DE2304026C2

DE2304026C2 - Optische Wellenleitervorrichtung in Dünnschichtausführung

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Publication number: DE2304026C2
Application number: DE2304026A
Authority: DE
Inventors: Stuart Lawrence Madison N.J. Blank; Roy Conway Summit N.J. LeCraw; Hyman Joseph Berkeley Heights N.J. Levinstein; Ping King Chatham Township N.J. Tien; Lawrence John Watchung N.J. Varnerin jun.; Stuart Harry Chatham Township N.J. Wemple; Raymond New Providence N.J. Wolfe
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-02-02
Filing date: 1973-01-27
Publication date: 1982-06-03
Also published as: SE389563B; JPS4888945A; AU5158473A; FR2170141A1; US3764195A; IT974465B; JPS6011327B2; NL7301311A; FR2170141B1; GB1415755A; AU464213B2; BE794853A; CA968203A; DE2304026A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine optische Wellenleitervorrichtung in Dünnschichtausführung der im Oberbegriff so des Anspruches 1 angegebenen Art

Für bereits vorgeschlagene 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 Dünnschichtwellenleitern und zugeordneten optischen Vorrichtungen geführt, analog zu den Rechteckhohlleitern 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 Übertragungseigenschäften haben und auch geeignet sind für 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, 48 (1969), 2059.

Frühe Arbeiten zur Entwicklung geeigneter optischer Materialien umfaßten die Verwendung zahlreicher kristalliner Materialien für Dünnschichten, von denen die bedeutendsten Zinkoxid und Zinksulfid waren. Untersuchungen haben jedoch gezeigt daß Dünnschichten aus Zinkoxid und Zinksulfid aufgrund der polykristallinen Struktur dieser Materialien übermäßig hohe Streuverluste für optisch geführte Wellen aufweisen (vgL US-PS 35 86 872). Anschließende Untersuchungen an Einkristallschichten von Materialien wie unsubstituiertes oder substituiertes Galliumarsenid, ζ. Β. Galliumaluminiumarsenid mit wechselnden Al-Anteilen, zeigten eine gewisse Verbesserung bezüglich der Streuverluste, ergaben jedoch noch unzufriedenstellend hohe Verluste in den Schichten wegen der hohen Ladungsträgerkonzentration in den Materialien. Darüber hinaus hat der hohe Brechungsindex der Galliumarsenidmaterialien (ungefähr 3,6) die Anwendung dor Schichten für optische Wellenleiter in Dünnschichtausführung recht schwierig gemacht Das Anwendungsgebiet einkristalliner, substituierter und unsubstituierter Galliumarsenidmaterialien blieb daher auf lichtemittierende Dioden und Injektionslaser beschränkt (vgl. z. B. Hayashi et al. in Journal of Applied Physics,41 [1970], 150).

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen optischen Dünnschichtleiter mit niedrigen Streu- und Absorptionsverlusten bereitzustellen, wobei zugleich die Möglichkeit eröffnet werden soll, die in der Dünnschicht geführten Lichtwellen gezielt beeinflussen zu können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung basiert auf dem Umstand, daß — wie gefunden wurde — zahlreiche synthetische Granatmaterialien ideale optische und magnetische Eigenschaften für integrierte optische Schaltungsanordnungen aufweisen. Einkristalline Sftltene-Erden-Granatdünnschichten, die auf Granatsubstraten niedergeschlagen sind, bilden ideale optische Leiter für sichtbare und dem sichtbaren Bereich benachbarte Wellenlängen, und zwar im wesentlichen unter niedrigen Streu- und Absorptionsverlusten für optisch geführte Wellen.

Betroffene Granatzusammensetzungen entsprechen der allgemeinen Formel

R₃M₅Oi₂,
in der bedeuten

R Yttrium, Lanthan, Wismut oder eine Seltene Erde der Ordnungszahl 60 bis 71 oder eine Mischung aus diesen Seltenen Erden untereinander oder mit Yttrium, Lanthan oder Wismut

M Eisen, Gallium, Aluminium oder Mischungen hiervon und

O Sauerstoff.

Generell werden Dünnschichten auf ähnlichen, jedoch niedriger brechenden Granatsubstraten gezüchtet. Die Dünnschichten haben eine Dicke, die im Wellenlängenbereich der in ihnen geführten Strahlung liegt

Die betroffenen Materialien waren bisher lediglich als Ferrimagnetika, insbesondere zur Verwendung bei Mikrowellen-Dünnschichtschaltungen, bei magneti-

sehen Wandlern, magnetooptischen Vorrichtungen, Farradayrotatoren und dergleichen bekannt (siehe FR-PS 15 26 482). Es wurde bisher aber nicht erkannt, daß mit diesen Materialien nachgerade ideale optische Dünnschichtwellenleiter aufgebaut werden können.

Die Verwendung magnetischer, d.h. eisenhaltiger Granatmaterialien in den Dünnschichten führt zu zahlreichen magnetischen Dünnscliichtbauelementen, die für integrierte optische Schaltungen verwendbar sind. Die betroffenen eisenhaltigen Granate können entsprechend der oben angegebenen allgemeinen Formel beschrieben werden durch die Zusammensetzung R₃Fe₅-,(GaAl)*Oi2 mit χ < 5.

Beispielsweise läßt sich ein magnetooptischer Dünnschichtschalter- und Modulator dadurch realisieren, daß eine leitende Dünnschicht aus einer Eisengranatzusammensetzung mit einem niedergeschlagenen serpentinenförmigen MikroStromkreis versehen wird, durch den ein elektrischer Strom geschickt wird. Man kann damit z. B. bei Gleichstromzufuhr ein Umschalten zwischen Lichtwellen, die sich in der Schicht in TE-Polarisationsmoden ausbreiten, und solchen, die sich in TM-Polarisationsmoden ausbreiten, erreichen. Führt man Wechselstrom zu, dann kann man das geführte Licht modulieren.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung beschrieben; es zeigt F i g. 1 eine Schrägansicht eines Ausführungsbeispiels,

Fig.2 die Darstellung des Brechungsindex zahlreicher Granatzusammensetzungen in Abhängigkeit von deren Gitterkonstanten,

Fig.3 eine Schrägansicht eines magnetooptischen Dünnschichtschalters und -modulators als weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig.4 eine Darstellung der Schichtdicken als Funktion des Parameters ß/k und

F i g. 5 eine bei den vorliegenden Ausführungsformen verwendbare modifizierte Mikroschaltungsanordnung.

In F i g. 1 ist ein optischer Dünnschichtwellenleiter gezeigt, der eine niedergeschlagene Schicht U aus transparentem Granatmaterial auf einem Substrat 12 aus ebenfalls transparentem, jedoch niedriger brechendem Granatmaterial aufweist Die Schicht 11 hat eine Dicke, die im Bereich der Wellenlänge der Strahlung liegt, die in ihr fortgepflanzt werden soll, so daß die Strahlung effektiv auf diese Abmessung wegen der dielektrischen Diskontinuität an den Begrenzungsflächen der Schicht, d. h. an der Substrat/Schicht-Grenzfläche und an der Luftraum/Schicht-Grenzfläche, begrenzt ist Für die vorlegenden Zwecke können die Schichtdikken zwischen 0,1 und 100 Wellenlängen 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 unbeschränkt

Prismenkoppler 13 und 14 koppeln die Strahlung in die Schicht ein und aus dieser aus. Die Strahlung ist im Regelfall kohärent, liegt im optischen Bereich und kann von jeder geeigneten Quelle, z. B. einem Laser, geliefert werden. Es kann noch eine Verwendungseinrichtung vorgesehen sein, die die ausgekoppelte Strahlung aufnimmt; und es können, falls erforderlich, noch Polarisatoren für die ankommende oder abgehende Strahlung vorgesehen sein (nicht dargestellt).

Die speziell dargestellten Koppelprismen 13 und 14 sind ausführlich beschrieben in Applied Physics Letters, 14 (1969), 291. Es sind auch andere Koppler verfügbar, beispielsweise Gitterkoppler, bei denen spezielle Beugungsgitter direkt auf der Oberfläche der lichtleitenden Schicht gebildet und strukturell mit dieser integriert sind. Gitterkoppler sind aufgrund ihrer Volumen- und Massenverringerung für integrierte optische Schaltungsvorrichtungen bevorzugt, weim Miniaturisierung und Vereinfachung wichtig sind. Ein Gitterkoppler ist in der Ausführungsform der F i g. 3 gezeigt

Die Grundarten der vorliegend verwendbaren Granatmaterialien wurden bereits 1956 beschrieben (siehe Compte-Rendus 42 [1956], 382). Die bekannteste Granatzusammensetzung ist der Yttriumeisengranat (YEG). Er hat die Zusammensetzung Y3Fe5Oi2 und ist ferromagnetisch. Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften waren die Eisengranatmaterialien in jüngster Zeit Gegenstand umfangreicher theoretischer und experimenteller Arbeiten, insbesondere in Verbindung mit den sogenannten Magnetblasenbauelementen (siehe z. B. Appl. Phys. Lett 18 [1971], 89). Als Ergebnis dieser Arbeiten versteht man die Züchtungseigenheiten zahlreicher Granatarten nunmehr recht gut Außerdem gibt es etliche Methoden zum Züchten sowohl magnetischer als auch unmagnetischer Granatkristalle in guten Abmessungen und hervorragender Einkristallqualität

Es wurde gefunden, daß massive einkristalline Seltene-Erden-Gallium-Granate und Seltene-Erde-AIuminiumgranatc der betroffenen Zusammensetzung im gesamten optischen Wellenlängenbereich praktisch vollkommen durchsichtig sind und für optisch geführte Wellen vernachlässigbare Verluste (Streuung und Absorption) zeigen. Diese unmagnetischen Granate sind deshalb zur Verwendung in Bauelementen der in F i g. 1 dargestellten Art höchst geeignet. Es wurde gefunden, daß geeignet gezüchtete Seitene-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 Dämpfungswerte von Eisengranatschichten heben sich von den großen Verlusten von bis zu 60 dB/cm in vergleichbaren Zinkoxidschichten und 10 dB/cm in vergleichbaren Galliumarsenidschichten bei vergleichbaren Wellenlängen vorteilhaft ab.

Generell gilt, daß der Brechungsindex der Schicht 11 größer als der des Substrats 12 sein muß. Bei einer Laser-Wellenlänge von 1,52 Mikrometern beispielsweise haben alle Seltene-Erden-Eisengranatmaterialien einen Brechungsindex von 2,22 ±0,02 und der Brechungsindex von Seltene-Erden-Gallium- und -Aluminiumgranaten liegt etwa bei 1,94 ±0,02 bzw. 1,82 ±0,02. Die Substitution der Seltene-Erden-Ionen in den Granatzusammensetzungen durch andere Seltene-Erden-Ionen hat typischerweise keine Auswirkung auf den Brechungsindex des Materials, ist jedoch für andere, nachstehend beschriebene Zwecke nützlich. Beispiele für die Ausführungsform nach F i g. 1 sind Eisengranatschichten auf Gallium- oder Aluminiumgränatsubstraten sowie Galliumgranatschichten auf Aluminiumgranatsubstraten. Der Brechungsindex der Schicht und/oder des Substrats kann stufenlos verändert werden durch entsprechendes teilweises Ersetzen der Seltene-Erden-, Eisen-, Gallium- oder Aluminiumionen durch andere Ionen, die den Brechungsindex des Materials ändern. Beispielsweise haben Granate der Formel RsSc₂Al₃Oi₂ ejien Brechungsindex von 1,87 ±0,02, der größer als der reiner Aluminiumgranate ist. Die Flexibilität, die für die Verwendung der betroffenen Granatzusammensetzungen bei Dünnschichtlichtleitern vorhanden ist, ist

offensichtlich.

Obwohl verschiedene Methoden zur Erzeugung größerer Granatschichten hoher Vollkommenheit verfügbar sind, sind Epitaxieverfahren, speziell Flüssigphasenepitaxie-Verfahren (LPE-Verfahren) bevorzugt. Hierbei wird ein mechanisch poliertes und chemisch geätztes Einkristallgranatsubstrat in eine Schmelze getaucht, die sich auf einer Temperatur unterhalb 1000⁰C befindet und eine Lösung Seltene-Erden-Oxide und Eisen-, Gallium- oder Aluminiumoxiden in einem Flußmittel aus etwa 98% PbO und 2% B₂O₃ enthält. Die Substratkristalle werden gewöhnlich aus einer meist stöchiometrischen, großvolumigen Schmelze im Czochralski-Verfahren gezüchtet. Vergleiche zu alledem Applied Physics Letters, Band !9, 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 auf der Substrat-Oberfläche ein gleichförmiger Niederschlag, der eine glatte, homogene und gleichmäßig dicke Epitaxieschicht bildet. Es kann eine reproduzierbare Schichtdicke einfach dadurch erhalten werden, daß die Dauer des Züchtungsprozesses gesteuert wird.

Bei Epitaxieverfahren ist es notwendig, die Gitterkonstanten von Schicht und Substrat etwa auf 0,001 bis 0,002 nm anzugleichen, um Schichten mit guten optischen Eigenschaften zu erhalten. Dieses ist aus zwei Gründen für Granatmaterialien relativ einfach. Erstens kristallisiert das Granatmaterial grundsätzlich kubisch, so daß nur ein Gitterparameter anzugleichen ist. Zweitens weisen die Granate mit verschiedenen Seltene-Erden-Ionen einen weiten Bereich von Gitterkonstanten auf. Tatsächlich kann durch teilweises oder vollständiges Ersetzen des Seltene-Erden-Ions in der Granatzusammensetzung der Schicht oder des Substrats durch andere Seltene-Erden-Ionen die Gitterkonstante für die Materialien in einem bestimmten Bereich kontinuierlich geändert werden. Bekanntlich nimmt die Größe, d. h. der Ionenradius, des Seltene-Erden-Ions mit zunehmender Ordnungszahl ab. Außerdem ist die Zunahme der Gitterkonstanten des Granatmaterials im wesentlichen direkt proportional zur Vergrößerung des lonenradius des Seltene-Erden-Ions. Die Granatgitterkonstanten nehmen deshalb mit zunehmender Ordnungszahl des Seltene-Erden-Ions ab.

Um einige der oben beschriebenen Eigenschaften der betroffenen Granatmaterialien zusammenzufassen, sind in Fig.2 die Brechungsindizes verschiedener Seltene-Erden-Zusammensetzungen bezüglich der Laserwellenlänge von 132 Mikrometer als Funktion der Gitterkonstante in angenäherter Weise dargestellt Diese Darstellung ist bei der Auswahl geeigneter Granatzusammensetzungen für Dünnschichtwellenleiter der in F i g. 1 dargestellten Art hilfreich.

Es sei darauf hingewiesen, 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, Ordnungszahl = 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, Ordnungszahl = 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 Bedingung für epitaktische Züchtung zu erfüllen, braucht man für die Schicht und das Substrat lediglich Granatzusammensetzungen zu wählen, die auf derselben vertikalen Linie des Diagramms liegen. Um auch das Erfordernis der

ίο optischen Leitung dadurch sicherzustellen, daß der Brechungsindex der 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 Verhältnis der beiden in der Zusammensetzung erforderlichen Ionen an. Beispiels weise wären die folgenden Zusammensetzungen ver wendbar:

Schicht

Substrat

Y₃Fe₅O₁₂ Y₃Ga₅O₁₂ Gd₂₃Tb_0-7Fe₅Oi₂

Gd₃Ga₅O₁₂ Nd₃Al₅O₁₂ Sm₁₂Nd₁₈Ga₅Oi₂

Eine Wahl der teilweise substituierten Granate wie R3SC2AI3O12 zwischen den drei horizontalen Linien der Darstellung ist bei detaillierteren Darstellungen ebenfalls möglich.

Um die optischen Eigenschaften von Granatschichten zu demonstrieren, wurden einige Ausführungsformen der in F i g. 1 dargestellten Art unter Verwendung verschiedener Granatzusammensetzungen gezüchtet, hergestellt und getestet Speziell eines der Experimente umfaßte die Verwendung einer Eu₃Ga5Oi2-Schicht auf einem Gd₃Sc₂Al3Oi₂-Substrat Die Gitterkonstante von Eu3GasOi2 beträgt 12 400 nm und ist ziemlich genau der von Gd₃Sc₂Al₃Oi₂ angepaßt, die 12 395 nm beträgt Die Schicht wurde 2,4 μΐη dick nach dem oben beschriebe nen Epitaxie verfahren auf einem polierten Substrat von etwa 2 cm Länge gezüchtet Die Schicht wurde als transparent glatt gleichförmig in Zusammensetzung und Dicke und frei von Nadellöchern befunden. Es wurde ein He-Ne-Laserstrahlenbündel einer Wellen länge von 0,6328 μπι mit Hilfe eines Rutil-Prismenkopp- lers in ein Ende der Schicht eingespeist Fotografien zeigten, daß das Üchtstrahienbündei 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 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 Nichtvor-

handensein dieser Flecken die überlegene optische

Qualität von Granatschichten in recht bemerkenswerter

Weise.

Es wurden dabei sechs, fünf, vier und zwei sich

fortpflanzende TE-Polarisationsmoden bei Laserwellenlängen von 0,4880, 03145, 0,6328 bzw. 1,064 um 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 Brechungsindizes des Substrats wurden als 1,9295, 1,9208,1,9098 bzw. 1,8915 bestimmt. Praktisch identische Indizes wurden in der Schicht für die TM-Polarisations- "> moden beobachtet. (Der Synchron winkel ist definiert als jener Einfallswinkel gegen die Normale der auf der Schicht in geringem Abstand angeordneten Fläche eines Kopplungs-Prismas, unter welchem eine Anregung eines bestimmten Modes im Wellenleiter erfolgt und i< > damit eine Kopplung zwischen Prisma und Schicht gegeben ist. Vergleiche Journal of the Optical Society of America, Oktober 1970,Seiten 1325-1337.)

Die optischen Verluste in der Schicht wurden experimentell als etwa 5 dB/cm bestimmt und waren π meist insgesamt Absorptionsverluste: die Verluste konnten wesentlich durch Eliminieren von Verunreinigungsionen im Kristall reduziert werden.

Die ebenfalls verwendbaren reinen Eisengranatmaterialien sind ferrimagnetisch, weil das magnetische 2» Moment der Eisen(IIl)ionen an den oktaedrischen Gitterplätzen der Granatkristallstruktur dem der Ionen an den tetraedrischen Gitterplätzen entgegengerichtet ist. Da jede Granatformeleinheit zwei oktaedrische und drei tetraedrische Eisen(lll)ionen umfaßt, ist das 2·> resultierende Magnetmoment einem Eisen(III)ion pro Einheit gleich. Durch Ersetzen der Eisen(IH)ionen an einem der Gitterplätze durch nichtmagnetische Ionen wird das magnetische Moment an diesem Platz reduziert. Bei teilweisem Ersetzen der Eisen(lll)ionen in v> einer Y₃GaVFe₅- *Οι 2-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 im Eisen-Gallium-System die Rotationdispersion der Zusammensetzung von positiv bis negativ gemacht werden. Es können deshalb Granatmaterialien so hergestellt werden, daß sie eine relativ große Faraday-Drehung, aber ein geringes resultierendes Magnetmoment oder Magnetisierung aufweisen. [Beispielsweise wird dadurch, daß man in Y₃Fe₅Oi₂ 25% der tetraedrischen Eisen(III)ionen durch Gallium ersetzt, die Sättigungsmagnetisierung von 0,177OT (1770Gauss) (Y₃Fe₅Oi₂) auf 0,027OT (270 Gauss) reduziert, wohingegen die Faraday-Drehung « von 172°/cm (Y₃Fe₅Oi₂) auf 112°/cm reduziert wird] Diese Eigenschaften sind für die optischen Dünnschichtschalter und Modulationsvorrichtungen nach Fig.3 wichtig. Generell hängt der Modulationsgrad in den Vorrichtungen von der Faraday-Drehung ab, und die Magnetisierung bestimmt die zum Schalten oder Modulieren erforderliche HF-Leistung.

Fig.3 zeigt einen magnetooptischen Dünnschichtschalter und -modulator, der für hochwertigere Vorrichtungen in der integrierten Optik als wichtiger Baustein dient Die Vorrichtung der F i g. 3 umfaßt eine transparente magnetische Granatdünnschicht 31, die aus reinem Eisengranat oder, was vorzuziehen ist, aus einem galliumkompensierten Eisengranatmaterial be steht und auf einem niedriger brechenden Granatsubstrat 32 niedergeschlagen ist Zur Ein- und Auskopplung eines Laserstrahlenbündels in die Schicht 31 und aus dieser sind Gitterkoppler 33 und 34 vorgesehen. Ein serpentinenförmiger Mikrostromkreis 35 ist auf der Oberseite der Schicht 31 niedergeschlagen und mit einer Schaltstromquelle verbunden. Zwischen den Kopplern 33 und 34 kann sich das Licht in der Schicht entweder als TE-Polarisationsweüe oder als TM-Polarisationswelle ausbreiten. Es ist ein Analysator 36 nachgeschallet, um das durch den Koppler 34 aus der Schicht ausgekoppelte Lichtstrahlenbündel aufzunehmen und um entweder den T M-Mode oder den TE-Mode herauszugreifen.

Wenn ein Strom in den Stromkreis 35 eingespeist wird, sind die durch je zwei benachbarte Drähte in der Schaltung geführten Ströme einander entgegengerichtet, so daß sie in ihrer Nachbarschaft längs der Ausbreitungsrichtung des Lichtes in der Schicht ein räumlich alternierendes Magnetisierungsfeld erzeugen. Die Magnetisierung in der Granatschicht 11 nimmt dann eine entsprechend räumlich alternierende Bereichsstruktur an. Bei geeigneter Auswahl der Periodenlänge der Schaltung 35 wird 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-WeIIe 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 sonst resultierende magnetooptische Wirkung ist beseitigt. Läßt man das aus der Schicht 31 ausgekoppelte Laserstrahlenbündel durch den Analysator 36 hindurchlaufen, dann arbeitet die Vorrichtung als optischer Schalter. Gleichermaßen wird durch Anlegen eines Mikrowellenmodulationsstromes 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 Vorzugsmagnetisierungsachse entweder parallel oder normal zur Schichtebene verläuft. Während der Züchtung der Schicht kann eine magnetische Anisotropie dadurch eingeführt werden, daß zwischen der magnetischen Granatschicht und dem Granatsubstrat eine leichte Fehlanpassung bezüglich der Gitterkonstanten und ein Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht. Wenn der normale magnetostriktive Koeffizient des Granatmaterials positiv ist, neigt darüber hinaus eine auf die Schicht ausgeübte Zugspannung dazu, die Vorzugsmagnetisierungsachse zur Schicht parallel zu machen. Desgleichen hilft die Zugspannung die Vorzugsmagnetisierungsachse zur Schicht senkrecht zu machen, wenn der magnetostriktive Koeffizient in Normalenrichtung negativ ist

Um die Arbeitsweise der Ausführungsform nach F i g. 3 ausführlicher zu erklären, seien zwei getrennte Fälle betrachtet Im ersten Fall verlaufe die Vorzugsmagnetisierungsachse in der Eisengranatschicht 31 parallel zur Schichtebene und der an die Schaltung 35 angelegte Strom sucht die Schicht in der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahienbündeis zu magnetisieren, im zweiten Fall verlaufe die Vorzugsmagnetisierungsachse senkrecht zur Schicht und der angelegte Strom sucht die Schicht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahlenbündels zu magnetisieren.

In beiden Fällen sei das in Fig.3 dargestellte Koordinatensystem benutzt In einem solchen Koordinatensystem weist eine TE-Welle lediglich die Feldkomponenten Ey, Hz und Hx auf, wohingegen eine TM-Welle lediglich die Feldkomponenten Hy, Ez und Ex enthält Es sei angenommen, daß das Lichtstrahlenbündel in y-Richtung unendlich breit ist, so daß 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 Ordnun-

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gen der Wellenleitermoden. A (x) und B(x) sind die Amplituden der TE- bzw. TM-Wellen, und sie variieren aufgrund des magnetooptischen Effekts etwas bezüglich x. Falls erforderlich, wird ein Index F für die TE-Wellen und ein Index Mfür die TM-Wellen zugefügt.

μ und ε seien die magnetische und die dielektrische Permeabilität im freien Raum. Dann beträgt die Phasenkonstante im freien Raum k = ω (με)"², wobei ω die Winkelfrequenz des Lasers ist. Es erleichtert die Sache, an der oberen und unteren Oberfläche der Schicht Z=W und Z=O zu setzen. Die Felder der normalen Moden in einem Dünnschichtwellenleiter können nun folgendermaßen geschrieben werden:

Für einen TE-Mode /n-ter Ordnung

C, = A_tml(x)CUS(b_fnl)EZ-0_mm)E)S\p[

Η_κ = (-ίωμΓ^ίά/άΖ(Ε,)

Η_:=(ίωμΓ

mit

und

Φ|_ϋ(™|£ = P_{m)E<b_{m)E

ίο

Gleichermaßen für einen TM-Mode /w-ter Ordnung

mit

Pim)M² =ß{

(10)

{m\M-

tan Φ|_0(Β,,Αί = (n^n₀Yp_{nuSllb_{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 Brechungsindex m und das Substrat einen Brechungsindex no. Insofern wurden alle Materialien als optisch isotrop betrachtet.

Für den ersten Fall verläuft die Magnetisierung in der Schicht in x-Richtung. Um die Drehdoppelbrechung der Schicht einzuschließen, wird ein dielektrischer Tensor eingeführt, der die elektrische Verschiebung mit dem elektrischen Feld in den Maxwell-Gleichungen verbindet gemäß dem folgenden:

*D-.*	*= ε*	η] -/(50	■	*E._*
Dy		*iön]Q*		Ey
*D_x*	0On?	*E_x*

(13)

wobei δ in die Faraday-Drehung, θ umgewandelt werden kann, und zwar durch Θ = ]- kö/n,

(14)

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

^ F_{m){mß_(m)(x)exp[i(ß_im)M-ß_w)E)x]

(15)

und

An·)»—

-T J (16)

Dabei ist

I r,'KJm\ ***-f j

(17)

^Z^Z
J E*_im)dZ / El_m)a

Il

der Füllfaktor, der angibt, daß die Kopplung zwischen den TE(m)- und TM^y-Moden von deren relativen Feldverteilungen in Z-Richtung abhängt. Es ist unmittelbar aus den Gleichungen (15) und (16) ersichtlich, daß die Kopplung nur für ß(_m)E = ß(m)M wirksam ist. Dies ■-, sind die Phasenkonstanten der oben betrachteten TE(_OT/r bzw. TMf_1n/-Wellen. Außer für eine sehr kleine Linear- und Rotationsdispersion sind die Granatmaterialien grundsätzlich von kubischem Aufbau und ß(_m)E kann nicht gleich ß(_m)M gemacht werden. Dies ist aus Fig.4 der Zeichnung ersichtlich. Dort zeigt die Darstellung der Filmdicke als Funktion von ßlk für ein Materialbeispiel wie Y3FesOi2 zwei verschiedene Kurven für sich in der Schicht ausbreitende TE(o)- und TM(o)-Wellen. Die Wellen breiten sich in der Schicht mit verschiedenen i-, Wellengeschwindigkeiten aus, da die Felder an den beiden Hauptschichtflächen für eine Anpassung der Randbedingungen notwendigerweise E_y und H_x im Fall der TE-WeIIe bzw. H_y und E_x im Fall der TM-Welle sind. Eine versuchte Umwandlung der TE-WeIIe in eine χ TM-Welle wird gering sein, da die umgewandelte TM-Welle eine Phase hat, die nicht übereinstimmt mit der der TE-Welle, aus der sie erzeugt ist. Deshalb

A_n, = /l(0)cos fi iß_t„nM/ß_tm)F){k6₀/n,)F_u„_)<m)x~\

in ΓΙ (Ä™WJW

funktioniert die betrachtete Vorrichtung nicht, es sei denn, es wird eine serpentinenartige magnetisierende Schaltung wie die Schaltung 35 vorgesehen.

Die Periode der Schaltung 35 ist so gewählt, daß <5 im dielektrischen Tensor der Gleichung (13) folgende Form annimmt:

δ = ö₀cos (ß_im]E-ß_u,_ÜM)z

(18)

Eine solche Schaltung zwingt die Magnetisierung in die Ebene der magnetischen Schicht und erzeugt somit eine Faraday-Drehung in der Schicht, die in x-Richtung mit einer Phase variiert, die gleich der Phasendifferenz zwischen den TE- und TM-Wellen ist, wie in Gleichung (18) gezeigt ist. Diese neu eingeführte und zur Phase der konvertierten TM-Welle zugefügte Phase ergibt eine resultierende Phase, die mit der der TE-Welle 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

(19)

(20)

Es ist somit zu sehen, daß eine TE₍„„-Welle vollständig in eine TM,_m.,-WsIle umgewandelt wird in einem kritischen Abstand in der Schicht von folgender Form:

= 2(ß_tm)E/ß_im._nl)(n_i/ko₀)(F_i„_l]t,„₎y (21)

Im zweiten Fall verläuft die Schichtmagnetisierung normal zur Schicht in der z-Richtung, und der dielektrische Tensor verknüpft die Beziehung

(22)

A	= £	iön]0	•	E_x
A		0On?		Ey
A			E-.

In diesem Fall koppelt der magnetooptische Effekt das .ZyFeId der TE-Welle mit dem E_x-FeId der TM-Welle. Nach einer Berechnung, 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

Als spezielles Beispiel der Ausführungsart der F i g. 3 sei eine Y₃Fe5OirSchicht mit einer Dicke von 1,5 μπι auf einem Gd3GasOi2-Substrat betrachtet Die Vorzugsmagnetisierungsachse liege in der Schichtebene, so daß die Berechnungen für den ersten Fall anwendbar sind. Bei einer Laserwellenlänge von 1,52 umsind Ji₂ = 1,000, πι = 2,1400 und D₀ = 1,9400. Die Grundmoden sowohl der TE- als auch der TM-Wellen seien so betrachtet, daß m — m' = 0 und ./χοχο) « 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<o)- als auch die TMp»-Wellen, wie sie in Fig.4 gezeigt sind, verwendet Für eine Schichtdicke von 1,5 μπι ergibt sich aus F i g. 4

(ßmE-ßm*dfk = A{ßik) = 0,006.

Die Periode des Mikrostromkreises ist somit gegeben durch

^T=" ⁽²⁴⁾

Für dieses Beispiel ist λ = 132 um und T= 254 um. Bei der Y₃Fe5OirSchicht beträgt die Faraday-Drehung

θ = l,72°/cm. Man kann zeigen, daß für eine vollständige Umwandlung der TE-Welle in eine TM-Welle eine kritische Länge /von etwa 5 mm erforderlich ist.

Zahlreiche Variai.jnen und Modifikationen der beschriebenen Ausfühmngsformen sind möglich. Zum Beispiel: da ein metallischer Mikrostromkreis 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 weiteren, niedriger brechenden Schicht beschichtet und erst darauf der Stromkreis hergestellt werden. Andererseits kann der Stromkreis auf einem gesonderten Glassubstrat niedergeschlagen werden, das dann über der Eisengranatschicht angeord net wird, wobei ein gleichförmiger Luftspalt von einigen Mikrometern verbleibt Es kann auch möglich sein, einen zweiten serpentinenförmigen Stromkreis mit einer etwas unterschiedlichen Periode über der in F i g. 3 gezeigten 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 Magnelisierungsfeld minimisierl werden kann.

Des weiteren ist es für eine Modulation des Lichtes in der Ausführungsform nach Fig.3 wünschenswert, Mikroschaltungen der in F i g. 5 der Zeichnung gezeigten Art zu verwenden. Bei einer parallel zur Schichtebene liegenden Vorzugsmagnetisierungsachse bewirkt hier ein Gleichstrom, der in die gestrichelt gezeichnete Schaltung 57 eingespeist wird, eine Magnetisierung der Schicht in einer der parallel zur Schicht verlaufenden Vorzugsmagnetisierungsrichtung. Dann bewirkt ein in die durchgezogen dargestellte Schaltung 55 eingespeister Mikrowellenstrom eine Verschwenkung der Magnetisierung in eine andere Vorzugsmagnetisierungsrichtung, die parallel zur Richtung der Lichtwellenausbreitung verläuft und eine magnetooptische Kopplung erzeugt, die mit der angelegten Mikrowellenfrequenz variiert

Entsprechend einer weiteren Abwandlung der beschriebenen Ausführungsarten kann es möglich sein, in der Granatschicht eine Verstärkung zu erhalten, während das 1 Jchtstrahlenbündel sich hierin ausbreitet Es sind bereits in YsFesO^-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-Ionen hinzufügt. Beispielsweise dient eine mit 5% Er⁺³, 5% Tm+³ und 2% Ho+³ dotierte Y₃Fe₅Oi2-Schicht im magnetooptisch ·ΐη Schalter der Fig.3 sowohl zum Schalten oder Modulieren des Lichtes als auch zur Erzeugung einer Lichtverstärkung Verstärkung in dem Medium.

Blatt Zeichnungen

Claims

10 Patentansprüche:

1. Optische Wellenleitervorrichtung in Dünnschichtausführung, mit einem ersten Körper aus optisch transparentem Material, der als Substrat für einen zweiten Körper aus optisch transparentem Material dient, wobei der zweite Körper einen höheren Brechungsindex als der erste Körper besitzt, zwei glatte Hauptflächen aufweist, die voneinander einen Abstand in der Größenordnung der Wellenlänge der hierin geführten Strahlung haben, und mit einer der beiden Hauptflächen eine Grenzfläche zum ersten Körper bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Körper (12, 32 und U, 31) je aufgebaut sind aus einkristallinem Material mit Granatstruktur der allgemeinen Zusammensetzung

R₃M₅O₁₂,
worin bedeuten

R wenigstens eines der Elemente Yttrium, Lanthan, Wismut, Seltene Erden der Ordnungszahl von 60 bis 71,

M wenigstens eines der Elemente Eisen, Gallium, Aluminium und

O Sauerstoff.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline Material des zweiten Körpers eine eisenhaltige, ferrimagnetische Granatzusammensetzung (RsFe₅-^Ga, AI)»Oi2 mit χ < 5) ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der Hauptflächen des zweiten Körpers ein serpentinenförmiger Mikrostromkreis (35) liegt, der bei Beaufschlagung mit Strom ausreichender Stärke eine räumlich periodische Änderung der Magnetisierung des Körpers in Ausbreitungsrichtung der geführten Strahlung erzeugt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ferrimagnetische Material ein mit Ionen dotiertes laseraktives Material ist

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