DE2526117C2 - Integrierter elektrooptischer Schalter - Google Patents
Integrierter elektrooptischer SchalterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen integrierten elektrooptischen
Schalter zur Übertragung von Strahlungsenergie von einem elertrooptischen Wellenleiter auf einen
anderen elektrooptischen Wellenleiter, von denen Teile parallel zueinander auf einer vorbestimmten Länge, der
Koppiungslänge, und in einem solchen Abstand angeordnet sinö, daß die Energieübertragung erfolgt,
mit Elektroden, die in der Lage sind, die beiden
JO Wellenleiterteile unter der Einwirkung eines elektrischen Steuersignals einem zu der Längsrichtung der
Wellenleiterteile senkrechten elektrischen Feld auszusetzen, welches in den Wellenleiterteilen Brechungsindexänderungen
hervorruft, bei dem die beiden Wellen-
)5 leiterteile aus einem ferroelektrischen Material bestehen.
Ein solcher integrierter elektrooptischer Schalter ist aus IBM Techn. Disci. Bull. 14 (1971). 5.999-1000.
bekannt. Bei diesem elektrooptischen Schalter werden die Wellenleiter in einem Substi,.t aus ferroelektrischcm
Material durch Anlegen eines elektrischen Feldes erzeugt, das zur Substraloberfläche senkrecht ist. Bei
Anlegen einer Polarisationsspannung an Elektroden, die auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des
A5 Substrates angeordnet sind, werden lokale Brechungsindexänderungen
erzeugt, welche die Bildung der Wellenleiter zur Folge haben. Um die Kopplung
zwischen den zueinander parallelen Wellenleitern zu verändern, kann der Brechungsindex im Bereich
zwischen diesen Wellenleitern verändert werden.
Bei diesem bekannten elektrooptischen Schalter ist ungünstig, daß die Wellenleiter in dem Substrat nicht
dauerhaft und nur unpräzise abgegrenzt sind, da sie erst durch das angelegte Polarisationsfeld entstehen. Die
γ, Erfindung befaßt sich hingegen mit integrierten
elektrooptischen Schaltern, deren Wellenleiter körperlich getrennt voneinander ausgebildet und präzise
begrenzt sind. Derartige elektrooptische Schalter sind insbesondere für das Gebiet der integrierten Optik
bestimmt, wobei diese Bezeichnung in Analogie zu den integrierten elektronischen Schaltungen gewählt ist.
d. h. monolithischen Strukturen, bei denen dünne Schichten verwendet werden.
Ein solcher Schalter kann nach dem Prinzip dvs
hi Richtkopplers hergestellt werdet), d. h. einer Vorrichtung,
welche zwei Wellenleiter aufweist, deren Kopplung unter der Einwirkung einer äußeren Steuerung von
0% bis 100% veränderlich ist. Zu diesem Zweck werden
zwei Wellenleiter füi sii* Strahlungsenergie parallel
zueinander auf einer als Kopplungslänge bezeichneten Länge angeordnet, die derart festgelegt ist, daß sich eine
maximale Kopplung ergibt, d. h. daß am Ende der Länge L die gesamte Energie von einem Wellenleiter auf den
anderen übertragen wird. Wenn die Wellenleiter oder das sie trennende Material aus einem elektrooptischen
Material bestehen, ist es durch eine elektrische Steuerung möglich, einen der die Länge L bestimmenden
Parameter, beispielsweise den optischen Brechungsindex, derart zu verändern, daß die Länge Ldann
einem Kopplungsminimum entspricht. Es ergeben sich dann Probleme hinsichtlich des Wirkungsgrades der
Steuerung - die Kopplung soll sich von 0% bis 100% ändern, damit ein wirklicher Schalter vorliegt — und is
hinsichtlich der Größe der elektrischen Steuerleistungen, die erforderlich sind: Im Rahmen der integrierten
Optik sollen diese nämlich mit den herkömmlichen integrierten elektronischen Schaltungen kompatibel
sein. .
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines integrierten elektrooptischen Schalters der eingangs
genannten Art, der durch elektrische Signale verhältnismäßig geringer Leistung steuerbar und für integrierte
elektrooptisch^ Schaltungen verwendbar isL Diese Aufgabe wird durch einen integrierten elektrooptischen
Schalter der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das
Material in den beiden Weilenleiterteilen in entgegengesetzten Richtungen, aber jeweils senkrecht zu den to
Längsrichtungen der Wellenleiter und parallel zu deren
gemeinsamer Ebene vorpolarisiert ist und daß das an die beiden Wellenleiter anlegbare elektrische Feld in diesen
beiden in gleicher Richtung und parallel bzw. antiparallel zu den Vorpolarisationsrichtungen verläuft, so daß
die hierdurch in den beiden Wellenleiterteilen hervorgerufenen Brechungsindexänderungen einander entgegengesetztsind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des integrierten elektrooptischen Schalters ist im
Anspruch 8 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen integrierten elektrooptischen Schalters sind in den
Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.
Der Erfindungsgegenstand wild im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den
Zeichnungen zeigen die
Fig. I und 2 in Draufsicht bzw. im Schnitt eine Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung, und
die
Fig. 3 bis 6 die verschiedenen Schritte des Verfahrens
zur Herstellung eines Schalters nach der Erfindung. In den verschiedenen Figuren tragen gleiche Teile
gleiche Bezugszeichen.
F i g. I zeigt einen Teil eines isolierenden Substrats 6. v,
welches einen Scha'ter nach der Erfindung trägt, der aus zwei Wellenleitern 1 und 2 für die Strahlungsenergie
und zwei metallischen Elektroden 4 und 5 besteht, die auf das Substrat 6 aufgetragen sind. Die Wellenleiter 1
und 2 sind auf einer Länge L der Knpplungslänge, w)
parallel zueinander, wobei der Wellenleiter 2 sich von dem Wellenleiter 1 beiderseits der Kopplungslänge L in
einer im wesentlichen normalen Richtung entfernt. Die
Wellenleiter haben vorzugsweise denselben optischen Brechungsindex /(!.dieselbe Breite
<f und dieselbe Dicke tv, b. Sie sind auf der Kopplungsliingc durch einen kleinen
Abstand c voneinander getrennt, der in der Größenordnung
der Breite 11 liegt oder kleiner als die Breite ;; ist.
damit die Kopplung über die Entfernung L mit einem Wirkungsgrad von etwa 100% erfolgt, wie weiter unten
ausführlicher erläutert. Die Elektroden 4 und 5 sind auf der Kopplungslänge L beiderseits der Wellenleiter 1
und 2 angeordnet, die Elektrode 4 längs des Wellenleiters 1 und die Elektrode 5 längs des
Wellenleiters 2. Die Elektroden 4 und 5 können entweder von den Wellenleitern 1 und 2 durch eine
Strecke dgetrennt, wie in Fig. 1 dargestellt, oder mit
den Wellenleitern in Berührung sein.
F i g. 2 ist eine Schnittansicht längs der Achse AA der oben beschriebenen Einrichtung. Sie zeigt das Substrat
6, auf welchem die Wellenleiter t und 2, die die Breite a und die Dicke b haben, und die Elektroden 4 und 5
angeordnet sind, die von den Wellenleitern 1 und 2 durch eine Strecke c/geirennt sind.
Der optische Brechungsindex des Substrats 6 wird mit πι und der des Mediums 3, welches die beiden
Wellenleiter trennt und beispielsweise aus Luft besteht, mit ^bezeichnet.
Es ist begannt, daß im Betrieb, wenn sich Strahlungsenergie
in einem Wellenleiter, b' .,pielsweise dem Wellenleiter 1, ausbreitet und wc-.in ein zweiter
Wellenleiter, beispielsweise der Wellenleiter 2, in einem ausreichend kleinen Abstand c von dem ersten
Wellenleiter angeordnet ist, zwischen den beiden Wellenleitern eine Kopplung aufgrund einer Erscheinung
vorhanden ist. die man als quergedämpfte Wellen bezeichnet, d. h. Wellen, deren Intensität in der zu den
Waden des Wellenleiters senkrechten Richtung seht schnell abnimmt. Diese Kopplung ist mrximal. wenn die
beiden Wellenleiter einander genügend nahe, höchstens in der Größenordnung von e'nigen Wellenlängen der
geführten Energie, und gleich sind, nämlich dieselbe
Abmessung (hier a und b) und denselben Brechungsindex (ti]) haben, d. h. daß eine totale Energieübertragung
abwechselnd von einem Wellenleiter zum anderen erfolgt: Man kann deshalb eine Kopplungslänge L
definieren, für welche die gesamte Energie, die in dem ersten Wellenleiter 1 zugeführt wird, in den zweiten
Wellenleiter 2 übertragen und darin aufrechterhalten wird, wenn die beiden Wellenleiter nach der Strecke L
ge-.ennt werden, wie es Fig. I zeigt. Die Strecke L
hängt von den optischen und geometrischen Parametern der Struktur und insbesondere von den Brechungsindizes η\.Πι und rii ab.
Zur Herstellung eines elektrooptischen Schalters oder, anders ausgedrückt, eines Richtkopplers. der auf
eine elektrische Steuerung hin die Energie eines Wellenleiters in den anderen überträgt, werden die
Wellenleiter 1 und 2 aus elektrooptischen! Material gebildet, dessen Brechungsindex lh sich unter der
Einwirkung eines elektrischen Feldes verändern kann, das zwischen den Elektroden 4 und 5 gebildet wild.
Genfer gesagt, die Wellenleiter 1 und 2 werden aur,
einem ferroclektrischcn Material hergestellt, welches vorher in der Richtung der Schnittachse AA. aber für
jeden der Wellenleiter in entgegengesetzter Richtung polarisiert worden ist. wie beispielsweise durch die
Pfeile 11 und 12 in F i g. 2 angegeben. Das Anlegen einer
Potentialdifferen.. an die Elektroden 4 und 5. beispielsweise
+ a:i der Elektrode 4 und — an der Elektrode 5.
bewirkt eine Änderung ,Jn. des Brechungsindex m des
Materials: --Jn. für den Wellenleiter 1 und +.Wi, finden
Wellenleiter 2. Die verschiedenen Parameter werden derart gewühlt, daß die auf diese Weise
/wischen den beide,-. Wellenleitern gebildete Asyimv;
trie für die Länge /. eine minimale Kopplung bewirkt.
die praktisch gleich Null ist.
Auf diese Weise wird eine Vorrichtung geschliffen, welche die Strahlungsenergie in ihrer Gesamtheit von
dem einen Wellenleiter auf den anderen umschaltet
oder nicht, je nachdem, ob ein elektrisches Steuersignal an sie nicht angelegt ist oder an sie angelegt ist.
Die umgekehrte Arbeitsweise ist selbstverständlich möglich: Γs genügt, eine Länge /. /u wühlen, die einem
Kopplungsminimum bei nicht vorhandenem elektrischen Feld entspricht.
F.s ist zu bemerken, daß die elektrischen Stcuerspannungen.
die bei dieser Vorrichtung verwendet werden, klein sind. d. h. in der Größenordnung von einigen Volt
liegen und mit den von integrierten elektronischen Schaltungen gelieferten Amplituden vollkommen kompatibel
sind.
Übrigens können die F.lektroden 4 und 5 in einem Abstand d von den Wellenleitern angeordnet werden,
um Verluste durch metallische Absorption der Strahlungsenergie bei ihrer Reflexion an der Trennfläche
/wischen Wellenleiter und Elektrode /u vermeiden. Dieser Abstand braucht nicht genau festgelegt zu
werden und kann auf der gesamten Länge /. sogar nicht völlig konstant sein.
Schließlich besteht bei der in den F i g. I und 2 dargestellten Aui'ührungsform das Material 3. welches
sich /wischen den Wellenleitern befindet und irgendein Material sein kann, aus Luft. Bei dem im folgenden
besciiriebenen bevorzugten Herstellungsverfahren besteht es aus dem Substrat.
F i g. 3 zeigt den ersten Schritt des Verfahrens nach der Erfindung. Sie zeigt das Substrat 6. das einen
Brechungsindex n2 hat. aus ferroelektrischem Lithiumtantalat
besieht und mit einer metallischen Schicht 10. beispielsweise aus Platin, bedeckt ist.
F i g. 4 zeigt das Substrat b und die Schicht 10. die in
drei Elektroden unterteilt ist: die Elektroden 4 und 5 und eine Mmelelcktrode H. Diese Unterteilung kann mit
Hilfe aller bei integrierten Schaltungen bekannten Maskierungsverfahren erfolgen. Auf die Anordnung
wird eine Schicht 14 aus Niobium aufgebracht, das man in die kanalförmigen Zonen des Substrats 6 diffundieren
IaIU. welche durch die Schicht 10 freigelassen sind. Man erhalt nach der Diffusion und einer gegebenenfalK
vorgenommenen Keinigiini: der I lektroden 4, I t
und 5 von dem mc bedeckenden \iobmm zwei /oiien.
welche Niobium enthalten und infolgedessen einen Brechungsindex η haben, der großer isi ,ils der
■'> Brechungsindex n>
des Substrats. Diese beiden Zonen bilden du Wellenleiter I und 2. wie in F ι g. ö dargestellt.
Die Anordnung wird auf eine Temperatur oberhalb der C'urie-Teinperaliir des Materials, die hier in der
Größenordnung von I IHO C liegt, erhitzt und anschhe-
Ki Bend werden an die F.lektroden zwei elekt ische Felder
angelegt, wie sie beispielsweise in Fig.·) durch die
!'feile 21 und 22 dargestellt sind, ti. h. K-UUt. welche die
gleiche Amp ude und die genau emgi-gcngeserzte
Richtung haben. Schließlich lallt man die Anordnung
r> langsam abkühlen, um die oben erwähnte Polarisation
der Wellenleiter I und 2 /w erhalten.
In einem in F i g. b dargestellten letzten Schutt μ ud
die Mittelelektrode U beseitigt, tieren Vorhandensein
vor allem Verluste durch metallische Abiorpiion
.'» hervorrulen würde, und l-s werden die l.lektroden 4 und
5 auf einen Abstand d von den Wellenleitern 1 und 2 gebracht. Diese letztgenannte Operation, die in der
oben beschriebenen Weise ebenfalls mit Hilfe herkömmlicher Ma,kierungsverfahren ausgeführt werden
2Ί kann, erfordert nicht die Genauigkeit der vorhergehenden
Operationen.
Auf diese Weise ist der Schalter nach der Erfindung geschaffen worden, der aus den beiden Wellenleitern I
und 2 für die Strahlungsenergie und den beiden ρ Elektroden 4 und 5 besteht, wobei die beiden
Wellenleiter bei dieser Ausführungsform durch eine mit der Be/ugszahi 10 bezeichnete .Substratdicke voneinander
getrennt sind.
Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt insbesondere i". darm, daß durch dieselbe Operation die Elektroden 4
und 5 hergestellt und das Substrat für die Diffusion maskiert werden kann.
Als Beispiel wird angegeben, daß ein Schalter mit diffundierten Zonen der Breite a in der Größenordnung
;■' von 5 μιη, die auf einer Strecke L parallel zueinander
und durch einen Abstand c von ungefähr 2 iim getrennt
sind, hergestellt worden ist. wobei die Steuerspanning
unter 5 Volt liegt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Integrierter elektrooptischer Schalter zur Übertragung von Strahlungsenergie von einem
elektrooptischen Wellenleiter auf einen anderen elektrooptischen Wellenleiter, von denen Teile
parallel zueinander auf einer vorbestimmten Länge, der Kopplungslänge, und in einem solchen Abstand
angeordnet sind, daß die Energieübertragung erfolgt, mit Elektroden, die in der Lage sind, die
beiden Wellenleiterteile unter der Einwirkung eines elektrischen Steuersignals einem zu der Längsrichtung
der Wellenleiterteile senkrechten elektrischen Feld auszusetzen, welches in den Wellenleiterteilen
Brechungsindexänderungen hervorruft, bei dem die beiden Wellenleiterteile aus einem ferroelektrischen
Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in den beiden Wellenleiterteilen
in entgegengesetzten Richtungen, aber jeweils senkrecht, zu den Längsrichtungen der Wellenleiter
und para^el zu deren gemeinsamer Ebene vorpolarisiert
ist und daß das an die beiden Wellenleiter anlegbare elektrische Feld in diesen beiden in
gleicher Richtung und parallel bzw. antiparallel zu den Vorpolarisationsrichtungen verläuft, so daß die
hierdurch in den beiden Wellenleiterteilen hervorgerufenen Brechungsindexänderungen einander entgegengesetzt
sind.
2. Schalter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterteile auf einem
Substrat vereinigt sind und daß die Elektroden auf dem Subu.rat beiderseits der durch die Wellenleitertcile
gebildeten Anordnung und im wesentlichen auf der Koppiungslänge angeordnet sind.
3. Schalter nach Ansprv-h I oder 2. dadurch
gekennzeichnet, daß die Welienleiterteile im wesentlichen
die gleichen Abmessungen und in Abwesenheit des Steuersignals denselben Brechungsindex
haben.
4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterteile
auf der Kopplungslänge durch Luft getrennt sind.
5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 Hs 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter durch
einen Teil des Substrats getrennt sind.
6. Schalter nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf
dem Substrat ohne Berührung mit den Wellenleitern angeordnet sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines elektrooptischen Schalters nach einem der Ansprüche I bis 3
und 5 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
— Auftragen einer metallischen Schicht auf ein
Substrat aus ferroelcktrischem Material,
— Angreifen der metallischen Schicht, um das Substrat in Form von zwei parallelen Kanälen auf
einer vorbestimmten Länge (L), der Kopplungslänge, freizulegen, wobei die Kanäle durch einen
metallischen Mittelstreifen getrennt und von metallischen Randstreifen eingerahmt sind,
— Auftragen einer zweiten Schicht aus einem Material auf die metallische Schicht und auf die
Kanäle, das man auf der Höhe der Kanäle in das Substrat ciiuliffundicrcn läßt, um zwei Zonen zu
bilden, welche als Wellenleiter dienen, deren optischer Brechungsindex größer als der des
Substrats ist,
— Erzeugen von einander entgegenwirkenden
remanenten elektrischen Polarisationen in den Zonen, indem die Anordnung auf eine Temperatur
oberhalb der Curie-Temperatur gebracht wird und indem eine Polarisationsspannung an den Mittelstreifen
und die Randstreifen angelegt wird,
— Abkühlen der Anordnung und anschließend Abschalten der Polarisationsspannung, und
— Beseitigen des metallischen Mittelstreifens, wobei die beiden metallischen Randstreifen zurückbleiben,
welche als Elektroden dienen, die auf der Länge (L) beiderseits der Wellenleiter liegen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Lithiumtantalat
besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus Niobium
besteht.
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