DE3885379T2

DE3885379T2 - Optisches Gerät vom Wellenleitertyp.

Info

Publication number: DE3885379T2
Application number: DE88112824T
Authority: DE
Inventors: Sano Hirohisa; Imoto Katsuyuki; Hira Yasuo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1988-08-05
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2008-08-06
Also published as: EP0304709A3; DE3885379D1; JPS6457207A; EP0304709B1; EP0304709A2; CA1306629C; US4904037A

Description

Hintergrund der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung des Wellenleitertyps mit geringer Temperaturabhängigkeit.
Mit dem Fortschreiten der Lichtwellenleiterkommunikation wurde die Massenproduktivität, eine hohe Zuverlässigkeit, ein Auskommen ohne Einstellungen beim Verbinden, eine automatische Montage, die Verringerung des Verlustes usw. bei optischen Vorrichtungen erforderlich, und eine optische Vorrichtung des Wellenleitertyps ist zur Lösung dieser Schwierigkeiten in den Vordergrund gerückt.
Unter den optischen Wellenleitern weist der optische Wellenleiter auf Quarzglasbasis geringe Verluste auf und zeigt auch mit Lichtwellenleitern einen geringen Verbindungsverlust, so daß er als vielversprechend für zukünftige optische Wellenleiter angesehen wird. Das Verfahren zur Herstellung des optischen Wellenleiters auf Quarzglasbasis war bisher ein Verfahren, das eine Flammen-Hydrolyse-Abscheidung verwendet, wie es in "Recent Optical Waveguide Technology", O plus E, Mai 1986, Seite 63, Fig. 3 gezeigt ist. Es wird durch die Ausbildung einer porösen Quarzglasschicht auf einem Siliziumsubstrat verwirklicht, sowie durch die Ausbildung einer porösen Quarzglasschicht, die ein den Brechungsindex steuerndes Dotiermittel (Ti oder Ge) enthält, auf der ersterwähnten Schicht (Fig. 6A der beiliegenden Zeichnung), durch die Ausbildung von planaren optischen Wellenleiterschichten mittels Ausheizen der porösen Schichten, so daß sie transparent werden (Fig. 6B), durch die Ausbildung eines dreidimensionalen optischen Wellenleiters mittels Strukturierung (Fig. 6C), durch die Ausbildung einer porösen Quarzglasschicht (Mantelmaterial) auf dem dreidimensionalen optischen Wellenleiter (Fig. 6D) und durch das Ausheizen des Mantelmateriales, so daß es transparent wird (Fig. 6E).
Bei dem Aufbau der Fig. 6A - 6E wird auf einem Siliziumsubstrat 1 eine Pufferschicht (Sio2) 2 ausgebildet, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat (5,8 x 10&supmin;&sup7; /ºC), der sich beträchtlich von dem (4,2 x 10&supmin;&sup6; /ºC) des Siliziumsubstrates unterscheidet, und die außerdem mit einer Kernschicht 7 (thermischer Ausdehnungskoeffizient: etwa 4 x 10&supmin;&sup7; /ºC) und einer Mantelschicht 4 (thermischer Ausdehnungskoeffizient: 5,8 x 10&supmin;&sup7; /ºC) bedeckt wird. Bei diesem Aufbau sind daher die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates 1 und der darauf ausgebildeten Glasschicht 5 zu unterschiedlich, so daß während ihrer Ausbildung in der Glasschicht eine Restspannung in Erscheinung tritt. Es hat sich gezeigt, daß aus diesem Grund die folgenden Schwierigkeiten auftreten: Aufgrund der thermischen Spannungen entwickelt sich die sogenannte Index-Anisotropie, bei der der Brechungsindex des Wellenleiters in der X-Richtung und sein Brechungsindex in der Y-Richtung ungleich sind, so daß sich die Lichtausbreitungseigenschaften in Abhängigkeit von der Richtung der Eingangs-Polarisationsebene ändern. Während des Vorgangs, bei dem die Glasschicht transparent gemacht wird, und danach tritt eine Krümmung des Substrates auf, die auf den Unterschieden in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten beruht, so daß die Lichtausbreitungseigenschaften des Wellenleiters verschlechtert sind und seine Kapselung erschwert ist. Wenn die Glasschicht dicker wird, reißt und bricht sie aufgrund der Restspannung.

Zusammenfassung der Erfindung:

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung des Wellenleitertyps zu schaffen, mit der die obigen Schwierigkeiten vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Gemäß diesem Aufbau ist die Verteilung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezüglich im wesentlichen der Mitte des Substrates in der Dickenrichtung davon nahezu symmetrisch, so daß sich das Substrat nicht aufgrund von Temperaturschwankungen krümmt. Da folglich keine Änderungen in den Abmessungen erfolgen, treten auch keine Schwankungen in den Lichttransmissionseigenschaften auf. Da das Substrat sich auch während einer Hochtemperatur-Ausheizbehandlung nicht krümmt, werden die Lichtausbreitungseigenschaften durch eine solche Behandlung nicht verschlechtert. Aufgrund des Aufbaues, bei dem die Verteilung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezüglich im wesentlichen der Mitte des Substrates in dessen Dickenrichtung nahezu symmetrisch ist, zeigen thermische Spannungen, wenn sie sich entwickeln sollten, auch eine nahezu symmetrische Verteilung. Entsprechend ist die Anisotropie des Brechungsindexes stark verringert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Die Fig. 1A und 1B und die Fig. 2A und 2B sind jeweils schematische Ansichten von Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Wellenleitern;
die Fig. 3A und 3B sind schematische Ansichten einer Ausführungsform eines Richtungskopplers, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenleiters aufgebaut wird;
die Fig. 4A und 4B sind schematische Ansichten einer Ausführungsform eines ähnlich aufgebauten Modulators/Schalters des Richtungskopplertyps;
die Fig. 5A und 5B sind schematische Ansichten einer Ausführungsform eines ähnlich aufgebauten optischen Modulators des Verzweigungs-Interferenztyps; und
die Fig. 6A bis 6E sind schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung eines bekannten optischen Wellenleiters.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform:

Die Fig. 1A und 1B zeigen schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Wellenleiters. Die Fig. 1A ist eine Vorderansicht und die Fig. 1B eine Seitenansicht. Diese Ausführungsform stellt ein Beispiel für einen geradlinigen Wellenleiter dar. Auf einem Substrat (das aus Si und in diesem Fall etwa 0,4 mm dick war) wurde eine SiO&sub2;-Schicht in einer Dicke von etwa 10 µm als Pufferschicht 2 ausgebildet, die mit einer rechteckigen Kernschicht 3 (zum Beispiel einer Glasschicht, die aus SiO&sub2; dotiert mit mehreren Mol-% TiO&sub2; und mit einer Dicke von etwa 8 µm sowie einer Breite von etwa 10 µm bestand) bedeckt wurde. Zusätzlich wurde eine Mantelschicht 4 (eine SiO&sub2;-Glasschicht mit einer Dicke von etwa 15 pm) auf der ganzen Vorderseite des sich ergebenden Wellenleiters einschließlich der Kernschicht 3 ausgebildet. Der bis hier beschriebene Aufbau ist die bekannte Konstruktion. Die vorliegende Erfindung besteht darin, daß bei diesem Aufbau des weiteren eine Kompensationsschicht 5 an der Rückseite des Substrates 1 vorgesehen ist. In diesem Fall wurde eine SiO&sub2;- Schicht mit der gleichen Zusammensetzung wie die Pufferschicht 2 in einer Dicke von etwa 10 µm als Kompensationsschicht 5 ausgebildet. Aufgrund der Ausbildung dieser Kompensationsschicht 5 wurde die Krümmung des Substrates 1 stark verringert. Als nächstes wird ein konkretes Beispiel dieses Wellenleiters erläutert. Die Vorderseite und die Rückseite eines Si-Substrates mit 50 mm (2 Zoll) Durchmesser und 0,4 mm Dicke wurden jeweils durch thermische Oxidation mit Wasserdampf (bei einer Temperatur von etwa 1200 ºC) mit Oxidschichten (SiO&sub2;) versehen, die jede etwa 10 µm dick war. Die SiO&sub2;-Schicht auf der Rückseite des Si-Substrates 1 wurde als Kompensationsschicht 5 und die SiO&sub2;-Schicht auf der Vorderseite als Pufferschicht 2 verwendet. Daraufhin wurde eine SiO&sub2;-Schicht, die TiO&sub2; enthält, auf der ganzen oberen Oberfläche der Pufferschicht 2 in einer Dicke von etwa 8,4 µm durch Sputtern ausgebildet. Die Dotiermenge des TiO&sub2; im SiO&sub2; betrug etwa 1,2 Mol-%. Nachdem die obige Schicht ausgebildet wurde, wurde sie bei einer Temperatur von etwa 1200 ºC für etwa 1 Stunde ausgeheizt, um dadurch eine TiO&sub2;-dotierte SiO&sub2;-Schicht mit einer Dicke von etwa 8 µm (die einen Brechungsindex von 1,4622 für eine Wellenlänge von 0,52 µm zeigte) zu erhalten. Im nächsten Schritt wurde die TiO&sub2;-dotierte SiO&sub2;-Schicht durch einen Prozeß wie der Photolithographie oder dem Trockenätzen strukturiert, um dadurch eine Kernschicht 3 aus einem Wellenleiter-Rechteck mit etwa 10 µm Breite und etwa 8 µm Dicke zu erzeugen. Auf der ganzen Vorderseite des mit der Kernschicht 3 versehenen Wellenleiters wurde eine SiO&sub2;-Schicht mit einer Dicke von etwa 15 µm ausgebildet. Diese SiO&sub2;-Schicht wurde durch die bekannte Flammen-Hydrolyse-Abscheidung realisisert. Bei der Messung konnte kaum eine Krümmung dieses Wellenleiters beobachtet werden. Auch entstanden bei dem obigen Prozeß keine Risse in der Glasschicht.
Die Fig. 2A und 2B zeigen eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenleiters. Diese Ausführungsform ist auch ein Beispiel für einen geradlinigen Wellenleiter, und die Fig. 2A ist eine Vorderansicht, während die Fig. 2B eine Seitenansicht ist. Bei diesem Beispiel wurde auf der Kompensationsschicht 5 noch eine Kompensationsschicht 6 für die Mantelschicht 4 vorgesehen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kompensationsschicht 6 wurde im wesentlichen gleich dem der Mantelschicht 4 gemacht. Entsprechend ist die Verteilung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieses Wellenleiters in der Dickenrichtung des Substrates 1 bezüglich dessen Mitte nahezu symmetrisch.
Die Fig. 3A und 3B zeigen eine Ausführungsform eines Richtungskopplers, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenleiters aufgebaut wurde. Lichtsignale mit Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; die in einen Anschluß i eingetreten sind, werden in einem Koppelabschnitt 7 einer optischen Verteilungskopplung unterworfen, woraufhin das Lichtsignal der Wellenlänge λ&sub1; zur Seite eines Anschlusses k geleitet wird und das Lichtsignal der Wellenlänge λ&sub2; zur Seite eines Anschlusses 1. Die Verzweigungseigenschaften werden hier durch die Koppellänge L und den Koppelabstand S des Koppelabschnittes 7 vorgegeben; durch die Breite W, die Dicke T und den Brechungsindex nc von jeder der Kernschichten 3-1 und 3-2; durch den Brechungsindex ncl der Mantelschicht 4; durch den Brechungsindex nb der Pufferschicht 2; usw. Mit anderen Worten verschieben die Abweichungen oder Änderungen der Größen S, W, T, nc, ncl, nb usw. die Mitten-Wellenlänge der Verzweigungseigenschaften. Bei dem bekannten Aufbau, der keine Kompensationsschicht 5 aufweist, ändert sich die Mitten-Wellenlänge um mehrere zehn nm, wenn sich die Temperatur von 0 ºC auf +60 ºC ändert. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß sich die Form des Wellenleiters durch die Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten vergrößert und verkleinert, so daß die Abmessungen des Wellenleiters schwanken. Es hat sich auch gezeigt, daß aufgrund der Krümmung des Substrates 1 beim Herstellungsprozeß des Wellenleiters die Abmessungen des Wellenleiters schwanken, so daß eine Verschiebung der vorgesehenen Verzweigungseigenschaften entsteht. Es hat sich auch gezeigt, daß sich die optischen Verzweigungseigenschaften in Abhängigkeit von der Polarisationsebene der Lichtsignale ändern, die am Anschluß i eintreten. Das heißt, es hat sich gezeigt, daß sich die Kopplungseigenschaften im Koppelabschnitt 7 in Abhängigkeit von der Polarisationsebene der eingegebenen Lichtsignale ändern, so daß sich die Mitten-Wellenlänge der Verzweigungseigenschaften verschiebt. Die Verschiebung der Mitten-Wellenlänge wurde auch durch die Temperatureigenschaften verursacht. Im Gegensatz dazu nahm bei dem erfindungsgemäßen Aufbau, der mit der Kompensationsschicht 5 versehen war, die Änderung der Mitten-Wellenlänge für die erwähnte Temperaturschwankung auf etwa 1/5 oder weniger ab. Auch die Verschiebung der Mitten-Wellenlänge, die der Abweichung der Abmessungen des Wellenleiters während der Herstellung davon zuzuschreiben ist, konnte auf etwa die Hälfte oder darunter gedrückt werden. Des weiteren nahm die Änderung der Kopplungseigenschaften in Abhängigkeit von der Polarisationsebene ab. Die Gesamt-Änderung der Mitten-Wellenlänge konnte daher auf 10 nm oder weniger gebracht werden.
Die Fig. 4A und 4B zeigen eine Ausführungsform eines Modulators/Schalters des Richtungskopplertyps, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenleiters aufgebaut wurde, wobei die Fig. 4A eine Vorderansicht und die Fig. 4B eine Seitenansicht ist. Diese Ausführungsform besteht darin, daß Planarelektroden 8-1 und 8-2 im Koppelbereich eines Richtungskopplers angeordnet sind. Wenn an die Elektroden eine Spannung V angelegt wird, entsteht ein Unterschied Δβ in den Ausbreitungskonstanten zwischen den geführten Lichtstrahlen, die sich durch die zwei Wellenleiterkerne 3-1 und 3-2 fortpflanzen. Das heißt,
Δβ = 0 für V = 0
wird zu
Δβ = βa - βb für V = V&sub0;.
βa und βb bezeichnen hier die Ausbreitungskonstanten der Lichtsignale, die sich in den Kernschichten 3-1 bzw. 3-2 fortpflanzen. Wie aus den obigen Gleichungen ersichtlich ist, kann durch Steuern des Wertes V&sub0; ein in einen Anschluß i eingetretenes Lichtsignal entweder zu einem Anschluß k oder zu einem Anschluß 1 geführt werden, wodurch diese Ausführungsform eine Schaltfunktion aufweist. Wenn bei diesem Aufbau keine Kompensationsschicht 5 vorgesehen wird, ändern sich die Eigenschaften des zum Anschluß k oder zum Anschluß 1 zu führenden Lichtsignales aufgrund von Temperaturschwankungen, wie es oben beschrieben ist, während die Änderungen durch die Kompensationsschicht 5 unterdrückt werden können.
Die Fig. 5A und 5B zeigen eine Ausführungsform eines optischen Modulators des Verzweigungs-Interferenztyps, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenleiters aufgebaut wurde, wobei die Fig. 5A eine Vorderansicht und die Fig. 5B eine Seitenansicht ist. Ein in einen Eingangsanschluß 10 eingetretenes Lichtsignal wird durch Verzweigung an der Eingangsseite in zwei gleiche Teile aufgeteilt. Zum Beispiel wird das geführte Licht, das sich durch einen oberen Wellenleiterpfad fortpflanzt, durch eine von außen angelegte Spannung V einer Phasenänderung ΔΘ unterworfen. Wenn der sich ergebende geführte Lichtstrahl mit dem geführten Referenz-Lichtstrahl zusammengebracht wird, der durch einen unteren Wellenleiterweg gelaufen ist, um an einer Verzweigung an der Ausgangsseite zu interferieren, ändert sich die Intensität des Ausgangslichtes entsprechend der Phasendifferenz ΔΘ zwischen den beiden Lichtsignalen. Wenn dabei Z-geschnittenes LiNbO&sub3; verwendet wird, dessen TM-Mode angeregt ist, werden die durch die oberen und unteren Wellenleiterpfade geführten Lichtstrahlen jeweils einer Phasenänderung von ΔΘ bzw. -ΔΘ unterworfen, und der Phasenunterschied zwischen den beiden geführen Lichtstrahlen wird zu 2ΔΘ. Das heißt, es ist ein Gegentaktbetrieb möglich, und es kann eine optische Modulation wirksam ausgeführt werden. Ohne die Kompensationsschicht 5 ändert sich der obige Winkel ΔΘ in Abhängigkeit von der Temperatur, so daß der Signal-Rausch-Abstand verschlechtert ist, während diese Verschlechterung mit dem erfindungsgemäßen Aufbau verhindert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Das Substrat kann außer aus Si auch aus Glas wie GaAs, InP, LiNbO&sub3; oder SiO&sub2; bestehen. Außer aus Glas können die Schichten, die an der Vorder- und Rückseite des Substrates ausgebildet werden, auch aus Kunststoff schichten, Schichten aus magnetischen Substanzen, kristallinen Schichten (aus, zum Beispiel, InGaAsP, InGaAlAs oder GaAlAs), Metallschichten, einer Kombination dieser Schichten oder dergleichen bestehen. Die Kompensationsschicht kann nicht nur auf der gesamten Rückseite des Substrates ausgebildet sein, sondern auch nur auf einem Teil der Rückseite. Außerdem kann die Kompensationsschicht aus einer oder mehr Schichten bestehen.
Erfindungsgemäß wird auf der Rückseite des Substrates eine Schicht ausgebildet, die als Kompensationsschicht dient und die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem einer Schicht ist, die an der Vorderseite des Substrates ausgebildet wird. Mit der Erfindung kann daher die sehr nützliche Wirkung erhalten werden, daß die Änderungen in den Lichtausbreitungseigenschaften, die mit einer thermischen Spannung verknüpft sind, verringert sind, daß die Krümmung des Substrates während der Ausbildung einer Schicht klein gehalten werden kann und daß das Auftreten von Rissen, die auf einer Restspannung beruhen, verringert werden kann.

Claims

1. Optische Vorrichtung des Wellenleitertyps mit einem Substratplättchen (1), einer ersten Schicht (2), die einen Wellenleiterkern zur Lichtausbreitung enthält oder trägt, wobei die Schicht auf einer Hauptfläche des Substratplättchens (1) vorgesehen ist,

gekennzeichnet durch eine zweite Schicht (5, 6), die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem der ersten Schicht (2) ist und die auf der anderen Hauptfläche des Substrates (1) vorgesehen ist, wobei die zweite Schicht als Kompensationsschicht dient, die das Substrat daran hindert, sich zu krümmen, wenn es Temperaturschwankungen unterworfen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kompensationsschicht (5, 6) als eine Anzahl von Schichten ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Schichten (2...4, 5, 6), die auf dem Substratplättchen (1) ausgebildet sind, aus einer Glasschicht, einer Kunststoffschicht, einer Schicht aus einer magnetischen Substanz, einer kristallinen Schicht, einer Metallschicht oder einer Kombination solcher Schichten besteht.