DE19627793C2 - Wellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Frequenzverdopplung von infrarotem Licht in den blauen Frequenzbereich ist technisch interessant. Bei­ spielsweise beim Auslesen eines Speichermediums führt der Einsatz von blauem Laserlicht (durch Frequenzver­ dopplung) mit Hilfe eines Lesekopfes zur starken Erhö­ hung der Speicherdichte des Mediums (z. B. einer Compact Disc). Diesbezüglich besitzt das Perowskit KNbO₃ durch seine Eigenschaften (insbesondere Stabilität, optische Transparenz und hohe nichtlineare Koeffizienten) eine herausragende Bedeutung für die Erzeugung von blauem Licht.

Für die Frequenzverdopplung ist die Erzeugung von opti­ schen Wellenleitern aus KNbO₃ erstrebenswert, da mit diesen die Effizienz zur Erzeugung von blauem Licht er­ heblich gesteigert werden kann. Bisherige Bauelemente, die auf KNbO₃ basierten, benutzen entweder einen Volu­ menkristall oder ionenimplantierte Wellenleiter. Ein sensibler Punkt ist dabei der verwendete KNbO₃- Einkristall, der schwierig in ausreichender Größe und Güte hergestellt werden kann. Im Fall des ionenimplan­ tierten KNbO₃-Kristalls wird der wellenleitende Bereich geschädigt und führt zu höheren Wellenleiterverlusten.

Wünschenswert ist eine Dünnschichttechnik, bei der ein­ kristallines KNbO₃ auf einem geeigneten Substrat aufge­ bracht wird. Dabei soll das Substrat folgenden Anforde­ rungen genügen:

• - eine gute Epitaxiegrundlage
• - in optischer Qualität verfügbar
• - einen niedrigeren Brechungsindex als KNbO₃ (n ≈ 2.3 bei einer Wellenlänge von 600 nm) besitzen.

Der letzte Punkt führt dazu, daß das Licht in der KNbO₃-Schicht geführt wird und diese damit ohne weitere Prozeßschritte einen planaren Wellenleiter darstellt. Dieser kann dann direkt oder nach Herstellung von Streifenwellenleitern zur Frequenzverdopplung genutzt werden.

Aus Fluck et al. (Fluck, D., Günter, P., Fleuster, M. und Ch. Buchal (1992) Low-loss optical channel wavegui­ des in KNbO₃ by multiple energy ion implantation. J. Appl. Phys. 72 (5) 1671-1675) ist ein Wellenleiter mit einer ein Substrat und eine zum Leiten von Licht vorge­ sehene KNbO₃-Schicht enthaltenden Schichtenfolge be­ kannt, bei dem eine einkristalline Zwischenschicht zwi­ schen dem Substrat und der Licht leitenden Schicht vor­ gesehen ist.

Weiterhin sind als Stand der Technik zur Bildung ein­ kristalliner KNbO₃-Schichten geeignete Substrate be­ kannt. Dem KNbO₃ verwandte Materialien wie z. B. KTaO₃ bieten zwar die Möglichkeit für gute Epitaxie, jedoch ist der Brechungsindexunterschied vergleichsweise klein. Außerdem ist die Kristallzucht ähnlich schwierig wie im Falle des KNbO₃.

Demgegenüber ist MgO als Substratmaterial vergleichs­ weise gut geeignet. Einerseits weist es eine gute Epi­ taxiegrundlage für viele Oxide auf. Andererseits be­ sitzt dieses Material mit n ≈ 1,73 bei 600 nm einen äu­ ßerst niedrigen Brechungsindex. Schließlich ist es kom­ merziell gut erhältlich. Jedoch nachteilig weist die Materialkombination KNbO₃ mit MgO eine relativ große Gitterfehlanpassung auf, weshalb es bisher nicht gelun­ gen ist, die Herstellung von KNbO₃-Schichten auf MgO- Substraten in einkristalliner, optisch ausreichender Qualität zu erzielen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen Wellenleiter auf der Basis MgO zu schaffen, bei dem eine KNbO₃- Schicht mit einkristalliner optischer Qualität erhalten wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Wellenleiter gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf diesen Anspruch rückbezogenen Unteran­ sprüchen.

Es wurde erkannt, eine dünne einkristalline Zwischen­ schicht bestehend aus z. B. BaTiO₃ oder SrTiO₃ vorzuse­ hen, die als Epitaxievermittler zwischen dem MgO- Substrat und der KNbO₃-Schicht eingesetzt wird. Auf diese Weise wird die KNbO₃ Schicht einkristallin ausgebildet. Da der Brechungsindex von BaTiO₃ größer als der von KNbO₃ ist, sollte die Zwischenschicht vorzugsweise dünn relativ zu der oberen Schicht gehalten werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß der überwiegende Anteil der Lichtintensität in der KNbO₃-Schicht geführt wird.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen planaren und streifenförmigen Wellenleiter;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung einer Laserdiode mit Wellenleiter als Schichtenfolge zur Frequenz­ verdopplung;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Wellenleiter und experimen­ telle Ergebnisse energieabhängiger Rückstreura­ ten;

Ausführungsbeispiel

In der Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Wellenleiter in planarer (obige Figur) sowie in streifenförmiger (untere Figur) Ausbildung dargestellt. Dabei weist das MgO-Substrat eine mit diesem verbundene Zwischen­ schicht aus BaTiO₃ auf, auf der eine Schicht aus KNbO₃ gebildet ist. Die Schichtdicken haben für KNbO₃ einen Wert von 1000 nm, für BaTiO₃ einen Wert von 200 nm. Es können selbstverständlich auch andere Schichtdicken ge­ wählt werden. Vorzugsweise soll die Schichtdicke der BaTiO₃-Schicht im Vergleich zu der Schichtdicke des KNbO₃ möglichst gering sein. Beispielhaft soll das Ver­ hältnis der Schichtdicken wenigstens einen Faktor fünf oder auch mehr betragen. Die KNbO₃-Schicht kann ver­ gleichsweise dick, - bis zu 1 µm oder mehr - ausgebildet sein. Verfahrensmäßig wird der erfindungsgemäße Wellen­ leiter aus Fig. 1 wie folgt hergestellt:
Der erste Schritt dieses Verfahrens ist die Herstellung einer einkristallinen BaTiO₃-Schicht auf dem MgO- Substrat. Diese Herstellung kann vorteilhafterweise mittels Laserablation erfolgen. Auf diese Weise werden folgende vorteilhafte Eigenschaften erhalten:

• - Minimum Yield Werte (ermittelt mit der Rutherford Rückstreuung in Verbindung mit Channeling) von 2%;
• - experimentell ermittelte Rockingkurvenbreiten (ermittelt mit der Röntgenbeugung) von 0.5°, gemessen am (002)-Reflex des BaTiO₃;
• - sehr glatte Oberflächen, gekennzeichnet durch Peak- to-Valley-Rauhigkeiten von 5 nm bei einer Schichtdic­ ke von 1000 nm und einer Rasterfläche von 3 × 3 µm²;

In einem zweiten Verfahrensschritt wird nunmehr auf der freien Oberfläche der BaTiO₃-Schicht KNbO₃ aufgebracht. Dabei wächst z. B. bei Sauerstoffdrücken oberhalb von 1 × 10^-3 mbar und bei Temperaturen im Bereich von 600 bis 1000°C einkristallines KNbO₃ auf der BaTiO₃/MgO- Schichtfolge auf. Die KNbO₃-Schicht ist einkristallin mit Minimum-Yield-Werten kleiner als 2% (siehe Fig. 3). Vorteilhafterweise kann die Schichtdeposition eben­ falls durch Laserablation von einem einkristallinen KNbO₃-Target erfolgen, womit sodann ein stöchiometri­ scher Übertrag vom Target zum Substrat gewährleistet ist.

Die Laserablation als Herstellungsprozeß für KNbO₃- Schichten ist aus folgenden Gründen besonders geeignet:

• - Schichtdeposition bei Temperaturen bis zu 1000°C oder höher möglich;
• - Schichtdeposition in Sauerstoffatmosphäre im Bereich von 1 × 10^-3 bis 1 mbar;
• - Ablation von einem stöchiometrischen, einkristallinen KNbO₃-Target, zur Vermeidung einer Kalium-Defizienz in der sich bildenden Schicht.

Der in der Fig. 1 gezeigte, erfindungsgemäße Wellen­ leiter wurde wie folgt mit Hilfe der Laserablation her­ gestellt:

• - Deposition einer 200 nm dicken BaTiO₃-Schicht mit der Laserablation auf dem MgO-Substrat bei einer Sub­ stratoberflächentemperatur von 1000°C und in einer Sauerstoff-Atmosphäre von 4 × 10^-3 mbar;
• - In-situ Temperung der BaTiO₃-Schicht bei 1000°C für 5 Minuten in einer Sauerstoff-Atmosphäre von 1 mbar zur Verbesserung der Kristallqualität;
• - Deposition einer 1000 nm dicken KNbO₃-Schicht mit der Laserablation bei einer BaTiO₃-Schichttemperatur von 800°C und in einer Sauerstoff-Atmosphäre von 2 × 10^-1 mbar.

Der erfindungsgemäße Wellenleiter und das erfindungsge­ mäße Verfahren zur Herstellung eines planaren Wellen­ leiters mittels einer Schichtenfolge von einkristalli­ nen, heteroepitaktischem KNbO₃ auf z. B. einer BaTiO₃- Zwischenschicht auf einem MgO-Substrat ist besonders zur Erzeugung von blauem Licht durch Frequenzverdopp­ lung geeignet.

Der planare Wellenleiter kann vorteilhafterweise als Streifenwellenleiter mit Hilfe geeigneter Strukturie­ rungstechniken ausgebildet werden. Auf diese Weise wird im Streifenwellenleiter das frequenzverdoppelte Licht konzentriert und erlangt eine vergleichsweise hohe Lichtintensität.

Beispielsweise zum Auslesen eines Speichermediums führt der Einsatz von blauem Laserlicht (durch Frequenzver­ dopplung) mit Hilfe eines den erfindungsgemäßen Wellen­ leiter aufweisenden Lesekopfes zu einer starken Erhö­ hung der möglichen Speicherdichte des Mediums (z. B. ei­ ner Compact Disc).

Claims (3)

1. Wellenleiter mit einer Schichtenfolge aus einem Sub­ strat, einer zum Leiten von Licht geeigneten Schicht und einer einkristallinen Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Licht leitenden Schicht, gekennzeichnet durch
BaTiO₃ oder SrTiO₃ als Material für die Zwischen­ schicht und
MgO als Material für das Substrat und
KNbO₃ als Material für die Licht leitende Schicht.

2. Wellenleiter nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß er streifenförmig ist.

3. Vorrichtung zum Auslesen von auf einem Speichermedium enthaltenden Informationen mit Hilfe von Licht mit einem oder mehreren Wellenleitern nach einem der vorhergehenden Ansprüche.