DE4305492C2 - Integriert-optischer Polarisator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Polarisator, bestehend aus einem Substratkörper, insbesondere einem Lithiumniobatkristall, entlang dessen Oberfläche sich ein durch Eindiffusion von Titan hergestellter streifenförmiger, monomodiger, optischer Titan-Wellenleiter erstreckt, der zumindest auf einem Teil seiner Länge einen protonenausgetauschten Bereich aufweist.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen integriert-opti­ schen Polarisators.

Es ist ein integriert-optischer Polarisator bekannt, der aus einem Lithiumniobatkristall besteht, entlang dessen Oberfläche sich ein durch Eindiffusion von Titan hergestellter streifenförmiger, optischer Wellenleiter erstreckt und bei dem auf einem Abschnitt des Wellenleiters eine dielektri­ sche Schicht und darauf eine Metallschicht angeordnet ist (D.E. Leslie, J.L. Nightingal, M.M. Fejer "Integrated Optical Polarizers at 830 and 1300 nm" in Integrated and Guided Wave Optics, 1989 Technical Diges Series, Vol. 4, Febr. 6-8, 1989, Houston, Texas, USA, p. 266). Dielektrische Schicht und Metallschicht bewirken, daß bei Einkopplung von Licht in den Wellenleiter eine TM- polarisierte Mode stark absorbiert, eine TE-Mode dagegen den Wellenleiter mit geringen Verlu­ sten passieren kann. Um eine starke Absorption der TM-Mode und damit einen großen Polarisa­ tionsgrad zu erreichen, bedarf es dabei allerdings der Herstellung einer dielektrischen Schicht mit genau definierter Dicke und Brechzahl. Bei einer Massenproduktion ist diese Forderung nur schwer realisierbar. Ein weiterer Nachteil besteht ferner darin, daß eine Steigerung der ge­ wünschten Dämpfung der TM-Mode auch mit einer Erhöhung der unerwünschten Verluste für die TE-Mode einhergeht. D.h., soll eine starke Unterdrückung der TM-Mode, beispielsweise in der Größenordnung von 40 bis 45 dB, er­ reicht werden, so muß eine Dämpfung von 1,5 bis 2 dB für die TE-Mode in Kauf genommen werden. Darüber hinaus verursachen die abrupten Übergänge an den Schichträndern Streuun­ gen, die zusätzliche Verluste mit sich bringen und zu einer Abschwächung der TM-Moden-Unter­ drückung führen. Nachteilig ist auch, daß diese Art Polarisator eine resonante Absorption auf­ weist, denn dies bedeutet eine starke Wellenlängenabhängigkeit, die um so stärker ist, je besser der Polarisator funktioniert. Außerdem kann mit diesem Polarisatortyp nur ein TE-Pass-Polarisator realisiert werden.

Es ist auch ein integriert-optischer Polarisator bekannt, der aus einem Lithiumniobatkristall mit in dessen Oberfläche eindiffundiertem streifenförmigen, optischen Wellenleiter besteht, bei dem der Wellenleiter eine Unterbrechung aufweist, in die ein protonenausgetauschtes und getemper­ tes Wellenleiterstück eingebaut ist (T. Findakly, B. Chen "Single-mode transmission selective integratedoptical polarisers in LiNbO₃", Electr. Lett., 20 (1984)128). Das protonenausgetauschte Stück, das ungefähr die gleiche Breite wie der Titan-Wellenleiter hat, übernimmt hierbei die polarisierende Wirkung, indem es nur außerordentlich polarisierte Moden hindurchläßt. Die ordentlich polarisierten Moden werden in diesem Wellenleiterstück nicht geführt, sie werden vielmehr in den als Substratkörper dienenden Lithiumniobatkristall ausgestrahlt. Da kleine Ver­ schiebungen oder Winkelfehler des eingebauten protonenausgetauschten Stückes zusätzliche Verluste für die transmittierte außerordentliche Mode bedeuten, ist eine hochgenaue Justierung dieses Stückes relativ zum Titan-Wellenleiter notwendig. Eine solche Ausrichtung erfordert einen nicht unerheblichen zeitlichen und gerätetechnischen Aufwand, was besonders bei einer Massenproduktion mit Ganzwaferbearbeitung hinderlich ist. Ein weiterer Nachteil besteht in der Notwendigkeit einer genauen Anpassung der Modenfelder der außerordentlichen Mode an den Übergängen zwischen Titan-Wellenleiter und protonenausgetauschtem Stück um weitere Ver­ luste zu vermeiden. Das erfordert eine genaue Kontrolle der Prozeßparameter, insbesondere der Temperatur und der Zeit des Protonenaustausches und des Temperns bei der Herstellung des protonenausgetauschten Stückes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen integriert-optischen Polarisator der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem eine hochgenaue und damit aufwendige Justage des protonenausgetauschten Bereiches relativ zum Titan-Wellenleiter entbehrlich ist, und der sich zudem durch ein großes Polarisationsvermögen und eine möglichst geringe Dämpfung für die durchgelassene Mode auszeichnet.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich ist, daß sich der protonenausgetauschte Bereich auch beiderseits des Titan-Wellenlei­ ters in den Substratkörper erstreckt und insgesamt eine Breite aufweist, die mindestens 3mal so groß wie die Breite des Titan-Wellenleiters ist, wobei die Tiefe des protonenausgetauschten Bereiches im Bereich des Titan-Wellenleiters kleiner als im Substratkörper beiderseits des Titan- Wellenleiters ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Breite des protonenaus­ getauschten Bereiches bis zum Zehnfachen der Breite des Titan-Wellenleiters beträgt.

Eine mögliche günstige Ausbildungsform der Erfindung besteht auch darin, daß der protonen­ ausgetauschte Bereich zwei voneinander getrennte entlang des Titan-Wellenleiters hintereinan­ der angeordnete Teilbereiche aufweist.

Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen integriert-optischen Polarisators anzugeben. Dabei soll sich das Verfahren durch einen möglichst geringen Aufwand auszeichnen und insbesondere auch für eine Massenproduktion geeignet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines integriert-optischen Polarisators, bei dem auf einem Substratkörper, inbesondere einem Lithiumniobatkristall, zunächst durch Eindiffusion von Titan ein sich entlang der Oberfläche des Substratkörpers erstreckender streifenförmiger, monomodiger, optischer Titan-Wellenleiter erzeugt wird, zeichnet sich dadurch aus, daß sodann in einem weiteren Diffusionsprozeß von der Oberfläche her durch Protonenaustausch eine dünne Schicht hergestellt wird, die sich über einen Abschnitt des Titan-Wellenleiters und beiderseits des Titan-Wellenleiters in den Substratkörper erstreckt, wobei die Schicht mehrere Stunden bei 350 bis 400°C getempert wird und deren Breite so groß ist, daß eine Schicht entsteht, deren Breite mindestens 3mal so groß ist wie die Breite des Titan-Wellenleiters.

Die Dicke der dünnen Schicht beträgt vorzugsweise 0,5 bis 1,5 µm.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnitt-Darstellung eines bekannten integriert-optischen Polarisators,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines weiteren bekannten inte­ griert-optischen Polarisators,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen inte­ griert-optischen Polarisators und die

Fig. 4a bis 4c jeweils in einer Schnitt-Darstellung verschiedene Stufen des Verfahrens zur Herstellung eines integriert-optischen Polarisa­ tors nach der Erfindung.

Der integriert-optische Polarisator nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 besteht aus einem Lithiumniobatkristall 1 als Substratkörper, entlang dessen Oberfläche sich ein durch einen Diffusionsprozeß eingebrachter streifenförmiger Titan-Wellenleiter 2 erstreckt, darüber hinaus aus einer den Wellenleiter 2 an der Oberfläche bedeckenden dünnen dielektrischen Schicht 3 sowie einer darauf beispielsweise durch Aufdampfen aufgebrachten Metallschicht 4. Bei einem solchen Polarisator wird die polarisationsabhängige Absorption der Metall­ schicht 4 genutzt, die dadurch entsteht, daß nur bei TM-Polarisation der im Wellenleiter 2 geführten optischen Mode auf dem Metall eine elektrische Oberflächenladung erzeugt wird, die schließlich als sich entlang der Oberfläche ausbreitende Welle Energie absorbiert. Die TE-Mode hingegen vermag eine derartige Oberflächenladung nicht zu erzeugen und wird mit einer wesentlich geringeren Dämpfung im Wellenleiter 2 geführt. Die dünne dielektrische Schicht 3 sorgt dabei für eine resonanzartige Verstärkung der Absorption des TM-polari­ sierten Lichtes einerseits und für eine Verringerung der auftretenden Restabsorption für TE- Moden andererseits. Ein derartiger Polarisator ist jedoch mit den eingangs erläuterten Nachteilen behaftet, insbesondere mit der Notwendigkeit, eine dielektrische Schicht mit ei­ ner sehr genau kontrollierten Dicke und Brechzahl herstellen zu müssen.

Der integriert-optische Polarisator nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 weist wie der in Fig. 1 dargestellte Polarisator - und deshalb mit den nämlichen Bezugszeichen versehen - einen Lithiumniobatkristall 1 als Substratkörper und einen entlang dessen Oberfläche sich erstreckenden, durch Titaneindiffusion hergestellten streifenförmigen Wellenleiter 2, jedoch keine dielektrische Schicht 3 und auch keine Metallschicht 4 auf. Statt dessen wird der Pola­ risationseffekt hierbei dadurch erreicht, daß der Titan-Wellenleiter 2 durch einen eingebauten protonenausgetauschten und getemperten Bereich 5 auf einem Teilstück seiner Länge quasi unterbrochen ist und dieser protonenausgetauschte Bereich 5, der hierbei ungefähr die glei­ che Breite wie der Titan-Wellenleiter 2 hat, bei Einstrahlung von Licht in den Wellenleiter 2 im wesentlichen nur eine außerordentlich polarisierte Mode hindurch läßt, eine ordentliche Mode hingegen nicht geführt und schnell in den Substratkörper 1 ausgestrahlt wird. Der Hauptnachteil dieses bekannten Polarisators ist vor allem darin zu sehen, daß die ge­ wünschte Polarisatorwirkung eine hochgenaue, d. h. im Submikrometerbereich liegende Ju­ stierung des eigentlichen Polarisatorstückes, d. h. des protonenausgetauschten Bereiches 5, relativ zum Titan-Wellenleiter 2 erfordert.

Beim in Fig. 3 schematisch,dargestellten erfindungsgemäßen integriert-optischen Polari­ sator sind vorgenannte Nachteile vermieden. Dieser Polarisator weist gleichfalls einen Lithiumniobatkristall 1 als Substratkörper auf. In den Lithiumniobatkristall 1 sind im gewähl­ ten Beispiel durch Titan-Eindiffusion von der Oberfläche her zwei streifenförmige, monomo­ dige, optische Wellenleiter 2 eingebracht, die sich jeweils von einer Stirnseite des Substrat­ körpers 1 zur anderen erstrecken. Dabei handelt es sich um einen Lithiumniobatkristall 1 im X-Schnitt mit in Y-Richtung angeordneten Wellenleitern 2. Andere Geometrien, d. h. die Ver­ wendung eines in Y-Richtung geschnittenen Lithiumniobatkristalles mit der Lichtausbrei­ tungsrichtung entlang der X-Achse oder eines Lithiumniobatkristalles im Z-Schnitt und der X- oder Y-Achse als gewählter Lichtausbreitungsrichtung, sind jedoch auch möglich.

Im Unterschied zum bekannten Polarisator gemäß Fig. 2 ist bzw. sind nun aber beim erfin­ dungsgemäßen Polarisator, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, ein protonenausgetauschter Be­ reich 6 oder auch zwei hintereinander angeordnete, beispielsweise 1 bis 3 mm lange und damit in ihrer Länge gegenüber dem Bereich 6 vergleichsweise kurze Bereiche 7 vorgese­ hen, der bzw. die sich auch beiderseits des Titan-Wellenleiters 2 in den Lithiumniobatkristall 1 erstrecken und dabei jeweils insgesamt eine Breite b aufweisen, die ein Mehrfaches der Breite a des Wellenleiters 2 beträgt. Darüber hinaus sind diese protonenausgetauschten Be­ reiche 6, 7 so ausgebildet, daß ihre Tiefe im Bereich des Titan-Wellenleiters 2 kleiner als im reinen Lithiumniobatkristall 1 zu beiden Seiten des Wellenleiters 2 ist.

Diese Struktur wird wie in Fig. 4 veranschaulicht folgendermaßen hergestellt:
Zunächst wird in bekannter Weise auf die Oberfläche des Lithiumniobatkristalles 1 Titan in Form eines Streifens 2 aufgebracht und das Titan durch einen Diffusionsprozeß in den Lithiumniobatkristall 1 eindiffundiert, so daß der sich entlang der Oberfläche erstreckende Titan-Wellenleiter 2 entsteht (Fig. 4a). Danach wird von der Oberfläche her gleichfalls durch einen Diffusionsprozeß eine dünne, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 µm dicke, protonenausge­ tauschte Schicht 6′ erzeugt (Fig. 4b). Diese Schicht 6′ hat bereits eine Breite, die ein Mehr­ faches der Breite a des Wellenleiters 2 beträgt. Schließlich wird diese Schicht 6′ mehrere Stunden bei 350 bis 400°C getempert. Wie Messungen gezeigt haben, entsteht im Ergebnis der protonenausgetauschte Bereich 6, der dadurch charakterisiert ist, daß die Diffusionstiefe der Protonen im Bereich des Titanwellenleiters 2 geringer als im reinen Lithiumniobatkristall beiderseits des Wellenleiters 2 ist (Fig. 2c).

Der Polarisator funktioniert wie folgt:
Eine durch stirnseitige Lichteinkopplung im Titan-Wellenleiter 2 angeregte außerordentlich polarisierte Mode wird auch durch den protonenausgetauschten Bereich 6 mit sehr geringen Verlusten hindurchgelassen, weil durch den Protonenaustausch die außerordentliche Brech­ zahl erhöht und somit die Führung der außerordentlichen Mode nicht unterbrochen wird. Für eine ordentliche Mode hingegen wird im Bereich 6 eine negative Brechzahländerung produ­ ziert, welche die von der Titan-Diffusion herrührende positive Brechzahländerung kompen­ siert. Hierdurch wird die Führung dieser Mode unterbrochen und diese in den Lithiumniobat­ kristall 1 ausgestrahlt.

Der erfindungsgemäße Polarisator zeichnet sich dabei durch folgende Vorteile aus:
Dadurch, daß der protonenausgetauschte Bereich 6 bzw. 7 mit einer Breite b von 20 bis 30 µm viel breiter als der Titan-Wellenleiter 2 mit einer Breite von 3 bis 6 µm ist, entfällt die an­ sonsten notwendige genaue Justierung dieses Bereiches 6 bzw. 7 bezüglich des Wellenlei­ ters 2. Wie sich gezeigt hat, beeinflussen seitliche Verschiebungen des Bereiches 6 bzw. 7 von mehreren Mikrometern die Polarisatorwirkung in keiner Weise. Das Herstellungsverfah­ ren garantiert zudem, daß der Wellenleiterabschnitt mit Protonenaustausch automatisch ideal zu den davor und dahinterliegenden Wellenleiterabschnitten ohne Protonenaustausch ausgerichtet ist. Vorteilhaft ist auch, daß aufgrund der verhältnismäßig langen Temperzeit die Übergänge zwischen protonenausgetauschtem und dem nicht protonenausgetauschten Be­ reich nicht abrupt, sondern stark "verwaschen" sind, weil dadurch die Streuverluste an die­ sen Übergängen erheblich reduziert werden konnten. Die Einhaltung der Prozeßparameter wie Protonenaustausch- und Temperzeit ist dabei wesentlich unkritischer als bei der Her­ stellung des anhand der Fig. 2 beschriebenen bekannten Polarisators. Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, daß der erfindungsgemäße Polarisator nur eine schwache Wellenlängenabhängigkeit aufweist. Schließlich können in Abhängigkeit vom verwendeten Kristallschnitt sowohl Polarisatoren, welche die TM-Mode als auch solche, welche die TE- Mode transmittieren, hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Polarisator kann im übrigen auch für Wellenleiter auf einem Lithiumtantalatkristall als Substratkörper realisiert werden.

Claims (5)

1. Integriert-optischer Polarisator, bestehend aus einem Substratkörper (1), insbesondere einem Lithiumniobatkristall, entlang dessen Oberfläche sich ein durch Eindiffusion von Titan hergestellter streifenförmiger, monomodiger, optischer Titan-Wellenleiter (2) er­ streckt, der zumindest auf einem Teil seiner Länge einen protonenausgetauschten Bereich (6; 7) aufweist, der sich auch beiderseits des Titan-Wellenleiters (2) in den Substratkörper (1) erstreckt und insgesamt eine Breite b aufweist, die mindestens 3mal so groß wie die Breite a des Titan-Wellenleiters (2) ist, wobei die Tiefe des protonenausgetauschten Bereiches (6; 7) im Bereich des Titan-Wel­ lenleiters (2) kleiner als im Substratkörper (1) beiderseits des Titan-Wellenleiters (2) ist.

2. Integriert-optischer Polarisator nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß die Breite b des protonenausgetauschten Bereiches (6; 7) bis zum Zehnfachen der Breite a des Titan-Wellenleiters (2) beträgt.

3. Integriert-optischer Polarisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der protonenausgetauschte Bereich (7) zwei voneinander getrennte, entlang des Titan-Wellenleiters (2) hintereinander angeordnete Teilbereiche aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung eines integriert-optischen Polarisators, bei dem auf einem Substratkörper (1), insbesondere einem Lithiumniobatkristall, zunächst durch Eindiffusion von Titan ein sich entlang der Oberfläche des Substratkörpers (1) erstreckender streifen­ förmiger, monomodiger, optischer Titan-Wellenleiter (2) erzeugt wird, sodann in einem weiteren Diffusionsprozeß von der Oberfläche her durch Protonenaustausch eine dünne Schicht (6′) hergestellt wird, die sich über einen Abschnitt des Titan-Wellenleiters (2) und beiderseits des Titan-Wellenleiters (2) in den Substratkörper (1) erstreckt, wobei die Schicht (6′) mehrere Stunden bei 350 bis 400°C getempert wird und deren Breite so groß ist, daß eine Schicht (6) entsteht, deren Breite b mindestens 3mal so groß ist wie die Breite a des Titan-Wellenleiters (2).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dünnen Schicht (6′) 0,5 bis 1 ,5 µm beträgt.