DE2541673C3

DE2541673C3 - Optisches Schaltelement für die integrierte Optik

Info

Publication number: DE2541673C3
Application number: DE2541673A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Rolf 8012 Ottobrunn Plättner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1981-05-07
Also published as: US4099836A; DE2541673A1; DE2541673B2; FR2325068A1

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Schaltelement für die integrierte Optik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der integrierten Optik werden dünne einkristalline Schichten auf Substraten benötigt, wobei die Substrate entweder aus Glas oder ebenfalls aus Kristallen bestehen können. Der Brechungsindex der aufgebrachten dünnen Schicht muß dabei höher sein als der Brechungsindex des Substrates, damit sich das Licht durch Totalreflexion in der dünnen Schicht ausbreiten kann.

Ein Schaltelement der eingangs genannten Art, bei dem das Substrat aus einem Kristall besteht, ist aus so Appl. Phys. Lett. 27 (1975) S. 289-291 bekanntgeworden. Bei diesem Schaltelement handelt es sich um einen optischen Richtkoppler. Das einkristalline Substrat besteht aus Lithiumniobat und die dünne einkristalline Schicht ebenfalls aus Lithiumniobat, das mit ss Titan dotiert ist. Die Dotierung wird durch Eindiffundieren von Titan erzeugt.

Wenn die einkristalline dünne Schicht epitaktisch hergestellt werden soll, so muß das Substrat ein Kristall mit angepaßten Gitterkonstanten sein, wobei zur Verwirklichung von Modulatoren und Schaltern elektrooptische, magnetooptische oder akustooptische Effekte in der dünnen Schicht und/oder im Kristall erforderlich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Schaltelement der eingangs genannten Art anzugeben, das einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist und einfach sowie billig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist mit einem Mischkristall aufgebaut, wie er im Anspruch 2 angegeben ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist so aufgebaut, wie es in Anspruch 3 angegeben ist. Nach Anspruch 4 läßt sich das erfindungsgemäße Schaltelement als Polarisator, Modulator, Ablenker, Schalter oder Filter verwenden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert, wobei in den Fig. 1 und 3 als Ausführungsbeispiel ein integrierter optischer Modulator dargestellt ist und in den Fig. 2 und 4 die zugehörigen Kristallachsen.

Bariumtitanat und Strontiumtitanat gehören zu den Perovskiten. Die Curietemperatur von SrTiO₃ liegt bei 37° K und von BaTiO₃ bei 401° K. Bei Raumtemperatur gehört SrTiO₃ zur kubischen Kristallklasse m3m, BaTiO₃ zur tetragonalen Klasse 4mm. Die Kristallklasse von SrTiO₃ ist bei Raumtemperatur zentrosymmetrisch, daher zeigt dieser Kristall keinen linearen elektrooptischen Effekt. Der elektrooptische Koeffizient r₅₁ ist für BaTiO₃ bei nicht eingespanntem Kristall etwa 50maI größer als der gleiche Koeffizient von LiNbO₃. Die Koeffizienten r₁₃ und r₃₃ sind in Ba-TiO₃ und LiNbO₃ etwa gleich groß. BaTiO₃ und SrTiO₃ sind zwischen 0,4 um und 7 μΐη transparent. Der Brechungsindex von SrTiO₃ (n = 2,38 bei λ = 0,63 μιη) liegt zwischen dem ordentlichen (n₀ = 2,41 bei λ = 0,63 μιη) und außerordentlichen (n_a = 2,36 bei λ = 0,63 μιη) Brechungsindex von Ba-TiO₃. SrTiO₃ und BaTiO₃ können daher wechselweise als Substrat und Wellenleiterschicht benutzt werden. Die vorgeschlagene Materialkombination eignet sich somit zur Herstellung von integriert optischen Polarisatoren und Modulatoren, Ablenkern, Schaltern und Filtern.

Bei der Herstellung von BaTiO₃-Einkristallen oder -Einkristallschichten ist zu beachten, daß keine hexagonale Phase entsteht. Man erreicht das durch Zusatz von ca. 3 Mol% SrTiO₃. Es besteht dann ein Mischkristall Ba₀₉₇Sr₀₀₃TiO₃ der gewünschten tetragonalen Phase mit den Gitterkonstanten a_o = 3,989 A, C₀ = 4,032 A. Dieses Material ist mit SrTiO₃-Kristallgitter mit a₀ = 3,905 Äauf 2-3% angepaßt und erfüllt so eine wichtige Voraussetzung für eine Epitaxie. Die Wellenleiterschichten werden auf handelsüblichem Substratmaterial vorteilhaft z. B. nach folgenden Verfahren hergestellt:

a) Flüssigkeitsphasen-Epitaxie

Ein nach {100} orientierter Strontiumtitanat-Substratkristall wird mit einer Schmelzlösung in Kontakt gebracht, in welcher Ba₀₉₇Sr₀₀₃TiO₃ gelöst ist. Durch geeignete Temperäturführung (z.B. zwischen 1100° C und 900° C) wächst dabei dieses Ba₀₉₇Sr₀₀₃TiO₃-Material als glatte epitaktische Schicht auf dem Substrat auf. Der Prozeß kann auch mit SrTiO₃ in der Schmelzlösung zur Abscheidung von SrTiO₃ auf Ba₀₉₇Sr₀₀₃TiO₃-SUbSIrBtCn benutzt werden.

b) Eindiffusion

Auf einem nach {100} orientierten SrTiO₃-Einkristall wird eine Bariumschicht durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht. Diese Schicht wird durch Erhitzen des Kristalls (z. B.

auf ca. 1000° C) in dessen Oberfläche bis zur gewünschten Tiefe von wenigen um eindiffundiert. Durch anschließendes Tempern in Sauerstoff entsteht eine Ba_1-1 Sr_x TiO₃-V/ellenleiterschicht. Auch dieser Prozeß kann umgekehrt zur Herstellung einer SrTiO_;-Schicht auf Ba₀₁₉₇Sr₀₀₃TiO₃ benutzt werden.
Im folgenden wird der Aufbau eines integriert optischen Modulators aus SrTiO₃ und BaTiO₃ beschrieben (Fig. 1 und 3). Dabei dient SrTiO₃ als Substrat 1 und BaTiO₃ bzw. der Mischkristall Ba₁ Sr_1-, TiO₃ als Wellenleiterschicht 3. Die durch Flüssigphasen-Epitaxie oder Diffusion erzeugte Ba_x Sr_1-1 TiO₃-Schicht 3 wird so gepolt, daß die in den Fig. 2 und 4 eingezeichneten Achsrichtungen auftreten. Anschließend wird eine dielektrische Zwischenschicht 3, z. B. aus SiO₂, aufgedampft, auf die zur Modulation eine Elektrodenstruktür 4 in der Form zweier Kämme aufgebracht wird, deren Zinken ineinandergreifen. In der Ba_xSr₁^TiO₃-SdUcIIt 3 breitet sich Licht in Richtung der Kammzinken aus, d. h. in Pfeilrichtung 5. Die elektrische Lichtfeldstärke E_L verläuft parallel zur

ίο χ ,-Achse. Bei Anlegen einer Spannung an die beiden Elektrodenkämme entsteht im Gebiet der Kammzinken eine Brechungsindexvariation, die zu Lichtbeugung führt und damit eine Lichtmodulation bewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Schaltelement für die integrierte Optik, mit einem einkristallinen Substrat und ei- s ner darauf angebrachten, dünnen einkristallinen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß entweder das Substrat aus Strontiumtitanat SrTiO₃ und die dünne Schicht aus Bariumtitanat BaTiO₃ oder aus einem Mischkristall aus BaTiO₃ und SrTiO₃ bestehen oder daß das Substrat aus Bariumtitanat BaTiO₃ oder aus einem Mischkristall aus BaTiO₃ und SrTiO₃ und die dünne Schicht aus Strontiumtitanat SrTiO₃ bestehen, und daß jeweils die Kristallorientierung so gewählt ist, daß der wirksame Brechungsindex der Schicht höher als derjenige des Substrates ist.

2. Optisches Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkristall aus 97 Mol% BaTiO₃ und 3 Mol% SrTiO₃ besteht und demgemäß folgende Formel aufweist Ba₀₉₇Sr₀₀₃TiO₃.

3. Optisches Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dünnen Schicht eine Zwischenschicht aus SiO₂ und auf dieser Zwischenschicht Elektroden aufgebracht sind.

4. Optisches Schaltelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Polarisator, Modulator, Ablenker, Schalter oder Filter.