DE19627793C2 - Wellenleiter - Google Patents

Wellenleiter

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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.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2347802C2 (de) * 1972-09-25 1982-07-29 Western Electric Co., Inc., 10038 New York, N.Y. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen optischen Wellenleiters, sowie die hiernach hergestellten optischen Wellenleiter
US5343484A (en) * 1991-08-20 1994-08-30 Sanyo Electric Co., Ltd. SHG (second-harmonic generation) device
WO1995016061A1 (en) * 1993-12-08 1995-06-15 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Process for growing an epitaxial film on an oxide surface and product

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J. Appl. Phys. 72(5), September 1992, S.1671-1675 *
JP 57-163207 A mit Abstract *

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