselement mit einer nach diesem Verfahren hergestellten MiKrolinse"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von in einer Glasplatte eingebetteten MiKrolinsen. Unter MiKrolinsen sind Linsen mit einem Durchmesser < 1 mm zu verstehen, insbesondere Linsen mit einem Durchmesser zwischen 20 und 100 μΐη. Linsen dieser Abmessungen werden z.B. in Kopplungselementen zum Koppeln von optischen Wellenleitern mit einer Lichtquelle oder zum Koppeln von optischen Wellenleitern untereinander verwendet. Die Linsen Können aus einem Material mit Konstantem Brechungsindex bestehen oder auch ein Brechungsindexprofil aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Kugelförmigen Linsen, die für die genannten ZwecKe angewendet werden Können, sind an sich beKannt.
Aus der US-PS 36 66 347 ist ein Verfahren beKannt, bei dem zunächst homogene GlasKugeln mit dem gewünschten Durchmesser und mit einem hohen Brechungsindex hergestellt werden. Die Kugeln besitzen einen hohen Gehalt an Thalliumoxid. Die Kugeln werden in ein Salzbad von hoher Temperatur, das Kaliumionen enthält, gelegt.Durch Diffusion werden die Thalliumionen und die Kaliumionen gegeneinander ausgetauscht. Damit wird ein Brechungsindexprofil über den Durchmesser der Kugel erzeugt.
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Mit diesem Verfahren ergibt sich ein durch Diffusion eingestelltes Profil, welches im allgemeinen nur eine Annäherung eines gewünschten Profils darstellen Kann.
Aus der DE-OS 27 23 972 ist neben weiteren Austauschverfahren auch ein Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Linsen beKannt, bei dem GlasKeime mit sehr Kleinem Durchmesser mit Schichten aus Oxidmischungen, deren Brechungsindex mit dem Durchmesser abnimmt, aus der Dampfphase beschichtet werden. Solche Schichten aus einer Mischung von Titandioxid und Siliziumdioxid Können aus einer Atmosphäre, die Sauerstoff, Titantetrachlorid und Siliziumtetrachlorid enthält, wobei das TiCT^-Verhältnis während der Beschichtung ständig Kleiner gemacht wird, erhalten werden.
In der Praxis stellte es sich heraus, daß es Kaum vermeidbar ist, daß die Kugeln während der Beschichtung aneinanderstoßen, wenn mehrere Kugeln zugleich beschichtet werden. Dabei entstehen getrübte Schichten, wodurch die Transparenz der Linsen beeinträchtigt wird.
Die beKannten Verfahren liefern eine Anzahl von einzelnen GlasKugeln. Für die Anwendung in Kopplungselementen der eingangs genannten Art werden Kugeln mit einem Durchmesser in der Größenordnung des LichtleiterKerndurchmessers benötigt. Kugeln dieser Art mit einem Durchmesser < 100 um sind nur in Komplizierter Weise zu handhaben und es sind spezielle WerKzeuge erforderlich, um sie für den genannten ZwecK einsetzen zu Können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren, zu schaffen, mit dem einfach handhabbare MiKrolinsen hergestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in einer Glasplatte rotationssymmetrische Vertiefungen angebracht werden, dann mit einem Abscheidungsprozeß aus der Dampf-
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phase glasartige Schichten auf der Platte abgeschieden werden, bis die Vertiefungen völlig ausgefüllt sind, ■wonach die Dicke der beschichteten Glasplatte auf den ursprünglichen oder einen kleineren Wert reduziert wird.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es ebenfalls möglich, MiKrolinsen mit einem profilierten Brechungsindexprofil herzustellen. Hierzu werden glasartige Schichten mit zunehmendem Brechungsindex auf der Glasplatte abgeschieden, z.B. aus dotiertem Quarzglas. Auf diese Weise Kann das gewünschte Brechungsindexprofil, z.B. ein parabolisches Profil, erhalten werden. Die Glasplatte Kann z.B. aus Quarzglas oder aus Glas bestehen.
Die rotationssymmetrischen Vertiefungen Können auf verschiedene Weise in der Glasplatte hergestellt werden.
Die Vertiefungen Können z.B. in die Glasplatte gebohrt oder eingeätzt werden. Beim Ätzverfahren wird auf der Platte zuerst mittels eines PhotolacKs eine MasKe angebracht. Im nächsten Schritt wird geätzt. Dieses Ätzen Kann entweder mittels der beKannten nasschemischen Verfahren oder mit Hilfe des Plasmaätzens erfolgen. Es ist darauf zu achten, daß das Ätzen isotrop erfolgt. Im darauffolgenden Schritt wird der PhotolacK entfernt. Eine weitere MöglichKeit ist das Einbrennen der Vertiefungen durch starkes loKales Erhitzen und Verdampfen des Materials mittels eines Lasers. Weiter ist es möglich, die Vertiefungen bei erhöhter Temperatur mit Hilfe einer Matrize in das erweichte Glas einzupressen.
Zur Herstellung vom MiKrolinsen mit einem parabolischen Brechungsindexprofil wird in vorteilhafter Weise eine Glasplatte mit halbKugelförmigen Vertiefungen verwendet.
Im nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden
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aus der Dampfphase glasartige Schichten auf der Glasplatte abgeschieden. Dieses Abscheiden Kann mittels eines CVD-Vorfahrons, d.h. durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase, erfolgen. Dabei wird die Zusammensetzung der Dampf- ■ phase nicht geändert, wenn es sich um die Herstellung von Linsen mit Konstantem Brechungsindex handelt. Ein geeignetes Material ist z.B. Si^N^. Bei der Herstellung von Linsen mit einem Brechungsindexprofil wird mit Zunahme der SchichtdicKe immer mehr Dotiermaterial zusammen mit Quarzglas abgeschieden, bis in der letzten Schicht der gewünschte Brechungsindex erreicht ist. Die Größe des zu erreichenden Brechungsindexunterschiedes Kann die möglichen Dotierstoffe limitieren. Bei der Herstellung Kugelförmiger Linsen erweisen sich z.B. Si,N^, Sb-O-, und andere Stoffe, mit denen
iü Quarz dotiert werden Kann und die einen Brechungsindex in der Größenordnung von 2 besitzen, als geeignet.
Für eine ideale Kugelförmige Linse (Luneberglinse) ist ein exaKtes parabolisches Brechungsindexprofil der Form η = I 2-(r/a) J ?· erforderlich. Diese Linse hat einen Brechungsindex η = y 2 in der Mitte bei r =0 und einen Brechungsindex von η =1 bei r=a. Hierbei ist a der Radius der Kugel. Da es Kein Glas mit dem Brechungsindex η =1 gibt, strebt man eine Linse mit n=n I 2 - (r/a) j2 an, wobei η = 1,45
der Brechungsindex von Quarzglas ist. Die Kugel hat in diesem Fall im Zentrum η = 2,05 und am Rand η = 1,45.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Schicht vorzugsweise mit Hilfe des sogenannten nichtisothermen Plasma-CVD-Verfahrens aus der Gasphase abgeschieden. Unter einem "nichtisothermen Plasma-CVD-Verfahren" ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem mit einem sogenannten Kalten Plasma gearbeitet wird, in dem nur EleKtronen eine hohe Kinetische Energie besitzen. Mit einem solchen Plasma Kann man selbst Gasgemische zur ReaKtion bringen, die thermisch nicht reaKtiv sind. Weiter hat es sich gezeigt, daß sich
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mit dem nichtisothermen PCVD-Verfahren bei ziemlich niedriger Temperatur direkt aus der Gasphase glasartige Schichten abscheiden lassen, so daß sich eine nachfolgende Erhitzung zur Verglasung erübrigt, wie sie bei Verfahren, bei denen eine Glasrußschicht abgeschieden wird, notwendig ist. Sin weiterer Vorteil bei der Anwendung dieses Verfahrens ist, daß sich bei Abscheidung bei niedriger Temperatur, d.h. bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 3000C, ein etwaiger Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glasplattenmaterials und der abgeschiedenen Schichten nicht nachteilig bemerKbar macht.
Das Reduzieren der DicKe der beschichteten Glasplatte auf den ursprünglichen oder einen kleineren Wert erfolgt z.B. durch Abschleifen und/oder Polieren.
Zwei auf diese Weise hergestellte Linsen werden dann zu einer Linse vereinigt, indem die eingebetteten Linsen mit ihren flachen Seiten aneinandergelegt werden.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 einen Teil einer Quarzglasplatte mit
halbkugelförmigen Vertiefungen im Schnitt
Fig. 2 eine beschichtete Platte im Schnitt Fig. 3 die Platte nach Fig. 2 nach dem Abpolieren im Schnitt Fig. 4a eine fertige Kugelförmige Linse im
Schnitt
Fig. 4b eine fertige flache Linse im Schnitt Fig. 5 eine Beschickungsvorrichtung in schematischer Darstellung
Fig. 6 ein Kopplungselement in schematischer Darstellung.
Beispiel 1
Mit Hilfe eines COp-Lasers werden in einer Quarzglasplatte 1 (30 mm · 30 mm, Dicke 1 mm) halbkugelförmige Vertiefungen 2, 3 und 4 mit einem Durchmesser von 70 um angebracht (Fig. 1).
Dann wird die Platte 1 mit den halbkugelförmigen Löchern in ein Reaktionsrohr 51 gebracht (Fig. 5). Das Reaktions-
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rohr 51 befindet sich in einem eleKtrischen Ofen 52, in dem ein MiKrowellenresonator 53 entlang des ReaKtionsrohres hin und her bewegt werden Kann. Mit Hilfe eines nichtisothermen Plasmas wurde nun aus der Gasphase eine Schicht 6 aus Si^N^ mit einer DicKe von 35 um auf der Platte abgeschieden. Die Platte 1 befand sich während der Abscheidung auf einer Temperatur von einigen Hundert Grad Celsius. Der DrucK im ReaKtionsrohr 51 betrug etwa 6 mbar. Es wurde ein Gasgemisch aus SiCl^ und NH-, verwendet. Die Mengen der reagierenden Gase wurden in KubiKzentimeter pro Minute von 00C, 1000 mbar ( = sccm: standard cubic £entimeter per minute) gemessen. Sie betrugen für SiCl^ 10 sccm und für NOp 0 bis 30 sccm. Das Plasma wurde mittels des MiKrowellenresonators 53 erzeugt, die angewendete Frequenz betrug 2,45 GHz. Die Schicht 6 bestand aus 1000 einzelnen Lagen, so daß jede Lage 0,035 um dicK war (Fig. 2), wobei in den Figuren nur einige Lagen dargestellt sind.
Die DicKe der Quarzglasplatte 1 wird dann durch Polieren auf den ursprünglichen Wert reduziert. Dadurch werden in Quarzglas integrierte halbKugeiförmige Linsen (7, 8, 9) mit Konstantem Brechungsindex erhalten (Fig. 3)· Zwei Quarzglasplatten werden miteinander verbunden, so daß eine oder mehrere Kugelförmige Linsen 10 eingebettet in Quarzglas 11-11A entstehen (Fig* 4a).
Der Abstand zwischen Linse 10 und Oberfläche der Quarzglasscheibe 11 Kann durch Abpolieren auf einer Seite so gewählt werden, daß es der Brennweite der Linse 10 entspricht. Die Oberfläche der Scheibe 11 ist dann eine ausgezeichnete Referenz für die· Ausrichtung der Lichtquelle. Poliert man die Quarzplatte weiter als auf den ursprünglichen Wert, so erhält man flache Linsen, deren Brennweiten je nach Krümmungsradius der Löcher und Brechungsindex der.Füllungsmittel variierbar sind (Fig. 4b).
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Beispiel 2
In einem weiteren Versuch wurde eine Linse mit gradiertem Brechungsindexverlauf, eine sogenannte Luneberglinse, hergestellt. Die halbkugelförmigen Vertiefungen wurden dabei auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 1. Der Versuchsaufbau zur Beschichtung, Druck, Temperatur usw. entsprachen ebenfalls denen des ersten Beispiels. Der Unterschied lag in der Art der verwendeten Gase und im zeitliehen Ablauf ihrer Zuführung. Es wurden SiH,, NH, und N„0 verwendet, wobei die Gasströmungen folgende Werte annahmen:
^: 10 seem, Konstant über die Versuchszeit, NH^: 0 bis 30 seem, ansteigend über die Versuchszeit, NpO: 50 bis 0 seem, abfallend über die Versuchszeit.
Das Verhältnis von N zu 0 in der Gasphase bei konstantem SiEL-Gasstrom bestimmt das Verhältnis von SiOp zu Si,N^ im Niederschlag und damit den Brechungsindex. Es wurde ein parabolisches Brechungsindexprofil erzeugt. Dicke der Lage und die folgenden Schleifschritte waren wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung bezieht sich weiter noch auf ein Kopplungselement mit einer Lichtquelle und einer Linse, wobei die Lichtquelle auf einem Träger befestigt ist, auf dem eine Kappe angeordnet ist, welche die Linse trägt. Eine in einer Glasplatte nach der Erfindung eingebettete Mikrolinse kleinster Abmessungen läßt sich in denkbar einfacher Weise in der Kappe relativ zu der Lichtquelle anordnen. In Fig. 6 ist schematisch eine Ausführungsform eines Kopplungselementes nach der Erfindung dargestellt. Auf einem metallischen Trägerteil 61 befindet sich ein Kupferblock 62, das als Wärmesenke funktioniert. Auf dem Block 62 ist eine Laserdiode 63 montiert. Der Träger 61 umfaßt weiter zwei
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Durchführungen 64 und 65 aus Glas mit darin angeordneten Anschlußstiften 66 und 67, die über Anschlußdrähte 68 bzw. 69 mit der Laserdiode 63 und mit dem KupferblocK 62 verbunden sind. Das Element umfaßt weiter eine Kappe 70 und einen Halter 71. In der Kappe 70 ist die Glasplatte 72 befestigt, z.B. mit einem Klebemittel. Die Glasplatte 72 enthält die Kugelförmige Linse 73. Die Linse 73 ist so ausgerichtet, daß das Zentrum der Linse auf der Hauptachse des aus der Laserdiode 63 tretenden Lichtbündels liegt.
Das Verfahren nach der Erfindung ergibt die folgenden Vorteile:
1) Die Linse ist automatisch in einem Glasfenster
integriert, welches einfach zu handhaben ist und für die Anwendung in einem hermetisch abgeschlossenen Kopplungselement direKt einsetzbar ist.
2) Mit Hilfe eines CVD-Prozesses, insbesondere eines nichtisothermen Plasma-CVD-Abscheidungsprozesses, ist durch geeignete Prozeßführung ein sehr genaues und nahezu beliebig einstellbares Brechungsindexprofil herzustellen.
3) Auf einer einzigen Glasplatte Kann eine große Anzahl Vertiefungen und damit MiKrolinsen hergestellt werden.
4) Mit dem Verfahren nach der Erfindung Können rotationssymmetrische Linsen beliebiger Formen und Brechungsindexprofile hergestellt werden.
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Claims (7)

  1. PHILIPS PA .ι SNTVSiY/ ALTDIiG -UlIsJiI, JCoindamm 94. ^UOO .inniDur-ζ i
    >r PHD 79-033
    PATENTANSPRÜCHE:
    ι 1J Verfahren zur Herstellung von in einer
    Glasplatte eingebetteten Mikrolinsen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Glasplatte rotationssymmetrische Vertiefungen angebracht werden, dann mit einem Abscheidungsprozeß aus der Dampfphase glasartige Schichten auf der Platte abgeschieden werden, bis die Vertiefungen völlig ausgefüllt sind, wonach die Dicke der beschichteten Glasplatte auf den ursprünglichen oder einen kleineren Wert reduziert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß glasartige Schichten mit zunehmendem Brechungsindex abgeschieden werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß in der Glasplatte halbkugelförmige Vertiefungen angebracht werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die gläsartigen Schichten mittels eines nichtisothermen Plasma-CVD-Verfahrens aus der Gasphase abgeschieden werden.
  5. 5· Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß Schichten aus Quarzglas mit einem zunehmenden Gehalt an Siliziumnitrid abgeschieden werden.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit den Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 hergestellte Linsen zu einer Linse vereinigt werden, indem die eingebetteten Linsen mit ihren flachen Seiten aneinandergelegt werden.
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    2 PHD 79-033
  7. 7. Kopplungselement mit einer Lichtquelle
    und einer Linse, wobei die Lichtquelle auf einem Träger befestigt ist, auf dem eine Kappe angeordnet ist, welche die Linse trägt, dadurch geKennzeichnet, daß eine in einer Glasplatte (72) eingebettete Linse (73), die nach den Ansprüchen 1 bis 6 hergestellt worden ist, in der Kappe (70) angeordnet ist.
    0300A3/008?
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