DE19929250A1

DE19929250A1 - Lichtintensitätsmodulator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19929250A1
Application number: DE19929250A
Authority: DE
Inventors: Jung-Hwan Cho; Dug-Bong Kim; Sang-Yun Yi; Taae-Hyung Rhee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2000-01-05
Also published as: KR20000003220A; JP2000035555A; GB2339028A; GB9914672D0; FR2780520A1; GB2339028B; KR100288447B1; US6268949B1

Abstract

Der Lichtintensitätsmodulator umfaßt ein Substrat aus einem vorbestimmten Material, und eine Elektrode, die auf dem Lichtwellenleiter derart ausgebildet ist, daß die Elektrode sich in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter befindet, wobei der Brechungsindex des Lichtwellenleiters verändert wird mit der Intensität eines an die Elektrode angelegten elektrischen Feldes, und eine Lichtwelle, die eine vorbestimmte Stelle des Lichtwellenleiters passiert, aufgrund des veränderten Brechungsindex in das Substrat gestrahlt wird. Dementsprechend kann eine große Modulationstiefe erhalten werden aus einer nur kleinen Brechungsindexveränderung unter Verwendung der Strahlungsverlustcharakteristik des gekrümmten Wellenleiters.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtintensitätsmodulator und ein Verfahren zu seiner Herstel lung, und mehr im einzelnen einen Lichtintensitätsmodulator mit einem gekrümmten Licht wellenleiter und sein Herstellverfahren.

Ein integriertes optisches Verfahren bedeutet den Zusammenbau verschiedener optischer Bauelemente, die Lichtwellenleiter umfassen, in einem Substrat. Bei Verwendung integrier ter optischer Verfahren ist die Anordnung von optischen Einzelelementen leicht, und so kann eine komplizierte Mehrfunktionsvorrichtung leicht in einer kleinen Fläche hergestellt werden. Ein Lichtmodulator ist eines der integrierten optischen Bauelemente. Der Lichtmo dulator steuert die Phase oder Intensität einer Lichtwelle, die sich entlang einem optischen Wellenleiter oder Lichtwellenleiter fortpflanzt, unter Verwendung eines äußeren Signals.

Integrierte Lichtmodulatoren nutzen den elektrooptischen Effekt oder den thermooptischen Effekt eines Mediums zum Bilden von Lichtwellenleitern. Ein typisches elektrooptisches Material umfaßt zum Beispiel einen Halbleiter (GaAs, InP), eine ferroelektrische Substanz (LiNbO₃, LiTaO₃) und gepoltes Polymer. Wenn ein elektrisches Feld in einer Richtung an diese Materialien angelegt wird, variiert der Brechungsindex des Materials in der Richtung des elektrischen Feldes und in der dazu vertikalen Richtung. Da eine Variation des Bre chungsindex eine Veränderung in der Phase von in dem Medium fortgepflanzten Lichtwel len bedeutet, können Phasenmodulation und Intensitätsmodulation unter Verwendung dieser Veränderung erzielt werden. In Lichtmodulatoren, die den elektrooptischen Effekt nutzen, wird eine Kondensatorelektrode nahe einem Lichtwellenleiter ausgebildet, und dann wird eine Spannung an die Kondensatorelektrode angelegt, um eine elektrisches Feld an den Lichtwellenleiter anzulegen. Im Gegensatz zu dem elektrooptischen Effekt besitzen fast alle optischen Materialien den thermooptischen Effekt. Wenn die Temperatur eines Materials variiert, wird der Brechungsindex des Materials verändert aufgrund der Kontraktion oder Expansion des Volumens des Materials in Abhängigkeit von der Materialtemperatur. Dem entsprechend kann ähnlich zu dem elektrooptischen Effekt der thermooptische Effekt dazu verwendet werden, eine Phasenmodulation und Intensitätsmodulation von Lichtwellen zu erhalten. In Lichtmodulatoren, die den thermooptischen Effekt verwenden, wird ein Mikro heizelement nahe einem Lichtwellenleiter eingebaut, und dann wird ein Strom an das Mikro heizelement angelegt, um Wärme an dem Lichtwellenleiter anzuwenden. Da der thermoopti sche Effekt sich in fast allen optischen Materialien zeigt, stehen verschiedene Materialien zur Auswahl. Ferner können Modulationscharakteristiken unabhängig von der Polarisation von Lichtwellen erhalten werden. Jedoch weist der thermooptische Effekt ein sehr langsa mes Zeitverlaufsvermögen (-1 msec) auf im Vergleich zu dem elektrooptischen Effekt. Da her werden thermooptische Modulatoren allgemein angewendet auf Anwendungen, die ein polarisationsunabhängiges Charakteristikum erfordern, eher als auf schnelle Lichtsignalda tenübertragung.

Integrierte Lichtmodulatoren werden grob unterteilt in Intensitätsmodulatoren, die Phasen modulation verwenden, und Sperr-Lichtmodulatoren, die direkt Lichtintensitätsmodulation erhalten. Ein interferometrischer Mach-Zehnder-Modulator, der in Fig. 1A gezeigt ist, ist typisch für einen Intensitätsmodulator, der Phasenmodulation verwendet. Der Lichtmodu lator von Fig. 1A besteht aus einem Substrat 100, einem Lichtwellenleiter 102 und Elek troden 104. Dieser Modulator arbeitet folgendermaßen. Der Lichteinfall in den Lichtwel lenleiter 102 wird zweigeteilt, und die zwei unterteilten Lichtstrahlen werden, während sie durch verschiedene Pfade hindurchgehen, unterschiedlich phasenmoduliert durch äußere elektrische Felder, die an die Elektroden 104 angelegt werden. Wenn die beiden Lichtwel len an dem Ausgangsende des Lichtwellenleiters 102 in Phase sind, verstärken sie einander, so daß die eingegebene Lichtleistung fast ohne Veränderung ausgegeben wird. Wenn die beiden Lichtwellen phasenverschoben sind, löschen sie einander aus, so daß die Lichtwellen in das Substrat 100 gestrahlt werden. Also wird die Ausgangslichtleistung Null.

Der Sperr-Lichtmodulator von Fig. 1B ist typisch für einen Sperr-Lichtmodulator, der direkt Lichtintensitätsmodulation erhält, und besteht aus einem Substrat 110, einem Licht wellenleiter 112 und Elektroden 114. Dieser Modulator arbeitet folgendermaßen. Wenn eine hohe Spannung an die Elektroden 114 angelegt wird, die auf Teilen des Lichtwellenleiters 112 plaziert sind, wird der Brechungsindex des Lichtwellenleiters verändert. Wenn der Lichtwellenleiter 112 durch den veränderten Brechungsindex gesperrt wird, werden gelei tete Lichtwellen in das Substrat 110 eingestrahlt, und das Ausgangssignal wird Null.

Wie in Fig. 1A gezeigt, benötigt der interferometrische Lichtmodulator, der Phasenmodulation verwendet, nur Phasenmodulation von Licht, so daß die Steuerspannung niedrig ist und ein gutleitender Zustand des Lichtwellenleiters eingestellt werden kann. Daher ist der Einfü gungsverlust des Bauelementes gering. Dieser interferometrische Lichtmodulator kompli ziert jedoch die Konfiguration eines optischen Nachrichtensystems wegen sinusförmiger Ausgangskennwerte bezüglich der angelegten Spannung. Da der Arbeitspunkt des Lichtmo dulators empfindlich ist für eine Veränderung externer Faktoren, zum Beispiel Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck, werden auch viele zusätzliche Vorrichtungen benötigt, um den Arbeitspunkt des Lichtmodulators zu überwachen und zu kompensieren. Dies verursacht eine Zunahme der Kosten zum Bilden eines optischen Übertragungssystems.

Der Sperrmodulator von Fig. 1B kann einige der Mängel des oben beschriebenen inter ferometrischen Lichtmodulators lösen. Der Arbeitspunkt des Sperr-Lichtmodulators kann optisch eingestellt werden, so daß eine Gleichstromvorspannung zum Einstellen des Ar beitspunktes nicht benötigt wird. Dementsprechend ist ein Arbeitspunkt-Driftphänomen bezüglich der äußeren Faktoren so gering, daß der Sperrmodulator in den optischen Über tragungssystemen ohne spezielle Zusatzvorrichtungen verwendet werden kann. Ferner zeigt der Sperr-Lichtmodulator lineare Ausgangskennwerte bezüglich der angelegten Spannung, so daß er einen breiten dynamischen Arbeitsbereich aufweist. Daher ist der Sperr-Licht modulator besonders für analoge Nachrichtensysteme nützlich. Ferner können digitale Aus gangskennwerte erhalten werden in den Leitzuständen eines spezifischen Lichtwellenleiters, so daß der Sperr-Lichtmodulator ohne zusätzliche Signalbearbeitungsvorrichtungen leicht auf digitale Nachrichtenübertragungen angewendet werden kann. Jedoch weist dieser Sperr-Lichtmodulator eine hohe Steuerspannung und einen hohen Einfügungsverlust auf. Eine große Veränderung des Brechungsindex wird benötigt, um das Wellenleiten zu sperren, und ein Löschverhältnis von etwa 20 dB kann erhalten werden, indem allgemein eine Spannung von einigen Zehn Volt oder höher angelegt wird. Ferner müssen die anfänglichen Wellen leitzustände eines Lichtwellenleiters nahe einem Sperrbereich eingestellt werden gemäß einem Operationsprinzip, also ist der Einfügungsverlust hoch.

Um die obigen Probleme zu lösen, besteht ein Ziel der Erfindung in der Schaffung eines Lichtintensitätsmodulators mit bogenförmigen Wellenleitern zum Strahlen einer Lichtwelle in ein Substrat, indem ein externes Modulationssignal an den gekrümmten Wellenleiter an gelegt wird, wenn die Lichtwelle durch eine vorbestimmte Stelle der gekrümmten Wellen leiter hindurchgeht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Herstellverfahrens für den Lichtin tensitätsmodulator mit bogenförmigen Wellenleitern zum Strahlen einer Lichtwelle in ein Substrat, indem ein externes Modulationssignal an die gekrümmten Wellenleiter angelegt wird, wenn die Lichtwelle durch eine vorbestimmte Stelle der gekrümmten Wellenleiter hindurchgeht.

Dementsprechend wird zum Erreichen des ersten Zieles ein Lichtintensitätsmodulator ge schaffen mit einem Substrat aus einem vorbestimmten Material, einem Lichtwellenleiter, der in einer Bogengestalt auf dem Substrat ausgebildet ist, und einer Elektrode, die auf dem Lichtwellenleiter derart ausgebildet ist, daß die Elektrode sich in Fluchtlinie mit dem Licht wellenleiter befindet, in welchem der Brechungsindex des Lichtwellenleiters verändert wird mit der Intensität eines an die Elektrode angelegten elektrischen Feldes, und eine Lichtwelle, die eine vorbestimmte Stelle des Lichtwellenleiters passiert, aufgrund des veränderten Bre chungsindex in das Substrat gestrahlt wird.

Zum Erreichen des ersten Zieles wird ein anderer Lichtintensitätsmodulator geschaffen, der gekennzeichnet ist durch eine untere Überzugsschicht, die auf einem Substrat aus einem vorbestimmten Material ausgebildet ist, einen Lichtwellenleiter, der aus einem Material ge bildet ist, das einen größeren Brechungsindex als die untere Überzugsschicht aufweist, wo bei der Lichtwellenleiter in einer Bogenkurvengestalt auf der unteren Überzugsschicht aus gebildet ist, eine obere Überzugsschicht, die aus dem Material der unteren Überzugsschicht so gebildet ist, daß sie den Lichtwellenleiter überdeckt, und eine Elektrode, die auf der obe ren Überzugsschicht derart ausgebildet ist, daß die Elektrode sich in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter befindet, wobei der Brechungsindex des Lichtwellenleiters verändert wird mit der Intensität eines an die Elektrode angelegten elektrischen Feldes, und eine Lichtwelle, die einen vorbestimmten Ort des Lichtwellenleiters passiert, durch den veränderten Bre chungsindex in das Substrat gestrahlt wird.

Um das zweite Ziel zu erreichen, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtintensitäts modulators geschaffen, das gekennzeichnet ist durch die Schritte, daß eine untere Über zugsschicht auf ein Substrat aufgetragen wird, daß eine Kernschicht mit einem größeren Brechungsindex als dem Brechungsindex der unteren Überzugsschicht auf die untere Über zugsschicht aufgetragen wird, daß ein bogenförmiger Lichtwellenleiter durch Strukturieren der Kernschicht und Ätzen der Kernschicht gemäß der Struktur gebildet wird, daß eine obe re Überzugsschicht aus dem gleichen Material wie die untere Überzugsschicht so aufgetra gen wird, daß sie den Lichtwellenleiter überdeckt, und daß eine Polungselektrode auf der oberen Überzugsschicht in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter ausgebildet wird, um den Lichtwellenleiter unter Verwendung eines elektrischen Feldes zu polen, und eine obere Elektrode zum Anlegen eines externen Modulationssignals auf der Polungselektrode gebil det wird.

Um das zweite Ziel zu erreichen, wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Licht intensitätsmodulators geschaffen, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte, daß ein bogenförmiger Lichtwellenleiter auf einem Substrat strukturiert wird, daß alles außer einem Lichtwellenleiterabschnitt entlang der Struktur maskiert wird, die maskierte Struktur in eine Protonenquellenlösung getaucht wird und die Protonen in der Protonenquellenlösung mit in dem Substrat vorhandenen Ionen ausgetauscht werden, daß ein gekrümmter Lichtwellen leiter gebildet wird durch thermische Behandlung der resultierenden Struktur über eine ge gebene Zeitdauer, und daß eine Elektrode auf dem gekrümmten Lichtwellenleiter gebildet wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbei spiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A und 1B perspektivische Ansichten herkömmlicher Lichtmodulatoren;

Fig. 2A und 2B Draufsichten von Lichtintensitätsmodulatoren gemäß der Erfindung;

Fig. 3 das Wellenleitprinzip einer Lichtwelle, die entlang dem gekrümmtem Wellenleiter von Fig. 2A oder 2B wandert;

Fig. 4A, 4B, 4C die Beziehung zwischen einer Strahlungskaustikkurve und dem effekti ven Brechungsindex;

Fig. 5A bis 5G Schnittansichten zur Erläuterung eines Herstellverfahrens eines elektro optischen Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung;

Fig. 6A und 6B perspektivische Strukturansichten elektrooptischer Lichtintensitätsmo dulatoren gemäß der Erfindung;

Fig. 7A und 7B perspektivische Strukturansichten thermooptischer Lichtintensitätsmo dulatoren gemäß der Erfindung;

Fig. 8A und 8B die Struktur eines gekrümmten Wellenleiters zum Feststellen der Ope ration eines Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung; und

Fig. 9 ein Diagramm der Ergebnisse einer numerischen Simulation, die an einem Lichtmodulator mit dem Lichtwellenleiter von Fig. 8A und 8B durchgeführt worden ist.

Fig. 2A zeigt eine Draufsicht eines elektrooptischen Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung. Der Lichtmodulator von Fig. 2A umfaßt einen Eingangswellenleiter 200, eine Elektrode 202, die wenigstens eine Bogenkurve umfaßt, einen Ausgangswellenleiter 204 und eine Spannungsquelle 206 zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektrode 202. Wenn die Elektrode 202 aus einer bogenförmigen Elektrode besteht, ist die gekrümmte Elektrode an der oberen Fläche eines gekrümmten Wellenleiters (nicht gezeigt) ausgebildet, eine Spannung wird an die Elektrode 202 angelegt, und ein Substrat (nicht gezeigt) wird geerdet. Wenn die Elektrode 202 aus zwei oder mehr bogenförmigen Elektroden besteht, sind diese Elektroden an der oberen Fläche eines gekrümmten Wellenleiters und an der rechten und linken Seite des gekrümmten Wellenleiters ausgebildet. Eine Spannung wird an die mittlere Elektrode angelegt, und die übrigen Elektroden werden geerdet. Ein elektroop tisches Material umfaßt zum Beispiel einen Halbleiter (GaAs, InP), eine ferroelektrische Substanz (LiNbO₃, LiTaO₃) oder gepoltes Polymer. Der gekrümmte Wellenleiter, ein fä cherförmiger kreisförmiger Bogen oder eine Verbindung einer Mehrzahl fächerförmiger kreisförmiger Bögen mit gleichem Radius ist in einer Sinus- oder Cosinuskurvengestalt aus gebildet.

Fig. 2B zeigt eine Draufsicht eines thermooptischen Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung. Der Lichtmodulator von Fig. 2B umfaßt einen Eingangswellenleiter 210, ein Mikroheizelement 212, das aus wenigstens einer Bogenkurve gebildet ist, einen Ausgangs wellenleiter 214 und eine Spannungsquelle 216 zum Anlegen eines Stromes an das Mikroheizelement. Wenn das Mikroheizelement 212 aus einer Bogenkurve besteht, ist das gekrümmte Mikroheizelement 212 an der oberen Fläche eines gekrümmten Wellenleiters ausgebildet. Wenn das Mikroheizelement 212 aus einer Mehrzahl von Bogenkurven besteht, sind diese an der oberen Fläche eines gekrümmten Wellenleiters und an der rechten und linken Seite des gekrümmten Wellenleiters ausgebildet. Ein thermooptisches Material um faßt zum Beispiel Halbleiter (GaAs, InP), eine ferroelektrische Substanz (LiNbO₃, LiTaO₃), Polymer oder Siliziumdioxid. Der gekrümmte Lichtwellenleiter, der fächerförmige Bogen oder eine Verbindung einer Mehrzahl von fächerförmigen Bögen von gleichem Radius ist in einer Sinus- oder Cosinuskurvengestalt ausgebildet.

Nachfolgend wird die Betriebsweise des Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung beschrieben. Nach dem Eingeben einer Lichtwelle in den Lichtmodulator bildet diese einen Wellenleitmodus, während sie entlang dem Eingangswellenleiter 200 oder 210 geleitet wird, und wird dann zu einem gekrümmten Wellenleiter (nicht gezeigt) ausgegeben. Wenn keine Spannung oder kein Strom von der Spannungsquelle 206 bzw. der Stromquelle 216 an die Elektrode 202 oder das Mikroheizelement 212 angelegt ist, wird die Lichtwelle in dem ge krümmten Lichtwellenleiter nach dem Durchgang durch den gekrümmten Lichtwellenleiter zu dem Ausgangswellenleiter 204 oder 214 ausgegeben. Wenn jedoch eine Spannung oder ein Strom angelegt ist, wird die Lichtwelle in dem gekrümmten Lichtwellenleiter sowohl in das Substrat (nicht gezeigt) gestrahlt als auch zu dem Ausgangswellenleiter 204 oder 214 ausgegeben.

Die Arbeitsweise des oben beschriebenen gekrümmten Wellenleiters wird nun mehr im ein zelnen beschrieben. Fig. 3 zeigt das Wellenleitprinzip einer Lichtwelle, die entlang dem gekrümmtem Wellenleiter von Fig. 2A oder 2B wandert. Der gekrümmte Wellenleiter in Fig. 3 ist als Kreisbogen vom Radius R geformt. Wenn der Radius ausreichend größer ist als die Dicke W eines Lichtwellenleiters, nähert sich die Phasengeschwindigkeit einer gelei teten Lichtwelle der Tangentengeschwindigkeit an einem gegebenen Punkt auf dem Kreis bogen, wie ausgedrückt durch die folgende Gleichung (1):

worin c die Lichtgeschwindigkeit in Luft wiedergibt, n_eff den effektiven Brechungsindex eines gekrümmten Wellenleiters wiedergibt und Θ einen Winkel bedeutet, unter dem eine Lichtwelle entlang dem gekrümmten Wellenleiter rotiert.

Das heißt: Damit eine Lichtwelle durch einen gekrümmten Wellenleiter hindurchgeht, ohne ihre Gestalt zu verändern, sollten alle Punkte auf einer Gleichphasenfläche 1 die gleiche Winkelgeschwindigkeit (dΘ/dt) aufweisen. Wenn die Lichtwelle entlang dem gekrümmten Wellenleiter um Θ gedreht wird, sollten alle Punkte auf der Gleichphasenfläche 1 auf ent sprechende Punkte auf einer Gleichphasenfläche 2 abgebildet werden. Das heißt, Punkt A muß auf Punkt A' abgebildet werden, und Punkt B muß auf Punkt B' abgebildet werden. Um diese Bedingung zu erfüllen, muß die Tangentengeschwindigkeit an einem Ort, der um x entfernt ist von dem Zentrum des gekrümmten Wellenleiters, (R+x)dΘ/dt betragen. Je doch kann diese Tangentengeschwindigkeit nicht eine Schwellenlichtgeschwindigkeit (c/n₁) übersteigen, die bestimmt wird aus dem Brechungsindex an der Außenseite des gekrümmten Wellenleiters. Eine Kurve, bei der die Tangentengeschwindigkeit und die Schwellenlichtge schwindigkeit gleich werden, wird eine Strahlungskaustikkurve genannt, und die Strah lungskaustikkurve x_r wird bestimmt durch die folgende Gleichung (2):

worin n₁ den Brechungsindex des Substrats bedeutet.

Eine Lichtwelle, welche die Punkte jenseits der Strahlungskaustikkurve x_r passiert unter Punkten auf einer Gleichphasenfläche, kann nicht so schnell rotieren wie die Lichtwelle, die durch die Punkte unter x_r rotiert. Also wird eine Lichtwelle, welche die Punkte über x_r hin aus passiert, auf der Gleichphasenfläche zurückgelassen und folglich in ein Substrat ge strahlt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird die Strahlungskaustikkurve des gekrümmten Wellen leiters durch die Wellenleitbedingung bestimmt. Die Fig. 4A, 4B und 4C erläutern die Beziehung zwischen einer Strahlungskaustikkurve und dem effektiven Brechungsindex. In Fig. 4A, wo die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex des gekrümmten Wellenleiters und dem Substrat nicht groß ist (das heißt, im Fall schlechten Leitens), befin det sich die Strahlungskaustikkurve nahe dem Zentrum des Wellenleiters, wie in Fig. 4C gezeigt, also ist der Ablenkverlust (bending loss) einer Lichtwelle vergrößert. Dagegen be findet sich in Fig. 4B, wo der effektive Brechungsindex des gekrümmten Wellenleiters größer ist als der des Substrats (das heißt, im Fall guter Leitung) die Strahlungskaustik kurve entfernt von dem Zentrum des Wellenleiters, wie in Fig. 4C gezeigt, also ist der Ablenkverlust einer Lichtwelle vermindert. Dementsprechend wird die Position der Strah lungskaustikkurve verschoben durch Steuern des effektiven Brechungsindex des gekrümm ten Wellenleiters unter Verwendung eines elektrischen Feldes, wenn der gekrümmte Wel lenleiter aus einem elektrooptischen Material gebildet ist, oder unter Verwendung von Wärme, wenn er aus einem thermooptischen Material gebildet ist. Daher kann die Größe des Ablenkverlustes des gekrümmten Wellenleiters gesteuert werden.

Fig. 5A bis 5G zeigen Schnittansichten zur Erläuterung eines Herstellverfahrens fuhr ei nen elektrooptischen Lichtintensitätsmodulator gemäß der Erfindung. Zuerst wird eine iso lierende Dünnschicht 502 aus Siliziumdioxid (SiO₂) auf einem Siliziumsubstrat 500 aufge tragen, wie in Fig. 5A gezeigt. In Fig. 5B wird eine Metallschicht (im allgemeinen Au oder Cr), die als untere Elektrode 504 zu verwenden ist, auf der SiO₂-Dünnschicht 502 auf getragen. In Fig. 5C wird eine untere Überzugsschicht 506 auf der unteren Elektrode 504 aufgetragen. In Fig. 5D wird eine Kernschicht (nicht gezeigt), die einen größeren Bre chungsindex aufweist als die untere Überzugsschicht 506, auf die untere Überzugsschicht 506 aufgetragen, dann strukturiert und geätzt, wodurch ein Lichtwellenleiter 508, wie oben beschrieben, gebildet wird. In Fig. 5E wird eine obere Überzugsschicht 510 auf der unte ren Überzugsschicht 506 und dem Lichtwellenleiter 508 gebildet. Der Lichtwellenleiter 508, ein fächerförmiger Bogen oder eine Verbindung einer Mehrzahl von fächerförmigen Bögen mit gleichem Radius, wird in einer Sinus- oder Cosinuskurvengestalt ausgebildet.

In Fig. 5F wird eine Polelektrode 512 auf dem Lichtwellenleiter 508 und der oberen Über zugsschicht 510 gebildet. In Fig. 5G erhält der Lichtwellenleiter 508 eine Elektrofeldpo lung durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes zwischen der Polelektrode 512 und der unteren Elektrode 504 unter Verwendung einer Spannungsquelle 514. Das durch das elektrische Feld gepolte Polymer weist einen elektrooptischen Effekt auf. Die Leitung des Lichtwellenleiters 508 in seitlicher Richtung wird erhalten, indem während der Bildung der Kernschicht alles außer dem Lichtwellenleiter geätzt wird unter Verwendung eines Troc kenätzverfahrens. In diesem Fall ist die Polelektrode 512 vorzugsweise auf den Lichtwel lenleiter 508 auszurichten, um eine wirksame Elektrofeldpolung zu erzielen. Hier kann ein Teil der Polelektrode 512 verwendet werden als eine obere Elektrode (nicht gezeigt) zum Anlegen eines externen Modulationssignals. Es gibt ein alternatives Verfahren zum selekti ven Absenken des Brechungsindex, indem nach der Elektrofeldpolung alles außer dem Lichtwellenleiter optisch aufgehellt wird. In diesem Fall wird eine besondere Kupferelektro de benötigt.

Fig. 6A zeigt eine perspektivische Strukturansicht eines elektrooptischen Polymer-Lichtintensitätsmodulators, der durch die Schritte der Fig. 5A bis 5G fertiggestellt wor den ist. Die Bezugszeichen in Fig. 6A sind die gleichen wie die in den Fig. 5A bis 5G gezeigten.

Fig. 6B zeigt eine perspektivische Strukturansicht eines ferroelektrischen elektrooptischen Lichtintensitätsmodulators. Lithiumnaobat LiNbO₃ oder Lithiumtantalat LiTaO₃ eignet sich für das ferroelektrische Material eines Substrats 600. Ein ferroelektrisches Einkristallsub strat erfordert keinen besonderen Elektrofeldpolungsprozeß, da es einen elektrooptischen Effekt aufweist. Ein Lichtwellenleiter 602 wird hergestellt durch ein Protonenaustausch verfahren, ein inneres Titan (Ti)-Diffusionsverfahren oder ein gemischtes Verfahren aus Titandiffusion und Protonenaustausch, wenn das Substrat 600 aus LiNbO₃ gebildet ist. Wenn das Substrat 600 aus LiTaO₃ gebildet ist, wird der Lichtwellenleiter 602 vorzugsweise eher unter Verwendung eines Niedertemperatur-Protonenaustauschverfahrens als eines Hochtemperatur-Titandiffusionsverfahrens gefertigt da die Curie-Temperatur von Kristall etwa 600°C beträgt. In dem Protonenaustauschverfahren wird ein Lichtwellenleiter auf ei nem Substrat strukturiert, und alles außer einem Lichtwellenleiterabschnitt wird maskiert. Sodann wird die resultierende Struktur in ein vorbestimmte Protonenquellenlösung einge taucht, Protonen in der Protonenquellenlösung werden ausgetauscht mit Lithium (Li)-Ionen die in dem Substrat vorhanden sind, und die resultierende Struktur wird dann thermisch behandelt. Auf diese Weise wird ein gekrümmter Lichtwellenleiter gebildet. In dem Titan diffusionsverfahren wird der gekrümmte Lichtwellenleiter strukturiert, und Titan wird auf den strukturierten Abschnitt aufgeschmolzen, wodurch Titan diffundiert wird.

Der Lichtwellenleiter 602, ein fächerförmiger Bogen oder eine Verbindung einer Mehrzahl von fächerförmigen Kreisbögen mit gleichem Radius, wird in einer Sinus- oder Cosinuskur vengestalt ausgebildet. Nach der Bildung des Lichtwellenleiters werden Elektroden 604 zum Anlegen eines externen Modulationssignals in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter gebil det. Hier wird eine Siliziumdioxid-Pufferdschicht 606 gebildet zwischen den Elektroden 604 und dem Lichtwellenleiter 602, um zu verhindern, daß ein Wellenleitmodus einen Verlust durch die Elektroden aufweist.

Fig. 7A zeigt eine perspektivische Strukturansicht eines thermooptischen Polymer-Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung. Der Lichtintensitätsmodulator von Fig. 7A umfaßt ein Siliziumsubstrat 700, eine untere Überzugsschicht 702, einen Lichtwellenlei ter 704, eine obere Überzugsschicht 706 und ein Mikroheizelement 708. Das Bezugszeichen 710 bezeichnet eine Stromquelle zum Anlegen eines Stromes an das Mikroheizelement 708. Das Fertigungsverfahren für den thermooptischen Lichtintensitätsmodulator ist das gleiche wie für den elektrooptischen Lichtintensitätsmodulator, abgesehen von einem Prozeß zum Erzeugen eines elektrooptischen Koeffizienten. Nach Bildung des Lichtwellenleiters 704 wird das Mikroheizelement 708 zum Anlegen eines externen Modulationssignals in Aus richtung auf den Lichtwellenleiter gebildet.

Fig. 7B zeigt eine perspektivische Strukturansicht eines ferroelektrischen thermooptischen Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung. Der Lichtintensitätsmodulator von Fig. 7B umfaßt ein Substrat 720 aus einem ferroelektrischen Material wie LiNbO₃ oder LiTaO₃, einen Diffusions-Lichtwellenleiter 722, ein Mikroheizelement 724 aus Au oder Cr und eine Siliziumdioxid-Pufferschicht 726, die zwischen dem Mikroheizelement 724 und dem Licht wellenleiter 722 ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 728 bezeichnet eine Stromquelle zum Anlegen eines Stromes an das Mikroheizelement 724.

Fig. 8A und 8B zeigen die Struktur gekrümmter Wellenleiter zum Bestätigen der Ope ration eines Lichtintensitätsmodulators gemäß der Erfindung, wenn sie numerisch simuliert wird unter Verwendung eines Effektiv-Brechungsindex-Verfahrens und eines Strahlfort pflanzungsverfahrens mit finiter Differenz. Hier zeigt Fig. 8A einen gekrümmten Licht wellenleiter, der vier Kreisbögen mit einem Durchmesser von 30 mm umfaßt, und Fig. 8B zeigt einen Schnitt eines Lichtwellenleiters. In dem Lichtwellenleiter von Fig. 8B beträgt der Brechungsindex des Substrats 1,5, der Brechungsindex des Lichtwellenleiters beträgt 1,505, die Breite und Höhe des Lichtwellenleiters betragen 5 µm, und die Wellenlänge des verwendeten Lichtes beträgt 1,55 µm.

Fig. 9 zeigt in einem Diagramm die Ergebnisse einer numerischen Simulation, die an einem Lichtmodulator mit dem Lichtwellenleiter von Fig. 8A und 8B durchgeführt worden ist. Die horizontale Achse gibt die Brechungsindex-Veränderung wieder aufgrund eines exter nen Modulationssignals, das normalisiert ist durch die Brechungsindexdifferenz des Licht wellenleiters (Brechungsindex des Lichtwellenleiters - Brechungsindex des Substrats). Die Ordinate gibt den Durchgang der Lichtwelle wieder. Eine gestrichelte Linie zeigt die Ergeb nisse eines herkömmlichen Lichtmodulators, und eine ausgezogene Linie zeigt die Ergebnis se eines Lichtmodulators gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 9 gezeigt, kann eine Lichtmo dulationstiefe von etwa 20 dB erhalten werden aus einer Brechungsindex-Variation, die nur 50% der Brechungsindexdifferenz des Lichtwellenleiters für den Lichtmodulator gemäß der Erfindung entspricht. Jedoch kann eine Lichtmodulationstiefe von nur 0,94 dB für den her kömmlichen Lichtmodulator erhalten werden.

Gemäß der Erfindung kann eine große Modulationstiefe erhalten werden aus einer nur klei nen Brechungsindexveränderung unter Verwendung der Strahlungsverlustcharakteristik eines gekrümmten Wellenleiters. Ferner kann, da kein Erfordernis zum vollständigen Sper ren des Lichtwellenleiters besteht, ein ursprünglicher Lichtwellenleiter auf einen gutleiten den Zustand eingestellt werden. Also ist der Einfügungsverlust gering, und die Steuerspan nung ist niedrig.

Claims

1. Lichtintensitätsmodulator, gekennzeichnet durch
ein Substrat aus einem vorbestimmten Material,
einen Lichtwellenleiter, der in einer Bogengestalt auf dem Substrat ausgebildet ist, und
eine Elektrode (202, 212), die auf dem Lichtwellenleiter derart ausgebildet ist, daß die Elektrode (202, 212) sich in Fluchtlinie mit dem Lichtwellenleiter befindet,
wobei der Brechungsindex des Lichtwellenleiters verändert wird mit der Intensität eines an die Elektrode angelegten elektrischen Feldes, und eine Lichtwelle, die einen vorbe stimmten Ort des Lichtwellenleiters passiert, aufgrund des veränderten Brechungsindex in das Substrat gestrahlt wird.

2. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrats ein elektrooptisches Material umfaßt, dessen Brechungsindex mit der Intensi tät des angelegten elektrischen Feldes variiert.

3. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrats ein thermooptisches Material umfaßt, dessen Brechungsindex variiert in Re aktion auf das Erwärmen der Elektrode gemäß der Intensität des angelegten elektrischen Feldes.

4. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn n_eff den veränderten Brechungsindex des Lichtwellenleiters bezeichnet, n₁ den Brechungsin dex des Substrats bezeichnet und R den Radius des Bogens bezeichnet, der vorbestimmte Ort x_r in dem Lichtwellenleiter einen Ort umfaßt, welcher bezüglich R um n_eff variiert, wie ausgedrückt durch die Gleichung

5. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (202, 212) eine Mehrzahl von Elektroden (202) auf beiden lateralen Seiten umfaßt, um eine horizontale elektrische Feldkomponente zu verwenden.

6. Lichtintensitätsmodulator, gekennzeichnet durch
eine untere Überzugsschicht (506), die auf einem Substrat (500) aus einem vorbe stimmten Material ausgebildet ist,
einen Lichtwellenleiter (508), der aus einem Material gebildet ist, das einen größeren Brechungsindex als die untere Überzugsschicht (506) aufweist, wobei der Lichtwellenleiter (508) in einer Bogenkurvengestalt auf der unteren Überzugsschicht (506) ausgebildet ist,
eine obere Überzugsschicht (510), die aus dem Material der unteren Überzugs schicht (506) so gebildet ist, daß sie den Lichtwellenleiter (508) überdeckt, und
eine Elektrode (512), die auf der oberen Überzugsschicht (510) derart ausgebildet ist, daß die Elektrode (512) sich in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter (508) befindet,
wobei der Brechungsindex des Lichtwellenleiters (508) verändert wird mit der Intensität eines an die Elektrode (512) angelegten elektrischen Feldes, und eine Lichtwelle, die einen vorbestimmten Ort des Lichtwellenleiters (508) passiert, durch den veränderten Brechungsindex in das Substrat gestrahlt wird.

7. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrats (500) ein elektrooptisches Material umfaßt, dessen Brechungsindex mit der Intensität des angelegten elektrischen Feldes variiert.

8. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrats ein thermooptisches Material umfaßt, dessen Brechungsindex variiert in Re aktion auf das Erwärmen der Elektrode gemäß der Intensität des angelegten elektrischen Feldes.

9. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn n_eff den veränderten Brechungsindex des Lichtwellenleiters (508) bezeichnet, n₁ den Brechungsindex des Substrats (500) bezeichnet und R den Radius des Bogens bezeichnet, der vorbestimmte Ort x_r in dem Lichtwellenleiter (508) einen Ort umfaßt, weicher bezüglich R um n_eff variiert, wie ausgedrückt durch die Gleichung

10. Lichtintensitätsmodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (500) eine Mehrzahl von Elektroden auf beiden lateralen Seiten umfaßt, um eine horizontale elektrische Feldkomponente zu verwenden.

11. Verfahren zur Herstellung eines Lichtintensitätsmodulators, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß eine untere Überzugsschicht auf ein Substrat aufgetragen wird,
daß eine Kernschicht mit einem größeren Brechungsindex als dem Brechungsindex der unteren Überzugsschicht auf die untere Überzugsschicht aufgetragen wird,
daß ein bogenförmiger Lichtwellenleiter durch Strukturieren der Kernschicht und Ätzen der Kernschicht gemäß der Struktur gebildet wird,
daß eine obere Überzugsschicht aus dem gleichen Material wie die untere Überzugs schicht so aufgetragen wird, daß sie den Lichtwellenleiter überdeckt, und
daß eine Polungselektrode auf der oberen Überzugsschicht in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter ausgebildet wird, um den Lichtwellenleiter unter Verwendung eines elek trischen Feldes zu polen, und eine obere Elektrode gebildet wird zum Anlegen eines exter nen Modulationssignals auf der Polungselektrode.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt, daß eine Pufferschicht zwischen der Überzugsschicht und der oberen Elektrode gebildet wird, um den Verlust eines Wellenleitermodus aufgrund der Elektrode zu verhindern

13. Verfahren zur Herstellung eines Lichtintensitätsmodulators, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß ein bogenförmiger Lichtwellenleiter auf einem Substrat strukturiert wird,
daß alles außer einem Lichtwellenleiterabschnitt entlang der Struktur maskiert wird, die maskierte Struktur in eine Protonenquellenlösung getaucht wird und die Protonen in der Protonenquellenlösung mit in dem Substrat vorhandenen Ionen ausgetauscht werden,
daß ein gekrümmter Lichtwellenleiter gebildet wird durch thermische Behandlung der resultierenden Struktur über eine gegebene Zeitdauer, und
daß eine Elektrode auf dem gekrümmten Lichtwellenleiter gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den Schritt, daß zwischen dem Schritt der Bildung des gekrümmten Lichtwellenleiters und dem Schritt der Bildung der Elektrode eine Pufferschicht gebildet wird, um den Verlust eines Wellenleitermodus auf grund der Elektrode zu verhindern

15. Verfahren zur Herstellung eines Lichtintensitätsmodulators, gekennzeichnet durch die Schritte,
daß ein bogenförmiger Lichtwellenleiter auf einem Substrat strukturiert wird,
daß der bogenförmige Lichtwellenleiter gebildet wird durch Schmelzen eines vorbe stimmten Materials auf den strukturierten Lichtwellenleiter und Diffundieren des Materials in den strukturierten Lichtwellenleiter.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Schritt zur Bil dung des gekrümmten Lichtwellenleiters verwendete Material Titan umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch den Schritt, daß zwischen dem Schritt der Bildung des gekrümmten Lichtwellenleiters und dem Schritt der Bildung der Elektrode eine Pufferschicht gebildet wird, um den Verlust eines Wellenleitermodus aufgrund der Elektrode zu verhindern.