DE19723284A1

DE19723284A1 - Passive or amplifying optical waveguides

Info

Publication number: DE19723284A1
Application number: DE1997123284
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Sautter; Joerg Dr Blechschmidt; Rainer Schink; Juergen Graf; Peter Loeffler; Martin Dr Mennig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1998-12-10
Also published as: EP0916104A1; WO1998055890A1

Abstract

The invention relates to a method for producing waveguiding structures in glass objects, to waveguiding structures produced according to said method and to a device for implementing the inventive method. The inventive method comprising waveguiding structure in substrate glasses, wherein structures (3) are produced in the substrate glass (1), the structures (3) are filled with a filling glass (5), unused filling glass (5) is removed and the structured substrate glass (4) is melted to a covering glass (6). The filling glass (5) is filled and removed. The filling glass (5) is placed on top of the substrate glass (1), whereupon a covering glass (6) is placed on the substrate glass (1) at a high temperature and high pressure. The filling glass (5), which is placed on the substrate glass (1), is pressed into the structures (3) and the unused filling glass (5) is removed without any substantial residues. The structures are produced by impregnating the structures (3) into the substrate glass (1) and a high temperature and pressure.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung lichtwellenleitender Strukturen in Gläsern, mittels dieser Verfahren hergestellte passive und verstär kende optische Wellenleiter sowie eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren.The invention relates to methods of manufacture optical waveguiding structures in glasses, by means of passive and amplified manufactured by this method kende optical waveguide and a device to carry out the procedures.

State of the art

Optische Bauelemente mit integrierten Lichtwellen leiterstrukturen sind bekannt. Dazu zählen bei spielsweise in Polymeren angeordnete Wellenleiter, die durch Ätzen, Prägen bei niedrigen Temperaturen, Gießen oder durch photolithographische Strukturie rung hergestellt wurden. Bekannt sind auch Wellen leiter in Dünnschichtstrukturen, die beispielsweise durch planare photolithographische Verfahren, RF-Sputtern, Deposition, Ionenimplantation und Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden. Schließlich sind auch in einem Substratglas hergestellte Wellenlei ter bekannt, die durch Ionenaustausch erzeugt wur den. Optical components with integrated light waves ladder structures are known. These include for example waveguides arranged in polymers, by etching, embossing at low temperatures, Pour or by photolithographic structure were produced. Waves are also known conductors in thin-film structures, for example by planar photolithographic processes, RF sputtering, Deposition, ion implantation and sol-gel procedures were manufactured. Finally are also produced in a substrate glass ter known, which was generated by ion exchange the.

Verfahren zur einfachen Herstellung rein anorgani scher planarer Wellenleiter mit genau definiertem Kanalquerschnitt sowie hoher Temperaturbeständig keit, die sich auch für eine Massenfertigung eig nen, sind jedoch nicht bekannt.Process for simple purely inorganic production shear planar waveguide with precisely defined Channel cross section and high temperature resistance which is also suitable for mass production NEN, but are not known.

Advantages of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung lichtwellenleitender Strukturen, insbesondere Mikrostrukturen, in Substratgläsern, wobei in dem Substratglas Strukturen erzeugt, die Strukturen mit einem Füllglas gefüllt werden und das strukturierte Substratglas mit einem Deckglas verschmolzen wird, wobei durch das in die erzeugte Struktur einge brachte Füllglas und das dieses, auch als Kern be zeichnete, Füllglas umschließende Substrat- und Deckglas ein optischer Wellenleiter gebildet wird. Gegebenenfalls kann dabei vorgesehen sein, das nicht benötigte Füllglas zu verdrängen. Die Erfin dung sieht insbesondere vor, daß die Strukturen er zeugt werden, indem in das Substratglas unter er höhter Temperatur und erhöhtem Druck Strukturen eingeprägt werden. Alternativ kann jedoch auch vor gesehen sein, daß die Strukturen erzeugt werden, indem in das Substratglas Strukturen durch reakti ves Ionenätzen, naßchemisch und deren Kombination eingebracht werden.The invention relates to a method of manufacture development of optical waveguide structures, in particular Microstructures, in substrate glasses, in which Substrate glass creates structures with the structures a filling glass and the structured Substrate glass is fused with a cover glass, being turned on by the structure created brought filling glass and this, also as the core drew, filling glass enclosing substrate and Cover glass an optical waveguide is formed. If necessary, it can be provided that to displace fill glass that is not required. The Erfin In particular, the provision stipulates that the structures be witnessed by putting it in the substrate glass under it high temperature and pressure structures be impressed. Alternatively, however, can also be done before be seen that the structures are created by structures in the substrate glass by reacti ves ion etching, wet chemical and their combination be introduced.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in vorteil hafter Weise die Herstellung rein anorganischer planarer Wellenleiter mit genau definiertem Kanal querschnitt sowie hoher Temperaturbeständigkeit und weist gleichfalls das Potential für eine Integra tion unterschiedlicher Bauelemente auf. Überdies bietet das Verfahren eine Basis für integrierte op tische Elemente, bei denen die internen Verluste durch optische Verstärkung kompensiert werden, so wie für Wellenleiterlaser. Im Gegensatz zu ionen diffundierten Wellenleitern, bei denen die Seltene Erden-Dotierung im gesamten Material vorliegt, kann gemäß des vorliegenden Verfahrens die Dotierung auf den Kanal, das heißt die Wellenleiterstruktur selbst, beschränkt bleiben, so daß eine geringere Schwellenenergie erreicht werden kann. Unerwünschte Effekte durch ein Fortschreiten der Diffusion bei hoher Belastung im Kanal können so ausgeschlossen werden. In vorteilhafter Weise ergibt sich so eine hohe Langzeitstabilität.The method according to the invention advantageously allows the production of purely inorganic planar waveguide with a precisely defined channel cross section and high temperature resistance and also shows the potential for an integra tion of different components. Moreover the procedure offers a basis for integrated op table elements where the internal losses can be compensated by optical amplification, so like for waveguide lasers. In contrast to ions diffused waveguides where the rare Earth doping can be present in the entire material the doping according to the present method the channel, i.e. the waveguide structure itself, remain limited so that a lesser Threshold energy can be achieved. Undesirable Effects by progressing diffusion high loads in the sewer can be excluded will. This results in an advantageous manner high long-term stability.

Schließlich erlaubt das erfindungsgemäß vorgesehene Einprägen oder Naß- beziehungsweise Trockenätzen der Mikrostrukturen Trockenätzen und das Verpressen eine einfache und kostengünstige Herstellungsweise optischer Elemente, die sich für eine Massenproduk tion eignet.Finally, what is provided according to the invention allows Emboss or wet or dry etching of microstructures dry etching and pressing a simple and inexpensive method of manufacture optical elements that are suitable for a mass production tion is suitable.

Die Erfindung sieht insbesondere eine Präzisionsmi krostrukturierung von Glassubstraten entweder mit tels Heißprägen oder durch reaktives Ionenätzen oder Naßätzen in Kombination mit Trockenätzen, ein Heißverpressen zum Einbringen von Glas in die Mi krostrukturen und eine Versiegelung der mit dem eingebrachten Glas gefüllten Struktur durch Ver schmelzen von Substratglas und einem Deckglas vor. Die Erfindung betrifft also die Herstellung eines optischen Wellenleiters, bestehend aus speziellen optischen Glastypen, die bezüglich Erweichungstem peratur, Aktivierungsenergien, Ausdehnungskoeffizi enten und Brechzahldifferenzen aufeinander abge stimmt sind. Das Substratglas weist dabei eine an dere Zusammensetzung, Struktur und/oder andere op tische Eigenschaften als das Füllglas auf, so daß sich eine für die Lichtwellenleitung ausreichende Brechzahldifferenz ergibt. Das Substratglas kann vorteilhafterweise die gleiche Zusammensetzung, Struktur und/oder die gleichen optischen Eigen schaften wie das Deckglas aufweisen. Dabei läßt das Substratglas aufgrund seiner Materialparameter vor teilhafterweise zusätzlich eine Strukturierung durch direktes Heißprägen der planaren Wellenlei terstrukturen zu.The invention particularly sees a precision crostructing glass substrates either with hot stamping or by reactive ion etching or wet etching in combination with dry etching Hot pressing to insert glass into the Mi Crostructing and sealing the with the inserted glass filled structure by ver melt substrate glass and a cover glass. The invention thus relates to the manufacture of a optical waveguide, consisting of special optical glass types that are related to softening temperature, activation energies, expansion coefficient dents and differences in refractive index are true. The substrate glass instructs one their composition, structure and / or other op table properties than the fill glass, so that sufficient for the optical waveguide Refractive index difference results. The substrate glass can advantageously the same composition, Structure and / or the same optical properties have features like the cover slip. That leaves Substrate glass due to its material parameters sometimes structuring additionally by direct hot stamping of the planar waveguide structures to.

Insbesondere umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren die Präzisionsmikrostrukturierung von mit einem Füllglas zu füllenden Strukturen oder Kanälen, wo bei vorgesehen sein kann, dieses Prägen mittels di rektem Heißprägen des Substratglases mit Hilfe von, vorteilhafterweise hartstoffbeschichteten, Quarz glas-, Silizium- oder Nico-Stempeln durchzuführen.In particular, the method according to the invention comprises the precision microstructuring of with one Fill glass to fill structures or channels where can be provided at this embossing by means of di right hot stamping of the substrate glass with the help of advantageously hard-coated, quartz glass, silicon or nico stamps.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Füllen und Verdrän gen des Füllglases wird vorteilhafterweise durchge führt, indem das Füllglas mit einem Deckglas in die Mikrostrukturen gedrückt wird, wobei das Deckglas vorteilhafterweise aus dem gleichen Glastyp wie das Substratglas besteht und wobei anschließend der überschüssige Anteil des Füllglases nahezu restlos verdrängt wird. Die Erfindung sieht anschließend vor, daß das strukturierte Substratglas, in dessen Strukturen Füllglas gefüllt wurde, mit dem Deckglas verschmolzen wird, so daß ein Lichtwellenleiter ge bildet wird.The filling and displacement provided according to the invention gene of the fill glass is advantageously run through leads by placing the cover glass in the Microstructures is pressed, with the cover slip advantageously from the same type of glass as that There is substrate glass and then the Excess portion of the fill glass almost completely is ousted. The invention then sees before that the structured substrate glass, in its Structures fill glass was filled with the coverslip is fused so that an optical fiber ge is forming.

Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstel lung lichtwellenleitender Strukturen mit Quer schnitten im Bereich von 2 µm bis 1 mm und Längen im Bereich einiger mm bis zu 20 cm. In bevorzugter Weise hergestellte Strukturen sind monomodige Lichtwellenleiterstrukturen mit einem Querschnitt von 2 bis 7 µm × 2 bis 7 µm und einer Länge von 3 bis 20 cm.The process is particularly suitable for manufacturing development of fiber optic structures with cross cut in the range of 2 µm to 1 mm and lengths in the range of a few mm up to 20 cm. In preferred Structures made in this way are monomodal Fiber optic structures with a cross section from 2 to 7 µm × 2 to 7 µm and a length of 3 up to 20 cm.

Die erfindungsgemäß hergestellten Lichtwellenlei terstrukturen können in Form eines geraden durchge henden Kanals, als geschwungene Kanäle, beispiels weise in S-Form, als verzweigte oder sich kreuzende Kanäle, als Kopplerstrukturen mit zwei oder mehre ren sich bis auf wenige µm annähernden Kanälen, als periodische Strukturen oder als Kombination vorge nannter Strukturen ausgeführt werden.The optical waveguide produced according to the invention ter structures can be in the form of a straight line channel, as curved channels, for example wise in S-shape, as branched or crossing Channels, as coupler structures with two or more except for channels approximating a few µm, than periodic structures or as a combination named structures are executed.

Die genannten Lichtwellenleiter haben entweder rein passive Funktion, das heißt, sie dienen ausschließ lich zum Leiten und Verteilen von Licht oder sie wirken als optischer Verstärker. Im letzteren Fall ist der lichtwellenleitende Kanal, das heißt das diesen ausfüllende Füllglas, erfindungsgemäß mit einem aktiven Ion, vorteilhafterweise aus der Gruppe der Seltenen Erden, dotiert. Diese Ionen werden durch die in die Struktur eingekoppelte Pumpstrahlung geeigneter Wellenlängen in einen an geregten Zustand überführt. Gleichzeitig wird ein schwaches Signal einer anderen, durch das Ion defi nierten Wellenlänge eingestrahlt, so daß dieses durch stimulierte Emission einen Übergang in einen Endzustand auslöst. Dabei wird die Energiedifferenz in Form einer Strahlung freigesetzt, die das Licht signal verstärkt. Die Zudotierung optisch verstär kender Ionen von Seltenen Erden und Übergangsmetal len kann erfindungsgemäß auf den Bereich der er zeugten Struktur im Substratglas beschränkt werden, so daß geringere Schwellenenergien beziehungsweise geringere Verluste erreichbar werden als bei ganz heitlich dotierten durch Ionendiffusion hergestell ten Wellenleiterverstärkern.The optical fibers mentioned have either pure passive function, that is, they serve exclusively Lich for guiding and distributing light or them act as an optical amplifier. In the latter case is the fiber optic channel, that is this filling glass, according to the invention an active ion, advantageously from the Rare earth group, endowed. These ions are coupled into the structure by the Pump radiation of suitable wavelengths into one transferred to a steady state. At the same time, a weak signal from another, by the ion defi radiated wavelength so that this a transition into a through stimulated emission Triggers final state. This is the difference in energy released in the form of radiation that the light signal amplified. Increase the doping optically kender ions of rare earth and transition metal len can according to the area of the he witnessed structure in the substrate glass are limited, so that lower threshold energies respectively lower losses can be achieved than with whole uniformly doped by ion diffusion th waveguide amplifiers.

Die erfindungsgemäß hergestellten Strukturen werden beispielsweise zur Herstellung von Elementen der integrierten Optik wie Koppler, Verteiler, Multi plexer, Demultiplexer, Filter, Sensoren oder opti sche Verstärker benötigt.The structures produced according to the invention are for example for the production of elements of integrated optics such as coupler, distributor, multi plexer, demultiplexer, filter, sensors or opti cal amplifier needed.

Die Erfindung betrifft daher auch optische Bauele mente, insbesondere die vorgenannten Elemente, mit integrierten Lichtwellenleiterstrukturen, insbeson dere hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren, umfassend eine mit einem Füllglas gefüllte lichtwellenleitende Struktur in einem Substratglas, wobei die mit dem Füllglas gefüllte lichtwellenlei tende Struktur durch eine, vorteilhafterweise die Zusammensetzung des Substratglases aufweisende, Glasschicht abgedeckt ist.The invention therefore also relates to optical components elements, in particular the aforementioned elements, with integrated fiber optic structures, in particular which are produced by the method according to the invention ren, comprising a filled with a filling glass optical waveguide structure in a substrate glass, the light wave filled with the filling glass structure by one, advantageously the Composition of the substrate glass, Glass layer is covered.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Strukturen und/oder zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren zur Herstellung von optischen Bauelementen mit inte grierten Wellenleiterstrukturen umfaßt einen Preß tisch und einen Preßstempel, wobei der Preßtisch und der Preßstempel jeweils aus einer auf einer Ke ramikplatte angeordneten Aufnahme für eine Heiz platte, einem Strahlungsschild und einer Heizplatte aufgebaut sind, und wobei auf der der Heizplatte des Preßtisches zugewandten Fläche der Heizplatte des Preßstempels ein in einer Stempelaufnahme ange ordneter Prägestempel lokalisiert ist. In vorteil hafter Weise weist die Heizplatte Heizelemente und Thermoelemente auf. Zudem weist in vorteilhafter Weise die Heizplatte des Preßstempels Kühlkanäle auf. In besonders vorteilhafter Weise sieht die Er findung ein vermittelndes Medium als Ausgleich für mangelnde Parallelität zwischen den Heizplatten oder nicht planparallelen Substraten vor. Dieses vermittelnde Medium kann in vorteilhafter Weise ein hochtemperaturfestes flexibles Material, wie ein Graphitvlies sein. Selbstverständlich kann vorgese hen sein, eines oder mehrere der vorgenannten Bau teile, wie Aufnahme, Basisplatte, Keramikplatte oder ähnliches in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auszuführen oder durch funktionsgleiche Bau teile zu ersetzen.The invention also relates to a device for Production of the structures according to the invention and / or for carrying out the invention Procedure. An inventive device for Implementation of one of the aforementioned procedures for Production of optical components with inte Heter waveguide structures includes a press table and a press ram, the press table and the press ram each from one on a Ke Ceramic plate arranged holder for a heater plate, a radiation shield and a heating plate are built, and being on that of the hot plate of the press table facing surface of the heating plate of the press ram one in a punch holder orderly stamp is located. In an advantage The heating plate has heating elements and Thermocouples. In addition, points in advantageous Way the hot plate of the ram cooling channels on. He sees it in a particularly advantageous manner finding a mediating medium to compensate for lack of parallelism between the heating plates or non-plane-parallel substrates. This mediating medium can be an advantageous high temperature resistant flexible material, such as a Be graphite fleece. Of course, it can be done hen be one or more of the aforementioned construction parts, such as holder, base plate, ceramic plate or the like in the device according to the invention not to be carried out or by functionally identical construction to replace parts.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehöriger Figuren näher erläutert. Die Fi guren zeigen:The invention is based on exemplary embodiments and associated figures explained in more detail. The Fi guren show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfin dungsgemäßen Verfahrensschritte; Figure 1 is a schematic representation of the inventive method steps.

Fig. 2 eine schematische Darstellung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugbarer Strukturen in Substratgläsern und Fig. 2 is a schematic representation of the inventive method producible structures in substrate glasses and

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens. Fig. 3 shows a device according to the invention for performing the United method according to the invention.

Die Fig. 1 stellt in schematischer Weise die Ab folge der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte dar. Fig. 1 shows in a schematic manner the sequence of the method steps according to the invention.

Fig. 1a stellt das Substratglas 1 dar. Die Eigen schaften des Substratglases 1 sowie des in der wei teren Verfahrensabfolge eingesetzten Füllglases 5 richten sich nach den erfindungsgemäß durchgeführ ten Herstellungsschritten. Die Brechzahldifferenz zwischen dem Füllglas 5 und dem Substratglas 1 liegt für monomode Wellenleiter vorzugsweise im Be reich von 3/100 bis 5/1000. Für Wellenleiterver stärker enthält das Füllglas 5 zusätzlich eine Do tierung Seltener Erden (Er, Nd, Yb) und/oder Über gangsmetalle (Cr, Ni, Ti) mit Konzentrationen bis zu wenigen Mol%. Diese dotierten Gläser haben Pho nonenenergien von weniger als ein Fünftel der Über gangsenergie des betrachteten optischen Übergangs (zum Beispiel Erbium ⁴I_13/2→⁴I_15/2). Neben der Brechzahldifferenz, den räumlichen Dimensionen, der Dotierungskonzentration Seltener Erden beziehungs weise Übergangsmetalle und der gegebenenfalls geforderten Phononengrenzenergie werden insbeson dere folgende Parameter durch die erfindungsgemäß durchzuführenden Verfahren festgelegt: Die Diffe renz der Ausdehnungskoeffizienten, die Glastrans formationstemperatur der Substratgläser beziehungs weise der Deckplatte und des Füllglases, die Länge der Gläser für Kern und Substrat, beziehungsweise Deckplatte. Diese Größen werden mittels einer spe ziellen Glaszusammensetzung aus Netzwerkbildnern und Netzwerkmodifikatoren und Netzwerkwandlern ge eigneter Konzentrationen und Molrefraktionen sowie durch die Dotierung verstärkender Ionen einge stellt. Dabei muß gegebenenfalls das wechselseitige Diffusionsverhalten von Komponenten des Substrat glastyps und des Füllglases berücksichtigt werden. FIG. 1a represents the glass substrate 1. The inherent properties of the substrate glass 1 and the Füllglases 5 used in the direct method wei sequence governed by the invention durchgeführ ten manufacturing steps. The difference in refractive index between the fill glass 5 and the substrate glass 1 for monomode waveguides is preferably in the range from 3/100 to 5/1000. For waveguide amplifiers, the fill glass 5 additionally contains a dosage of rare earths (Er, Nd, Yb) and / or transition metals (Cr, Ni, Ti) with concentrations of up to a few mol%. These doped glasses have phonic energies of less than one fifth of the transition energy of the optical transition under consideration (for example erbium ⁴ I _13/2 → ⁴ I _15/2 ). In addition to the difference in refractive index, the spatial dimensions, the doping concentration of rare earths or transition metals and the required phonon limit energy, the following parameters in particular are determined by the methods to be carried out according to the invention: the difference in the expansion coefficients, the glass transformation temperature of the substrate glasses or the cover plate and the filler glass , the length of the glasses for core and substrate, or cover plate. These quantities are set by means of a special glass composition of network formers and network modifiers and network converters of suitable concentrations and mole refractions as well as by the doping of reinforcing ions. If necessary, the mutual diffusion behavior of components of the substrate glass type and the fill glass must be taken into account.

Der mit dem Stempel 2 unter erhöhtem Druck und er höhter Temperatur durchgeführte Prägeprozeß (Fig. 1b) wird vorzugsweise bei einer Viskosität des Sub strats von circa 10^7,6 Pa × s, das heißt, bei der sogenannten Erweichungstemperatur oder gegebenen falls auch darüber bei spezieller Prozeßbildung, durchgeführt. Um Verunreinigungen an der Oberfläche des Substrats 1 auszuschließen, wird das Verfahren unter Schutzgas durchgeführt. Ein trockener Schutz gasstrom wird durch die Vorrichtung (Fig. 3) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge leitet. Dieser Schutzgasstrom schließt die Oxida tion der Prägewerkzeuge, der Halterungen und Heizer aus sowie verhindert die verlusterhöhende Wasser aufnahme aus der Luft bei den Lichtwellenleitern.The stamping process carried out with the stamp 2 under increased pressure and elevated temperature ( FIG. 1b) is preferably carried out at a viscosity of the substrate of approximately 10 ^7.6 Pa × s, that is to say at the so-called softening temperature or, if appropriate, also above special process formation. In order to rule out contamination on the surface of the substrate 1 , the process is carried out under protective gas. A dry protective gas stream is passed through the device ( Fig. 3) for performing the method according to the invention. This inert gas flow excludes the oxidation of the embossing tools, the brackets and heaters and prevents the loss-increasing water absorption from the air in the optical fibers.

Zum Ausgleich interner Spannungen wird nach dem Entfernen des Stempels (Fig. 1c) eine Feinkühlung des strukturierten Substrats 4 durchgeführt.To compensate for internal tensions, fine cooling of the structured substrate 4 is carried out after removing the stamp ( FIG. 1c).

Die Abb. 1d bis 1f stellen das Füllen der Struktur 3 des strukturierten Substratglases 4 mit dem Füllglas 5, das Verdrängen des Füllglases 5 mit dem Deckglas 6 und das Verschmelzen des Deckglases 6 mit dem strukturierten Substratglas 4 zu einem Lichtwellenleiter 8 dar.1d to 1f illustrate the filling of the structure 3 of the structured substrate glass 4 with the fill glass 5 , the displacement of the fill glass 5 with the cover glass 6 and the fusion of the cover glass 6 with the structured substrate glass 4 to form an optical waveguide 8 .

Das Füllen und Verdrängen stellen an das Füllglas und das Substratglas besonders hohe Anforderungen, da eine ausreichend starke Verdrängung bei hinrei chender Festigkeit des Substratglases 1 ermöglicht sein muß. Das Füllglas 5 weist im Hinblick auf eine vollständige Verdrängung beim Verpressen maximal eine Viskosität von 10³ Pa × s bei der Temperatur T_P auf. Bei dieser Temperatur T_P befinden sich Sub strat- (1) und Deckglas (6) mehr als 10 bis 30°C unterhalb der Glastransformationstemperatur T_g.The filling and displacement place particularly high demands on the fill glass and the substrate glass, since a sufficiently strong displacement with sufficient strength of the substrate glass 1 must be possible. With a view to complete displacement during pressing, the fill glass 5 has a maximum viscosity of 10 ³ Pa × s at the temperature T _P. At this temperature T _P are sub strat ( 1 ) and cover glass ( 6 ) more than 10 to 30 ° C below the glass transformation temperature T _g .

Für das Füllen und Verdrängen wird auf das struktu rierte Substrat 4 Füllglas 5 in Form einer dünnen Glasfolie aufgelegt und darauf das Deckglas 6 posi tioniert. Mit Hilfe dieser dünnen Glasfolie wird eine ganz flächig homogene Verteilung des Füllglases 5, die wesentlich für das Verpressen ist, erzielt und das planparallele Aufsetzen des Deckglases 6 ermöglicht. Der Verpreßprozeß beginnt mit einer Er wärmung, die so schnell abläuft, daß über den ge samten gepreßten Bereich eine homogene Temperatur verteilung erhalten bleibt. Bei diesem Vorgang ist ein homogenes Temperaturprofil von hoher Bedeutung, welches durch den in Fig. 3 dargestellten Metall balg 32 und die Erweiterungen 33 der unteren Heiz platte 70 gewährleistet wird. Sobald eine Tempera tur von 10 bis 30°C unterhalb der Transformations temperatur des Substrats beziehungsweise Deckglas erreicht ist, wird der Druck auf den Stempel 2 er höht, wobei die Temperatur während einer für das Verpressen ausreichenden Zeit (mehrere Minuten) ge halten wird. Anschließend wird die gesamte Probe weiter bis auf 10 bis 30°C über der Transformati onstemperatur T_g des Substratglases 1 zur Ver schmelzung von Substratglas 1 und Deckglas 6 aufge wärmt. Die Temperatur wird wiederum für eine aus reichende Zeit beibehalten, so daß sich Sub stratglas 1 und Deckglas 6 miteinander verbinden können. Anschließend wird der Druck deutlich ver mindert, die gesamte Probe homogen abgekühlt und bei der Glastransformationstemperatur des Füll glases zur Entspannung desselben getempert und un ter vollständiger Entlastung auf Raumtemperatur feingekühlt.For filling and displacement, filler glass 5 is placed on the structured substrate 4 in the form of a thin glass film and the cover glass 6 is positioned thereon. With the help of this thin glass film, a completely homogeneous distribution of the fill glass 5 , which is essential for the pressing, is achieved and the plane-parallel placement of the cover glass 6 is made possible. The pressing process begins with a warming that takes place so quickly that a homogeneous temperature distribution is maintained over the entire pressed area. In this process, a homogeneous temperature profile is of great importance, which is ensured by the metal bellows 32 shown in FIG. 3 and the extensions 33 of the lower heating plate 70 . As soon as a temperature of 10 to 30 ° C below the transformation temperature of the substrate or cover glass is reached, the pressure on the stamp 2 is increased, the temperature being maintained for a sufficient time for the pressing (several minutes). The entire sample is then further heated up to 10 to 30 ° C. above the transformation temperature T _{g of} the substrate glass 1 for melting the substrate glass 1 and cover glass 6 . The temperature is in turn maintained for a sufficient time, so that sub stratglas 1 and cover glass 6 can connect. The pressure is then significantly reduced, the entire sample is cooled homogeneously and annealed at the glass transformation temperature of the fill glass to relax the same, and finely cooled to room temperature with complete relief.

Zusammenfassend resultiert daraus, daß vorteilhaf terweise zwischen dem Substratglas und dem Kernma terial die Differenz der Glastransformationstempe ratur 50 bis 150°C beträgt, und die Aktivierungs energien sich um mehr als den Faktor 2 voneinander unterscheiden. Die Differenz der Ausdehnungskoeffi zienten von Substrat und Kernmaterial ist vorteil hafterweise <10%, um Spannungen bei dem Abkühlen klein zu halten.In summary, it follows that advantageous between the substrate glass and the core dimension material the difference of the glass transformation temperature rature is 50 to 150 ° C, and the activation energize each other by more than a factor of 2 differentiate. The difference in the expansion coefficient target of substrate and core material is advantageous liable to be <10% to relieve stress upon cooling to keep small.

Die Glastransformationstemperatur des Kernglases wird vorteilhafterweise so niedrig wie möglich ge wählt, beispielsweise 300 bis 450°C. Dies verrin gert die Prozeßzeiten, mindert die thermische Bela stung der Preßvorrichtung und minimiert die Rest spannungen im Glas nach dem Abkühlen.The glass transformation temperature of the core glass is advantageously as low as possible selects, for example 300 to 450 ° C. Reduce this increases process times, reduces thermal load the press and minimizes the rest tensions in the glass after cooling.

Derartige Materialeigenschaften sind zum Beispiel erzielbar mit Kombinationen von Borosilikat und Phosphat-Silikatgläsern (zum Beispiel BK7-Schott/ QX-Kigre oder Q89-Kigre). Such material properties are for example achievable with combinations of borosilicate and Phosphate silicate glasses (e.g. BK7-Schott / QX-Kigre or Q89-Kigre).

Die Fig. 2 stellt in Substratgläser 1 eingebrachte Lichtwellenleiterstrukturen dar, die als beispiels weise für Verstärker geeignete gerade durchgehende Kanäle 9, als in Form geschwungener Kanäle 10, als in Y-Form ausgeführte verzweigte Kanäle 11 oder in X-Form ausgeführte sich kreuzende Kanäle 12, als Kopplerstrukturen mit zwei sich bis auf wenige µm annähernde Kanäle 13 oder als periodische Struktu ren 14 ausgeführt sein können. Fig. 2 illustrates in substrate glasses 1 introduced optical waveguide structures, as example, suitable for amplifiers straight-through channels 9, as curved in the form of channels 10, as the Y-shaped running branched channels 11 or X-shaped executed intersecting channels 12 , can be designed as coupler structures with two channels 13 approaching each other down to a few μm or as periodic structures 14 .

Die Fig. 3 stellt eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lichtwellenleiterstrukturen dar. FIG. 3 illustrates an apparatus for manufacturing the optical waveguide structures according to the invention.

Die Vorrichtung 100 umfaßt einen Preßstempel 110 und einen Preßtisch 120. Der Preßstempel 110 ist aus einem Preßschaft 15, einem Ansatz 111, einer Basisplatte 17, einer Keramikplatte 18, einer Heiz plattenaufnahme 20 und einer Heizplatte 22 aufge baut. Die Heizplatte 22 ist über Vier-Punkthalte rungen 19 und durch ein Strahlungsschild 21, bei spielsweise aus Edelstahl, von der Heizplattenauf nahme 20 thermisch abgekoppelt. Auf der dem Preß tisch 120 zugewandten Fläche der Heizplatte 22 ist ein in einer Aufnahme 26 angeordneter Stempel 30 spannungsfrei positioniert. Der Stempel 30 ist auf einem temperaturbeständigen flexiblen Graphitvlies 29 angeordnet.The device 100 comprises a press ram 110 and a press table 120 . The press ram 110 is made up of a press shaft 15 , a shoulder 111 , a base plate 17 , a ceramic plate 18 , a heating plate receptacle 20 and a heating plate 22 . The heating plate 22 is via four-point stanchions 19 and by a radiation shield 21 , for example made of stainless steel, thermally decoupled from the heating plate 20 . On the press table 120 facing surface of the heating plate 22 , a stamp 30 arranged in a receptacle 26 is positioned stress-free. The stamp 30 is arranged on a temperature-resistant flexible graphite fleece 29 .

Der Preßtisch 120 ist im wesentlichen gleich aufge baut. Auf einer Basisplatte 60 ist eine Keramik platte 62 angeordnet. Über der Keramikplatte 62 be findet sich die Heizplattenaufnahme 64, die über Halterungen 66 mit einem Strahlungsschild 68 ver bunden und thermisch abgekoppelt ist. Über dem Strahlungsschild 68 ist eine Heizplatte 70 angeord net.The press table 120 is built essentially the same. On a base plate 60 , a ceramic plate 62 is arranged. Above the ceramic plate 62 there is the heating plate receptacle 64 , which is connected via brackets 66 with a radiation shield 68 and is thermally decoupled. A heating plate 70 is arranged above the radiation shield 68 .

Sowohl die Heizplatte 70 des Preßtisches 120 als auch die Heizplatte 22 des Preßstempels 110 enthal ten Heizpatronen 28 und Thermoelemente 27. Die Heizplatte 22 des Preßstempels 110 enthält zusätz lich Kühlkanäle 23. Die Heizplatte 70 des Preßti sches 120 weist Erweiterungen 33 auf, die lateral auf der Heizplatte 70 nach oben her vorspringen und das Substrat 31 von der Seite her umschließen und erwärmen. Zur Reflektion der horizontal abgestrahl ten Wärme in der Substratebene ist ferner ein Balg 32 vorgesehen, der an der oberen Heizplatte 22 und der unteren Heizplatte 70 anliegt und durch die Er weiterungen 33 der Heizplatte 70 von unten tempe riert wird. Dadurch wird eine optimale Temperatur verteilung am Ort des Substrats 31 erreicht, da kein Spalt offenbleiben muß, um den Stempel 30 ver schieben zu können.Both the heating plate 70 of the press table 120 and the heating plate 22 of the press ram 110 contain heating cartridges 28 and thermocouples 27 . The heating plate 22 of the ram 110 contains additional Lich cooling channels 23rd The heating plate 70 of the Preßti cal 120 has extensions 33 which laterally protrude upwards on the heating plate 70 and enclose and heat the substrate 31 from the side. To reflect the horizontally radiated heat in the substrate plane, a bellows 32 is also provided, which bears against the upper heating plate 22 and the lower heating plate 70 and by the extensions 33 of the heating plate 70 is tempered from below. As a result, an optimal temperature distribution is achieved at the location of the substrate 31 , since no gap has to remain open in order to be able to push the stamp 30 .

Sowohl der Preßstempel 110 als auch der Preßtisch 120 befinden sich in einem durch ein Gehäuse 16 ge bildeten mit Schutzgas gefüllten Raum, wobei Durch führungen 25 und ein Schauglas 24 vorgesehen sind.Both the ram 110 and the press table 120 are located in a ge through a housing 16 formed filled with protective gas space, with guides 25 and a sight glass 24 are provided.

Claims

1. A process for the preparation of light-wave-guiding structures in substrate glasses, wherein (1) generates structures (3) in the sub stratglas which struc ren (3) are filled with a filling glass (5) and the patterned substrate glass (4) with a cover glass ( 6 ) is fused.

2. The method according to claim 1, wherein optionally unnecessary fill glass ( 5 ) is displaced.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the structures ( 3 ) are produced by the structures ( 3 ) being impressed into the substrate glass ( 1 ) at elevated temperature and pressure.

4. The method according to claim 3, characterized in that with a, preferably hard-be-coated, quartz glass, silicon, or NiCo-Stem pel ( 2 ) is embossed.

5. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the structures ( 3 ) it is generated by the structures ( 3 ) are generated by reactive ion etching, wet etching and their combination in the substrate glass ( 1 ).

6. The method according to any one of the preceding Ansprü surface, characterized in that the filler glass ( 5 ) is filled and displaced by a cover glass ( 6 ) under elevated temperature and pressure after Aufbrin gene of the filler glass ( 5 ) on the substrate glass ( 1 ) placed on the glass substrate (1), which is pressed onto the substrate glass (1) applied filling glass (5) in the structures (3) and unneeded filling glass (5) is substantially completely removed.

7. The method according to any one of the preceding Ansprü surface, characterized in that the filler glass ( 5 ) in the form of a glass film is applied to the substrate glass ( 1 ).

8. The method according to any one of the preceding Ansprü surface, characterized in that the cover glass ( 6 ) consists of the same glass type as the substrate glass ( 1 ).

9. The method according to any one of the preceding Ansprü surface, characterized in that the filler glass ( 5 ) is doped with an active ion, in particular with Er, Nd, Yb, Dy, Pr, Eu, Cr, Ni and / or Ti.

10. Optical component with integrated Lichtwel lenleiterstruktur, in particular manufactured according to one of the preceding claims, comprising a filled with a filler glass ( 5 ), embedded in a substrate glass ( 1 ) from a cover glass ( 6 ) over covered light waveguiding structure ( 8 ).

11. Optical component according to the preceding claim, characterized in that the filler glass ( 5 ) is doped with an active ion, in particular with Er, Nd, Yb, Dy, Pr, Eu, Cr, Ni and / or Ti.

12. An apparatus for producing optical construction elements with an integrated optical waveguide structure, in particular for carrying out one of the methods according to one of claims 1 to 9, comprising a press table ( 120 ) and a press ram ( 110 ), the press table ( 120 ) and the Preßstem pel ( 110 ) each from a on a ceramic plate ( 18 , 62 ) arranged receptacle ( 20 , 64 ), a radiation shield ( 21 , 68 ) and a heating plate ( 22 , 70 ) is constructed, with the heating plate ( 70 ) of the press table ( 120 ) facing surface of the heating plate ( 22 ) of the press ram ( 110 ) is arranged in a punch holder ( 26 ) arranged punch ( 30 ).

13. The apparatus according to the preceding claim, characterized in that the heating plate ( 22 , 70 ) has heating elements ( 28 ) and thermocouples ( 27 ).

14. Device according to one of the preceding claims, wherein the heating plate ( 22 ) of the ram ( 110 ) contains cooling channels ( 23 ).

15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a bellows ( 32 ) is arranged between the upper ( 22 ) and lower heating plate ( 70 ).

16. The device according to any one of the preceding claims, characterized in that the heating plate ( 70 ) of the press table ( 120 ) in its lateral loading range upward, a on the heating plate ( 70 ) positionable substrate ( 31 ) laterally enclosing extensions ( 33 ).

17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the stamp ( 30 ) arranged in a stamp receptacle ( 26 ) is positioned on a graphite fleece ( 29 ).

18. The method according to any one of the preceding claims che, characterized in that this for the Suitable for processing purely inorganic glasses is.

19. The method according to any one of the preceding claims che, characterized in that this allows special glasses with strict requirements softening temperature, glass transformation temperature temperature, coefficient of thermal expansion and Refractive index and its differences to a glass wel to process conductor.