DE2304026A1 - Optische wellenleitervorrichtung in duennschichtausfuehrung - Google Patents

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Blank 1-9-13-33-9- 3-

Incorporated

New Yor*. N. Y., USA

Optische W ellenleitervurrichtung in Dünnschichtausführung

Die Erfindung betrifft eine optische U ellenleitervorrichtung in Dünnschichtausführung mit einem ersten Körper aus optisch transparentem Material, der als Substrat für einen zweiten Körper aus optisch transparentem Material dient, dessen Brechungsindex höher als der des ersten Körpers ist und der mit zwei glatten Hauptflächen versehen ist, die voneinander einen Abstand in der Größenordnung der Wellenlänge der hierin geführten Strahlung haben.

Für bereits vorgesehlagene optische Nachrichtenanlagen ist es wünschenswert, integrierte optische Schaltungsanordnungen zur Verfügung zu haben, die zur Führung und Beeinflussung von informationstragenden Lichtwellen dienen. Dies hat zu umfangreicher Forschung an optischen Dünnöchichtwellenieitern und

309832/092 7

zugeordneten optischen Vorrichtungen geführt, analog zu den Reehteckhohlleitern oder Koaxialkabeln und zugeordneten Vorrichtungen für Anlagen niedrigerer Frequenz. Die anfängliche Arbeit an integrierten optischen Vorrichtungen hat aufgezeigt, daß der Erfolg der vorgeschlagenen optischen Anlage letzten Endes von der Entwicklung von Dünnschichtmaterialien abhängt, die geeignete optische übertragungseigenschaften haben und auch geeignet sind, fur den Aufbau von Bauelementen, die die Beeinflussung der optisch geführten Wellen umfassen. Bezüglich einer allgemeinen Beschreibung der integrierten optischen Bauelemente und Beschreibungen von vielen der Formen, die die optischen Schaltungsvorrichtungen haben können, sei verwiesen auf The Bell System Technical Journal, Band 48, September 1969, Seiten 2059 - 2069.

Frühzeitige Arbeiten von Fachleuten auf diesem Gebiet zur Entwicklung geeigneter optischer Materialien umfaßten die Verwendung zahlreicher kristalliner Materialien für Dünnschichten, von denen die bedeutensten Zinkoxid und Zinksulfid waren. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß Dünnschichten aus Zinkoxid und Zink sulfid aufgrund der polykristallinen Struktur dieser Materialien

30 9832/Ö927

übermäßig hohe Streuverluste für optisch geführte Wellen aufweisen. Anschließende Untersuchungen an Einkristallschichten von Matei'ialien wie Galliumarsenid zeigten eine gewisse Verbesserung bezüglich der Streuverluste, ergaben jedoch noch
unzufriedenstellend hohe Verluste in den Schichten, und zwar aufgrund der hohen Ladungstriugerkonzentratijiien in den Materialien. Darüber hinaus hat der hohe Brechungsindex der Gallium ar senidmaterialien (n"=' 3,6} die Anwendung der Schichten für typische optische Anlagen recht schwierig gen.acht.

Die obigen Probleme der Bereitstellung eines optischen Dünnschichtleiters mit niedrigen Streu- und Absorptionsverlusten
und des Beeinflussens der in der Ebene des leitenden Films
geführten W eilen werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Körper aus Granatkristallmaterial bestehen.

i.i der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines erfindungsgen-äßen

Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 die Darstellung des Brechungsindexes zahl

reicher Granatzusanimensetzungen in Abhängigkeit von deren Gitterkonstanten, die

3098 3 2/0927

bei der Auswahl geeigneter Materialien für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet ist;

Fig. 3 eine Schrägansicht eines erfindungs gemäß aus

geführten magnetooptischen Dünnschichtschalters - und - modulator;

Fig. 4 Eine Darstellung der Schichtdicken als eine

Funktion des Parameters ß /k, um die Beziehung zwischen diesen Parametern für eine als Beispiel dienende Schicht zu zeigen; und

Fig. 5 eine in erfindungsgemäßen Ausführungsformen

verwendbare modifizierte Mikroschaltungsanordnung.

Die Erfindung basiert vorwiegend auf der Tatsache, daß zahlreiche synthetische Granatmaterialien ideale optische und magnetische Eigenschaften für integrierte optische Schaltungsanordnungen aufweisen. Einkristalline Seltene-Erden-Granatdünnschichten, die auf Granatsubstraten niedergeschlagen sind, bilden ideale optische Leiter entweder für sichtbare oder dem sichtbaren Bereich benachbarte W-eilenlängen, und zwar im wesentlichen unter

309832/0927

niedrigen Streu- und Absorptions Verlusten für optisch geführte Vt eilen.

Nach den erfindungsgemäßen Prinzipien besteht ein optischer Dünnschichtwellenleiter aus einem transparenten Granatfilm der allgemeinen Formel

^K3^B5°12·

in der R ein Yttrium-, Lanthan-, Wismut- oder ein Seltene-Erden-Ion sein kann oder eine Mischung aus Seltene-Erden-Ionen untereinander oder mit Yttrium, Lanthan oder Wismut, und in der B entweder Eisen, Gallium oder Aluminium oder irgendeine Mischung aus diesen Elementen oder mit irgendeinem anderen geeigneten Element sein kann. Die Schichten werden auf Granatsubstraten mit niedrigerem Index gezüchtet und haben eine geringe Abmessung, die im Wellenlängenbereich der Strahlung liegt, die sich in ihnen in geleitetem Mode parallel zur Schichtebenö ausbreitet.

Die Verwendung von magnetischen, d, h, eisenhaltigen Granatmaterialien in den Dünnschichten kann zahlreiche magnetische

309832/0927

Ddnnschichtvorrichtungen ergeben, die für integrierte optische Bauelemente verwendbar sind. In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist ein magnetooptischer Dünnschichtschalter- und Modulator beschrieben. Das Bauelement umfaßt eine leitende Dünnschicht aus einer Eisengranatzusammensetzung und eine serpentinenförmige Mikroschaltung, die auf der Schicht niedergeschlagen ist, um einen Schaltstrom zu führen. Durch passendes Auswählen der Schaltungskonfiguration erzeugt die Vorrichtung ein kontinuierliches Umschalten von Lichtwellen, die sich in der Schicht in TE-Polarisationsmoden ausbreiten, in TM-Polarisations moden, oder umgekehrt. In gleicher Weise kann man durch Anlegen eines Mikrowellenstroms an dieselbe Schaltung das geführte Licht modulieren.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer optischer Dünnschichtwellenleiter gezeigt, der eine Schicht 11 aus transparentem Granatmaterial aufweist, die auf einem Substrat 12 aus ebenfalls transparentem Granatmaterial niedergeschlagen ist, das einen niedrigeren Brechungsindex als die Schicht aufweist. Die Schicht hat eine Dicke, die im Bereich der Wellenlänge der Strahlung liegt, die in ihr fortgepflanzt werden soll, so dafc. die Strahlung effektiv

309832/0927

auf diese Abmessung begrenzt ist, und zwar durch die dielektrischen Diskontinuitäten, die durch die Hauptflächen der Schicht, d.h. die Substrat/Schicht- und Luftraum/Schicht Grenzflächen, gebildet werden. Für die erfindungsgemäßen Zwecke können die Schichtdicken irgendwo im Bereich von 0,1 bis 100 W ellenlangen liegen. Man hat gefunden, daß Dicken zwischen 1 und 10 Wellenlängen gute Ergebnisse hervorbringen. Die Ausbreitung der Strahlung in den beiden Breitendimensionen der Schicht ist typischerweise unbeschränkt.

Eb sind Prismenkopplungsvorrichtungen 13 und 14 vorgesehen, um die Strahlung in die Schicht hinein und aus dieser heraus zu führen. Die Strahlung ist typischerweise kohärent, liegt im optischen Bereich (der Wellenlängen im sichtbaren und dem sichtbaren benachbarten Bereich umfaßt), und kann durch irgendeine geeignete Quelle erzeugt werden, beispielsweise durch einen Laser. Typischer weise ist eine nicht gezeigte Verwendungseinrichtung vorgesehen, um die herausgeführte Strahlung aufzunehmen. Weiterhin können nicht gezeigte Einrichtungen vorgesehen sein, um die ankommende oder abgehende Strahlung für Ausführungsarten zu polarisieren, in denen polarisierte

309832/0927

W eilen verwendet v/erden.

Die speziellen Koppelprismen 13 und 14, wie sie dargestellt sind, sind ausführlich beschrieben in Applied Physics Letters, Band 14, Seite 291 (1969). Es sind andere Vorrichtungen verfügbar, umdieselbe Funktion durchzuführen. Optisches Kopplen und Auskopplen kann beispielsweise erreicht werden durch optische Gittereinrichtungen, die direkt auf der Oberfläche der führenden Schicht gebildet sind und strukturell mit dieser integriert sind. Eine solche kopplungsanordnung ist aufgrund ihrer Volumen- und Massenverringerung fur integrierte optische Schaltungsvorrichtungen erwünscht, in denen Miniaturisierung und Vereinfachung wichtig sind. Der Gitterkoppler ist speziell in der Ausführungsform der Fig. 3 gezeigt.

Wie bereits angegeben ist, weisen die erfindungsgemäß verwendeten Granatmaterialien die allgemeine Formel

^R3^B5°₁₂

auf, in der R ein Yttrium-, Lanthan-, Wismut- oder ein Seltene-

309832/0927

Erden-Ion mit einer Atomzahl irgendwo im Bereich von 60 bis einschließlich 71 sein kann oder eine Mischung aus Seltene-Erden-Ionen untereinander oder mit Yttrium, Lanthan, oder Wismut und in der B entweder Eisen, Gallium oder Aluminium oder eine Mischung aus diesen oder mit einem anderen geeigneten Element sein kann. Grundarten der erfindungsgemäß verwendbaren Granatmaterialien wurden bereits 1956 eingeführt (siehe Compte-Rendus, Band 42, Seite 382). Die wahrscheinlich am besten bekannte Granatzusammensetzung ist Yttrium-Eisen-Granat (YJe O₁ J, das manchmal einfach als YIG bezeichnet wird. Aufgrund ihrer nützlichen magnetischen Eigenschaften sind die Granatmaterialien in jüngster Zeit Gegenstand umfangreicher theoretischer und experimenteller Arbeiten gewesen, und zwar in Verbindung mit Vorrichtungen, deren Wirkuhgsprinzip auf einwandigen Magnetisierungsdomänen beruht. Ale Ergebnis dieser Arbeiten versteht man nun die Züchtungseigenheiten zahlreicher Granatarten recht gut. Außerdem gibt es etliche Methoden zum Züchten sowohl magnetischer als auch nichtmagnetischer Granatkristalle mit guten Abmessungseigenschaften undhervorragender Einkristalleigenschaft."

309832/0927

230402

Man hat gefunden, daß massive Einkristalline Seite-Erden-Gallium- und -Aluminiumgranate, wenn sie durch geeignete Verfahren gezüchtet sind, im gesamten optischen Wellenlängen bereich praktisch vollkommen durchsichtig sind und für optisch geführte Wellen vernachlässigbare Verluste (Streuung und Absorption) zeigen. Diese nichtmagnetischen Granate sind deshalb zur Verwendung in Bauelementen der in Fig. 1 dargestellten Art höchst geeignet. Man hat gefunden, daß geeignet gezüchtete Selte-Erden-Eisengranate optische Verluste in der Größenordnung von 0,1 dB/cm für geführte Wellen in einem Wellenlängenbereich zwischen 1, 2 und 5, 0 Mikrometer aufweisen und auch das zusätzliche Merkmal nützlicher magnetischer Eigenschaften aufweisen. Diese Verluste in Eisengranatschichten stehen im Gegensatz zu so großen Verlusten wie 60 dB/cm in vergleichbaren Zinkoxidschichten und 10 dB/cm in vergleichbaren Galliumarsenidschichten, und zwar im selben Wellenlängenbereich.

Was nun wieder die Ausführungsform der Fig. 1 angeht, so hat man im Zusammenhang mit optischen Leiten festgestellt, daß der Brechungsindex der Schicht 11 größer als der des Substrats

309832/0927

sein muß. Bei einer Laser-W-ellenlange von 1,52 Mikrometern beispielsweise haben alle Seite-Erden-Eisengranatmaterialien einen Brechungsindex von 2,22 + 0,02 und der Brechungsindex von Seite-Erden-Gallium- und -Aluminiumgranaten liegt etwa bei 1, 94 + 0jD2bzw. l, 82 + 0,03, Die Auswechslung oder Ersetzung der Seltene-Erden-Ionen in den Granatzusammensetzungen durch andere Seite-Erden-Ionen hat typischerweise keine Auswirkung auf den Brechungsindex des Materials, ist jedoch für andere, und nachstehend beschriebene Zwecke nützlich. Man kann daher sehen, daß geeignete Anordnungen für die Ausführungsart der Fig. 1 Eisengranatschichten umfassen, die auf Gallium- oder Aluminiumgranatsubstraten niedergeschlagen sind, und Galliumgranatschichten, die auf Aluminiumgranatsubstraten niedergeschlagen sind. Es sollte auch möglich sein, den Brechungsindex der Schicht und/oder des Substrats kontinuierlich zu verändern, und zwar durch teilweises Ersetzen der Seite-Erden- oder Eisen-, Gallium- oder Aluminiumionen im Granataufbau durch andere geeignete Ionen, die zur Erhöhung oder Erniedrigung des Brechungsindexes des Materials dienen. Beispielsweise hat man gefunden, daß Zusammensetzungen der Formel R Sc₀Al O einen Brechungs-

O ti Οία

index von 1,87 + 0, 02 haben ₃ der größer als der reiner Aluminium-

309832/0927

granate ist. Die Flexibilität, die bei der Verwendung von Granatzusammensetzungen in erfindungsgemäßen Dünnschichtlichtleitern existiert, sollte ohne weiteres offensichtlich sein.

Obwohl einige Methoden zur Erzeugung breiter Granatschichten hoher Vollkommenheit verfügbar sind, sind epitaktische Schicht Züchtungsmethoden für die erfindungsgemäßen Zwecke wahrscheinlich am besten geeignet. Bei solchen Methoden können die Schichten durch eine Flüssigphasenepitaxie (LPE) gezüchtet werden. Kurz gesagt findet das Züchten in einer Tauchvorrichtung statt. Dabei wird ein mechanisch poliertes und chemiscft geätztes Einkristallgranatsubstrat in eine Schmelze getaucht, die sich

auf einer Temperatur unterhalb 1000 C befindet und eine geeignete Lösung Seltener-Erden-Oxide und Eisen-, Galliumoder Aluminiumoxiden enthält. Das verwendete Lösemittel ist ein Flußmittel mit etwa 98 % PbO und 2 % B_O„. Die Substratkristalle werden gewöhnlich aus einer meist stöchiometrischen Schmelze mit großer Abmessung gezüchtet, und zwar mit Hilfe des wohl bekannten Czochralski-Verfahrens.

Eine ausführlichere Beschreibung des für die vorliegende Erfindung vorzugsweise verwendeten LPE-ⁿTauch-Verfahrens"

309832/0927

und Hinweise auf Beschreibungen zahlreicher anderer Epitakie-Verfahren finden sich in Applied Physics Letters, Band 19, Seiten 486 - 488.

Da die Substratoberfläche sehr sorgfältig sowohl mechanisch als auch chemisch poliert ist, ist die Substrat/Schicht-Grenzfläche glatt und es ergibt sich im LPE-Tauchverfahren über der Substrat-Oberfläche ein gleichförmiger Niederschlag, der eine glatte, homogene und gleichmäßig dicke Epitaxieschicht erzeugt. Es kann eine reproduzierbare Schichtdicke einfach dadurch gewählt werden, daß die Dauer des Züchtungsprozesses gesteuert wird.

Bei der oben beschriebenen LPE-Tauchmethode ist es notwendig, die Gitterkonstanten von Schicht und Substrat bis auf eine Abweichung von näherungsweise 0, 01 bis 0, 02 Angström (R) anzugleichen, um Schichten mit guten optischen Eigenschaften zu erhalten. Dies ist aus zwei Gründen für Granatmaterialien relativ einfach. Erstens ist das Granatmaterial im kristallinen Aufbau grundsätzlich kubisch, so daß aus diesem Grund lediglich ein Gitterparameter anzugleichen ist. Zweitens weisen die Granate verschiedener Seltener-Erden-Ionen einen weiten Bereich von Gitterkonstanten auf. Tatsächlich

309832/0927

kann durch teilweises oder vollständiges Ersetzen des Seltene -Erden-Ions in der Granatzusammensetzung der Schicht oder des Substrats durch verschiedene Seltene -Erden- Ionen die Gitterkonetante für die Materialien in einem bestimmten Bereich kontinuierlich variabel gemacht werden. Bekanntlich nimmt die Größe oder der Ionenradius des Seltene-Erden-Ions mit einer Zunahme der Atomzahl ab. Man hat gefunden, daß die Zunahme der Gitterkonstanten des Granatmaterials im wesentlichen im direkten Verhältnis zur Vergrößerung des Ionenradius des Seltene-Erden-Ions steht. Die Granatgitterkonstanten nehmen deshalb im Durchschnitt mit einer Erhöhung der xitomzahl des Seltene-Erden-Ions ab.

Um einige der oben beschriebenen Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Granatmaterialien zusammenzufassen, sind in Fig. 2 der Zeichnung die Brechungsindizes verschiedener Seltene-Erden-Zusammensetzungen bezüglich der Laserwellenlänge von 1,52 Mikrometer als Funktion der Gitter konstante in angenäherter Weise dargestellt. Diese Darstellung sollte bei der Auswahl geeigneter Granatzusammensetzungen für Dünnschichtwellenleiter der in Fig. 1 dargestellten Art hilfreich sein.

309832/0927

Es sei daraufhingewiesen, daß in Fig. 2 die Seltene-Erden-Eisengranate, die Seltene -Erden- Galliumgranate und die Seltene-Erden-Aluminiumgranate drei unterschiedliche horizontale Linien im Diagramm besitzen, die den konstanten Brechungsindex der Materialien darstellen, wenn das Seltene-Erden-Ion in der Zusammensetzung ausgetauscht wird. Beginnt man mit einer Zusammensetzung, die das Seltene-Erden-Ion Lutetium (Lu, Atomzahl =71) enthält, auf der äußersten linken Seite einer jeden Linie, so nimmt die Gitterkonstante der Granatmaterialien zu, bis die das Seltene-Erden-Ion Neodym (Nd, Atomzahl = 60) enthaltende Zusammensetzung auf der äußersten rechten Seite einer jeden Linie erreicht ist. Zusammensetzungen, die das Yttrium-Ion (Y) enthalten, sind in dem Diagramm ebenfalls aufgeführt.

Um eine Gitteranpassung zwischen Schicht und Substrat zu erhalten und somit die Züchtungsbedingung zu erfüllen, braucht man für die Schicht und das Substrat lediglich Granatausammensetzungen zu wählen, die auf derselben vertikalen Linie des Diagramms liegen. Um auch das Erfordernis der optischen Leitung dadurch sicherzustellen, daß der Brechungsindex der

309832/0927

Schicht größer als der des Substrats ist, braucht man die Auswahl lediglich so zu treffen, daß ein Schichtmaterial genommen wird, das im Diagramm vertikal über dem Substratmaterial liegt. Wo eine ausgewählte vertikale Linie zwischen zwei Seltene-Erden-Ionen fällt, gibt der relative Abstand vom Schnittpunkt dieser vertikalen Linie mit den horizontalen Granatlinien das relative Verhältnis der beiden in der Zusammensetzung erforderlichen Ionen an. Beispielsweise wären die folgenden Zusammensetzungen bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendbar:

Schicht Substrat

^Gd3^Ga5°12

^Y3^G"₅°12 ^Nd3^A15°12

^Gd2.3^Tb0. 7^Fe5°12 ^Sml, 2^Ndl. 8^Ga5^P12

Eine Wahl der teilweise substituierten Granate wie R₀Sc₀Al₀O,

ΟΔΟ

zwischen den drei horizontalen Linien der Darstellung sollte in detaillierteren Darstellungen ebenfalls möglich sein.

309832/0927

Um die optischen Eigenschaften von Granatschichten zu demonstrieren, wurden einige Ausführungsformen der in Fig. 1 dargestellten Art unter Verwendung verschiedener Granatzusammensetzungen gezüchtet, hergestellt und getestet. Speziell eines der Experimente umfaßte die Verwendung einer Eu GaJ -Schicht auf einem Gd Sc₀Al O₀-Substrat. Die Gitterkonstante des Eu„Ga_O --Materials beträgt 12.400 R und ist ziemlich genau der des Gd Sc-Al-fÖ Materials angepaßt, die 12.395 A beträgt. Die Schicht wurde nach dem oben beschriebenen Epitaxieschichtverfahren auf einem polierten Substrat von etwa 2 cm Länge auf eine Dicke von 2,4 Mikrometer gezüchtet. Die Schicht wurde als transparent, glatt, gleichförmig in Zusammensetzung und Dicke und frei von Nadellöchern befunden. Es wurde ein He-Ne-Laserstrahlenbündel mit einer Wellenlänge von 0,6328 Mikrometer mit Hilfe eines Rutil-Prismenkopplers in ein Ende der Schicht eingespeist. Fotografien zeigten, daß das Lichtstrahlenbündel durch die gesamte Schicht hindurchgeht und dann am entgegengesetzten Ende wieder in den Luftraum eintritt, wobei es an diesem Punkt einen hellen Fleck zurückläßt. Gleichartige Fotografien für Polykristalline

309832/0927

oder amorphe Schichten zeigen immer eine große Anzahl wahllos verteilter heller Flecken in der Nachbarschaft des Ausbreitungsweges des Strahlenbündels in der Schicht. Bei den Experimenten zeigte das vollständige Nichtvorhandensein dieser Flecken die überlegene optische Qualität von Granatfilmen in recht bemerkenswerter Weise.

In dieser Untersuchung wurden sechs, fünf, vier und zwei sich fortpflanzende TE-Polarisationsmoden bei Laserwellenlängen von 0,4880, 0, 5145, ü, 6328 bzw. I₄ 064 Mikrometern in der Schicht beobachtet. Aufgrund der gemessenen Synchronwinkel wurden die BrechungsIndizes der Schicht bei den obigen Laserwellenlängen als 1,9903, 1,9824, 1, 9667 bzw, 1,9408 bestimmt. Die entsprechenden Brechungeindizes des Substrats wurden als 1, 9295, 1, 9208, 1, 9098 bzw. 1,8915 bestimmt. Praktisch identische Indizes wurden in der Schicht für die TM-Polarisationsmoden beobachtet.

Die optischen Verluste in der Schicht wurden experimentell als etwa 5 dB/cm bestimmt und waren meist insgesamt Absorptionsverluste; die Verluste konnten wesentlich reduziert

309832/0927

¹⁹ 230A026

werden, und zwar durch eliminieren von Verunreinigungsionen im Kristall.

Die erfindungs gemäß verwendbaren reinen Eisengranatmaterialien sind ferrimagnetisch, weil das magnetische Moment der Eisen (Ill)-Ionen an den oktaedrischen Gitterplätzen der Granatkristallstruktur dem der Ionen an denietraedrischen Gitterplätzen entgegengerichtet ist. Da jede Granatformeleinheit zwei oktaedrische und drei tetraedrische Eisen (III)-Ionen umfaßt, ist das resultierende Magnetmoment einem Eisen (III)-Ion pro Einheit gleich. Durch Ersetzen der Eisen (III)-Ionen an einem der Gitterplätze durch nichtxnagnetische Ionen wird das magnetische Moment an diesem Platz reduziert. Bei teilweisem Ersetzen der Eisen (Ill)-Ionen in einer Y„Ga Fe O «,-Zusammensetzung durch Galliumionen wird die Zahl der Eisen (III)-Ionen an tetraedrischen Plätzen reduziert, wohingegen die an oktaedrischen Plätzen relativ unbeeinflußt bleibt. Folglich kann durch Erhöhen des Wertes von χ in der Eisen-Gallium-Anordnung die Rotationdispersion der Zusammensetzung von positiv bis negativ gemacht werden. Es können deshalb Granatmaterialien so herge-

309832/0927

stellt werden, daß sie eine relativ große Faraday-Drehung, aber ein geringes resultierendes Magnetmoment oder Magnetisierung aufweisen (beispielsweise wird dadurch, daß man in

Y Fe O12 25 % der tetraedrischen Eisen (Ill)-Ionen durch 3 ο

Gallium ersetzt, die Sättigungsmagnetisierung von 1770 Gauss (Y Fe O _o) auf 270 Gauss reduziert, wohingegen die Faraday-Drehung von 172 /cm (Y Fe O ) auf 112 /cm reduziert wird). Diese Eigenschaften sind für erfindungsgemäß ausgeführte optische Dünnschichtschalter und Modulationsvorrichtungen wichtig, wie sie in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt sind. Generell hängt der Modulationsgrad in den Vorrichtungen von der Faraday-Drehung ab, und die Magnetisierung bestimmt die zum Schalten oder Modulieren erforderliche HF-Leistung.

In Fig. 3 ist ein magnetooptischer Dünnschichtschalter und modulator dargestellt, der für hochwertigere Vorrichtungen in der integrierten Optik als wichtiger Baustein dienen könnte. Die Vorrichtung der Fig. 3 umfaßt eine transparente magnetische Granatdünnschicht 31, die aus reinem Eisengranat oder, was vorzuziehen ist, aus einem Galliumkompensierten Eisengranat material besteht und auf einem Granatsubstrat 32 mit einem

3098 32/092 7

niedrigeren Brechungsindex niedergeschlagen ist. Zur Ein- und Auskopplung eines Laserstrahlenbündels in die Schicht 31 und aus dieser sind Gitterkoppler 33 und 34 vorgesehen. Eine serpentinenförmige Mikroschaltung 35 ist auf der oberen Flache der Schicht 31 niedergeschlagen und mit einer geeigneten Schaltstromquelle verbunden. Zwischen den Kopplern 33 und 34 kann sich das Licht in der Schicht entweder als TE -Polarisations -welle oder als TM -Polarisationswelle ausbreiten. Es ist ein Polarisations analysator 36 angeordnet, um das durch den Koppler 34 aus der Schicht ausgekoppelte Lichtstrahlenbundel aufzunehmen und um entweder den TM-Mode oder den TE-Mode herauszugreifen.

Wenn ein Strom in die Schaltung 35 eingespeist wird, sind die durch zwei beliebige benachbarte Drähte in der Schaltung geführten Ströme einander entgegengerichtet, so daß sie in ihrer Nachbar-

schaft längs der Ausbreitungsrichtung des Lichtes in der Schicht ein raumlich alternierendes Magnetisierungsfeld erzeugen, üie Magnetisierung im magnetischen Granatfilm 11 nimmt dann, eine entsprechend räumlich alternierende Bereichsstruktur an. Bei geeigneter Auswahl der Periodenlange der Schaltung 35 wird

309832/0927

eine Eingangs-TE-Welle innerhalb einer kritischen Länge der Schicht kontinuierlich in eine TM-Welle umgewandelt. Andererseits kann eine Eingangs-TM-Welle kontinuierlich in eine TE-Welle umgewandelt werden. Wenn der Strom in der Schaltung 35 ausgeschaltet ist, bilden sich die Bereiche in der Schicht 31 in ihr ursprüngliches Muster zurück, und die resultierende magnetooptische Wirkung ist beseitigt. Läßt man das aus der Schicht 31 ausgekoppelte Laserstrahlenbündel durch den Analysator 36 hindurchgelangen, arbeitet die Vorrichtung als optischer Schalter. Gleichermaßen wird durch Anlegen eines Mikrowellenmodulationsstroaies an die Schaltung 35 das durch den Analysator 36 hindurchtretende Licht moduliert.

Die für die Schicht 31 der Fig. 3 verwendbaren Eisengranatmaterialien können so gezüchtet werden, daß ihre Achse gleich der Magnetisierung entweder parallel oder normal zur Schichtebene verläuft. Während der Züchtung der Schicht kann dadurch eine magnetische Anisotropie eingeführt werden, daß zwischen der magnetischen Granatschicht und dem Granatsubstrat eine leichte Fehlanpassung bezüglich der Gitterkonstanten und ein

30 9 832/0927

230A026

Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht. Wenn der normale magnetostriktive Koeffizient des Granatmaterials positiv ist, neigt darüber hinaus eine an die Schicht angelegte Dehnungsspannung dazu, die Achse gleich der Magnetisierbarkeit zur Schicht parallel zu machen. Dergleichen hilft die Dehnungsspannung die Achse leichter Magnetisierbarkeit zur Schicht normal zu machen, wenn der normale magnetostriktive Koeffizient negativ ist.

Um die Arbeitsweise der Ausführung der Fig. 3 ausführlicher zu erklären, seien zwei getrennte Fälle betrachtet. Im ersten Fall verläuft die Achse leichter Magnetisierbarkeit in der Eisengranatschicht 31 parallel zur Schichtebene und der an die Schaltung 35 angelegte Strom neigt dazu, die Schicht in der Ausbreitungsrichtung des LichtstrahlenbundeIs zu magnetisieren. Im zweiten Fall verläuft die Achse leichter Magnetisierbarkeit in der Schicht 31 normal zur Schicht und der angelegte Strom neigt dazu, die Schicht normal zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahlenbundels zu magnetisieren.

In beiden Fällen sei das in Fig. 3 dargestellte Koordinatensystem

309832/0927

weist eine TE-V. eile lediglich die Feldkomponenten Ey, Hz und Hx auf, wohingegen eine TM-"Welle lddiglich die Feldkomponenten Hy, Ez und Ex enthält. Es sei angenommen, daf? das Lichtstrahlen bündel in y-Richtung unendlich breit ist, so dai eine eindimensionale Näherung (d/dy) « 0 eingeführt werden kann. Die Indizes 0,1 und 2 werden für das Substrat, die Schicht bzw. den oberhalb der Schicht befindlichen Luftraum verwendet, (0), (1), (2), ... (n) für die Ordnungen der Wellenleitermoden. A (x) und B (x) sind die Amplituden der TE- bzw. TM-V*eilen, und sie variieren aufgrund des magnetooptischen Effekts etwas bezüglich x. Vo irgend wo eine Unklarheit auftreten kann, wird ein Index E für die TE-Wellen und ein Index ]Vi für die TM-Weilen zugefügt.

>c uud £, seien die magnetische und die dieelektrische Permeabilität im freien Raum. Dann beträgt die Phasenkonstante im freien Raum

1/2
k * U) (JJU¹C ) ' wobei U) die Winkelfrequenz des Lasers ist.

Es erleichtert die Sache, an der oberen und unteren überflache der Schicht Z ■ Vi und Z * 0 zu setzen. Die Felder der normalen Moden in einem Dünnschichtwellenleiter können nun folgendermaßen ge schrieben werden:

309832/0927

Gleichermaßen für einen TM- Mode m-ter Ordnung

^B(m) ^{W CM} 'V)M² "»ΙΟ

Für einen TE-Mode n. ter Ordnung

^Ey ^β V) ^{{X) COS (D}(m)E^Z -

Η_χ - ( - iw/i)"¹ d/dZ (E ) (2)

H » (iw/L·)"¹ d/dX (E ) (3)

ζ y

2 ■ 2
(m)E * 1^# (m)E (4)

- (kn/

^tan ^10ME * ^P(m)E^/b(m)E (6)

303832/0927

dZ

— HY

Hy

2 η Ε

(8) (9)

(m)M

(m)M

(10)

2 2 2

(m)M (m)M ο

(H)

tan(),_n/ ..., » (η,/η ) p. _x.Jb 10(m)M 1' o' ^(m)M'

(m)M

(12)

Bei der Ableitung der obigen Ausdrücke für die normalen Moden wurden magnetische Linear- und Drehdoppelbrechung in der Schicht vernachlässigt und folglich hat die Schicht einen Brechungs index η und das Substrat einen Brechungsindex η . Insofern wurden alle Materialien als optisch isotrop betrachtet.

Für den ersten Fall verläuft die Magnetisierung in der Schicht in χ-Richtung. Um die Drehdoppelbrechung der Schicht einzu-

309832/0927

schließen, wird ein dielektrischer Tensor eingeführt, der die elektrische Verschiebung mit dem elektrischen Feld in den Maxwell-Gleichungen verbindet gemäß dem folgenden:

D	Z	1	ί '	n	iS	0	2	1	i E	X
	D -i ' if y ;
		0			ί
	D 0		2	0	. ι Ε ! y I i
X		' E
	η

wobei <f in die Faraday-Drehung, θ umgewandelt werden kann, und zwar durch

θ - I k<f Jn₁ (14)

Setzt man Gleichung (13) in die Maxwell-Gleichungen ein und verwendet man die Bedingung d/dy * 0, so ergibt sich, daß die Komponente E der TE-Weile mit der Komponente E der TM-Weile gekoppelt werden kann. Nach einigem Rechenaufwand zeigt sich

309832/0927

V)E ^C ^A<^{ni) (15)}

—\ j ^F(m) (m') ^B(m') ^{(x) exp} Lⁱ⁽V")M"V)E^J

ⁿi

ⁿi

dabei ist

\ E _/ E , dZ

j „ y(m) z(m )

^F(m)(m·)=

E ². dZ / E ². . dZ y (ni) ; ζ (m)

3 j _ i-v.

309832/0927

V)M ^- V')^(X)= ' (16)

der Füllfaktor, der angibt, daß die Kopplung zwischen den TE. .-

und TM, , .-Moden von deren relativen Feldverteilungen in
(m )

Z-Richtung abhängt. Es ist unmittelbar aus den Gleichungen

(15) und (16) ersichtlich, daß die Kopplung nur für fe. ._ *

ß. ,. wirksam ist. Dies sind die Phasenkonstanten der oben

betrachteten TE. .-bzw. TM, ,. -fellen. Außer für eine
(m) (m')

shhr kleine Linear- und Rotationsdispersion sind die Granatmaterialien grundsatzlich von kubischem Aufbau und ß. »_
kann nicht gleich ß. ,. gemacht werden. Dies ist aus Fig. 4 der Zeichnung ersichtlich. Dort zeigt die Darstellung der Film dikke als Funktion von ii/k für ein Materialbeispiel wie Y Fe O _ zwei verschiedene Kurven für sich in der Schicht ausbreitende TE. .- und TM. .-Wellen. Die Wellen breiten sich in der Schicht mit verschiedenen Wellengeschwindigfceiten aus, da die Felder an den beiden Hauptschichtflächen für eine Anpassung der Randbedingungen notwendigerweise E und H im Fall der TE - Welle
bzw. H und E im Fall der TM-W eile sind. Eine versuchte Um-

y *

Wandlung der TE-Welle in eine TM-W eile wird gering sein, da die umgewandelte TM-Welle eine Phase hat, die nicht übereinstimmt mit der der TE-W eile, aus der sie erzeugt ist. Deshalb funktioniert die betrachtete Vorrichtung nicht, es sei denn, es

309832/0 927

wird eine serpentinenartige magnetisierende Schaltung wie die Schaltung 35 vorgesehen.

Die Periode der Schaltung 35 ist so gewählt, daft S im dielektrischen Tensor der Gleichung (13) folgende Form annimmt:

ζ cos (ß, _ltl -ß, ,._.) ζ (18)

ο (m)E (m )M

Eine solche Schaltung zwingt die Magnetisierung in die Ebene der magnetischen Schicht und erzeugt somit eine Faraday-Drehung in der Schicht, die in χ-Richtung mit einer Phase variiert, die gleich der Phasenfiifferenz zwischen den TE- und TM-Wellen ist, wie in Gleichung (IB) gezeigt ist. Diese neu eingeführte und zur Phase der konvertierten TM Welle zugefügte Phase ergibt eine resultierende Phase, die mit der der TE -ty eile übereinstimmt. Dies ermöglicht eine vollständige und wirksame Modenumwandlung in der Schicht.

Setzt man die Gleichung (18) in die Gleichungen (15) und (16) und verwendet man geeignete Ausgangsbedingungen, so ergibt sich

3 0 9 8 3 2/0927

_{i s} ^L'(iu')3Vi

Πα kn.

■<^u»

[f

^(2U)

Es ist somit zu sehen, dal. eine Tl'J. .-V eile vollständig in eine

TAi. ,.-V. eile unigewanüelt wird in einerii kritischen Abstand (m )

in der schicht von folgender Form:

-1

(21)

Iiii zweiten Fall verläuft die Schichtmagnetisierung normal zur schicht in der ζ-Richtung, und der dielektrische Tensor verknüpft die Beziehung

' D

= c

- iS O 2

iff

UUn

(22)

309832/0927

In diesem Fall koppelt der magnetooptische Effekt das E -Feld der TE-Meile mit dem E -Feld der TM-Welle. Nach einer Be-

rechnung, die der für den ersten Fall gleich ist, ergibt sich die kritische Länge für eine vollständige Umwandlung einer TE-Welle in eine TM-Welle zu

,¹/?, ß, V?L/b, ,JKA«' MF, w (m)E (m )M' (m )M 1' ο (m)(m

Als spezielles Beispiel der Ausführungsart der Fig. 3 sei eine Y„Fe Ö _o -Schicht mit einer Dicke von 1, 5 Mikrometern auf einem Gd„Ga_KO -Substrat betrachtet. Die Achse leichter Magnetisierbarkeit liege in der Schichtebene, so daß die Berechnungen für den ersten Fall anwendbar sind. Bei einer Laserwellenlänge von 1,52 Mikrometern sind η * 1, 000, η « 2,1400 und η = 1, 9400. Die Grundmoden sowohl der TE- als auch der TM-Wellen seien so betrachtet, daß m « m' = 0, und F._fi. ._. "* 1 ist. Um die in diesem Beispiel erforderliche Periode der Serpentinenschaltung zu ermitteln, wird die Darstellung der Schichtdicke als eine Funktion von ß/k für das Schichtmaterial sowohl für die TE. .-als auch die TM. .-Wellen, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, verwendet. Für eine Schichtdicke von 1,5 Mikrometern ergibt sich

309832/0927

aus Fig. 4 (ß_(0)E - ß_(0)M)/k - 4 (ß/k) - O, 006. Die Periode der Mikroschaltung ist somit gegeben durch

T * -A: (24)

Δ (ß/k)

Für dieses Beispiel ist λ » 1,52 Mikrometer und T * 254 Mikrometer. Bei der Y Fe O -Schicht beträgt die Faraday-Drehung Θ· ■ 1, 72 /cm. Man kann zeigen, daß für eine vollständige Umwandlung der TE-Welle in eine TM-Welle eine kritische Länge L von etwa 5 mm erforderlich ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können von einem Fachmann zahleeiche Variationen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt werden. Zum Beispiel: da eine metallische Mikroschaltung der in Fig. 3 dargestellten, direkt auf der Eisengranatschicht gebildeten Art zusätzliche Verluste für die hierin sich fortpflanzende Lichtwelle ergeben kann, kann die Schicht mit einer anderen Schicht aus dielektrischem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex beschichtet und darauf die Schaltung hergestellt werden. Andererseits kann die Schaltung auf einem getrennten Glassubstrat niedergeschlagen werden, das dann über der Eisengranatschicht angeordnet wird, wobei ein

309832/0927

gleichförmiger Luftspalt von einigen Mikrometern zwischen der Granatschicht und der Schaltung bleibt. Es mag auch mög-

lieh sein, eine zweite serpentinenförmige Schaltung mit einer etwas unterschiedlichen Periode über der in Fig. 3 gzeigten Schaltung 35 anzuordnen. Wenn kein Strom in der Schaltung 35 ist, kann er in die zweite Schaltung gebracht werden. Die Schaltaktion umfaßt dann lediglich kleine Verschiebungen der Bereichswände in der Schicht, so daß das zur Erzeugung dieser Bewegungen erforderliche Magnetisierungsfeld minimisiert werden kann.

Desweiteren ist es für eine Modulation des Lichtes in der Ausführungsform der Fig. 3 wahrscheinlich wünschenswert, Mikroschaltungen der in Fig. 5 der Zeichnung gezeigten Art zu verwenden. Bei einer parallel zur Schichtebene liegenden Achse leichter Magnetisierbarkeit bewirkt hier ein Gleichstrom, der in die gestrichelt gezeichnete Schaltung 57 eingespeist wird, eine Magnetisierung der Schicht in einer der parallel zur Schichtverlaufenden Richtungen leichter Magnetisierbarkeit. Dann be wirkt ein in die durchgezogen dargestellte Schaltung 55 eingespeister Mikrowellenstrom eine Verschwenkung der Magnetisierung

309832/0927

in eine andere leicht magnetisierbar Richtung, die parallel zur Richtung der Lichtwellenausbreitung verläuft und eine magnetooptische Kopplung erzeugt, die mit der angelegten Mikrowellenfrequenz variiert.

Bei einer noch anderen Variation der beschriebenen Ausführungs arten kann es möglich sein, in der Granatschicht eine Verstärkung zu erhalten, während das Lichtstrahlenbündel sich hierin ausbreitet. Es sind bereits in Y₀Pe_0, „-Materialien, die mit Holmium-Ionen dotiert waren und mittels einer Wolframlampe angeregt wurden, Laserschwingungen bei 2, 09 Mikrometer beobachtet worden. Es wurde gezeigt, daß der Laserwirkungsgrad weiter verbessert werden kann, wenn man Erbium- und Thulium-

+3 Ionen hinzufügt. Beispielsweise dient eine mit 5 % Er , 5 %

+3 +3

Tm und 2 % Ho dotierte Y Fe O₁ „-Schicht im magnetoopti sehen Schalter der Fig. 3 sowohl zum Schalten oder Modulieren des Lichtes als auch zur Erzeugung einer elektronischen Verstärkung in dem Medium.

309832/0927

Claims (6)

1. ³⁶ 2304028

   PATENTANSPRÜCHE

   l) Optische Wellenleitervorrichtung in Dünnschichtausführung mit einem ersten Körper aus optisch transparentem Material, der als Substrat für einen zweiten Körper aus optisch transparentem Material dient, dessen Brechungsindex höher als der des ersten Körpers ist und der mit zwei glatten Haupt flächen versehen ist, die voneinander einen Abstand in der Größenordnung der Wellenlänge der hierin geführten Strahlung haben,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß beide Körper (12, 32 und 11, 31) aus Granatkristallmaterial bestehen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Granatkristallmaterialien beider Körper einkristalline Zusammensetzungen der allgemeinen Formel RBO sind, in der R ein Ion aus der Gruppe Yttrium, Lanthan, Wismut und Seltene-Erden mit einer Atomzahl von 60 bis 71 und B ein Ion

   30983 2/0927

   aus der Gruppe, Eisen, Gallium und Aluminium bedeuten.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Granatkristallmaterial des zweiten Körpers eine eisenhaltige ferrimagnetische Granatzusammensetzung ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine serpentinenförmige Mikroschaltung (35) auf einer der Hauptflächen des magnetischen zweiten Körpers gebildet ist, um einen Strom- zu fähren, der dazu ausreicht, eine räumlich periodische Veränderung in der Magnetisierung des Körpers in der Ausbreitungsrichtung der geleiteten Strahlung zu erzeugen.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in der serpentinenförmigen Schaltung geführte Strom ein Gleichstrom ist zur kontinuierlichen Schalten der Polarisationsmoden der sich im zweiten Körper ausbreitenden geleiteten Welle.

   309832/0927
6. 6. _fc Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeictnet, daß der in der serpentinenförmigen Schaltung geführte Strom ein frequenzveränderlicher Mikrowellenstrom ist zur Modulation der geleiteten Welle entsprechend der angelegten Mikrowellenfrequenz.

   309832/0927