DE4320128A1

DE4320128A1 - Monotyp-Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE4320128A1
Application number: DE4320128A
Authority: DE
Inventors: Masanori Nakamura
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1992-06-18
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: US5291576A; JPH063546A; NL9301058A; DE4320128B4; GB9312524D0; GB2267975B; GB2267975A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Monotyp-Lichtwellenlei ter (Monomode-Lichtwellenleiter) und insbesondere mit einem Lichtwellenleiter zum Einsatz als ein optischer Modulator und ein optischer Schalter in einer optischen integrierten Schaltung, welche bei einem Lichtleitfaser-Kommunikations system, einem optischen Informationsverarbeitungssystem, einem optischen Sensorsystem, einem optischen Datenverar beitungssystem und dergleichen eingesetzt wird.

Infolge der jüngsten fortschreitenden Entwicklung bei einem Monotyp (Monomode) Lichtwellenleiter und den Lichtleitfasern hierzu, sowie eines Monowellenlängenlasers, wurde eine optische Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit G b/s in der Pra xis eingesetzt. Insbesondere der Lichtwellenleiter, der hin sichtlich einer besseren Anpassungsfähigkeit der Monotyp- Lichtleitfaser überlegen ist, stellt eine Schlüsselfunktion bei einer zukünftigen Entwicklung von Lichtleitfaser-Kommu nikationssystemen dar.

Zur Erstellung von Lichtleitfaser-Kommunikationsnetzwerken auf dem Gebiet von optischen Kommunikationssystemen ist es erforderlich, eine optische Einrichtung, wie einen opti schen Matrixschalter, einen optischen Modulator oder der gleichen zu entwickeln. Der Monomode-Lichtwellenleiter ist eine Komponente einer derartigen optischen Einrichtung.

Als eine optische Einrichtung hierfür wurde eine Anzahl von optischen Einrichtungen entwickelt, bei denen eine Kanal führung mit Ti-diffundiertem LiNbO₃ eingesetzt wird. LiNbO₃ wird im allgemeinen als eine optische Einrichtung unter Nutzung des elektrooptischen Effekts eingesetzt, da es eine relativ große elektrooptische Konstante unter den stabilen anorganischen optischen Kristallen hat. Eine Ti-Diffusions methode und eine Protonaustauschmethode sind an sich als ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters bzw. einer Wel lenführung bekannt.

Eine derartige optische Einrichtung wird dadurch gebildet, daß man eine Monomode-Kanalwellenführung nutzt, welche nur einen Grundtyp bzw. eine Grundmode überträgt, um eine unnö tige Typumwandlung infolge der Interferenz und der gering fügigen Störungen zwischen den Typen bei der Wellenleitung zu vermeiden.

Als ein Material für die Herstellung der optischen Einrich tung der vorstehend beschriebenen Art ist LiNbO₃ erwünscht und wird heutzutage eingesetzt. Jedoch kann bei LiNbO₃ bei einem (1) LiNbO₃ Lichtwellenleiter, hergestellt nach der Ti- Diffusionsmethode, eine Wellenleitung bei einer kurzen Wel lenlänge oder bei sichtbarem Licht infolge des großen opti schen Verlustes vornehmen, und (2) ein LiNbO₃ Lichtwellen leiter, hergestellt nach der Protonenaustauschmethode hat eine unterschiedliche Kristallisierbarkeit von jener eines rohen LiNbO₃ nach der Herstellung des Wellenleiters, so daß zusammen mit weiteren Gründen eine elektrooptische Konstante kleiner als bei einem großvolumigen Kristall (oder LiNbO₃) ist. Wenn daher ein derartiger Lichtwellenleiter als optische Einrichtung für einen optischen Schalter oder einen Richtungs koppler, als optischer Modulator oder dergleichen eingesetzt wird, dann ist eine Schwierigkeit in dem Unvermögen zu sehen, daß man eine elektrische Energieersparnis und eine Verkleine rung realisieren kann, da eine größere Schaltspannung und eine größere effektive Länge erforderlich sind.

Der LiNbO₃-Wellenleiter mit Ti-Diffusion wird durch Diffu sion von Ti bei 1000°C hergestellt, während der LiNbO₃-Wel lenleiter nach dem Protonaustauschverfahren derart hergestellt wird, daß der Protonaustausch bei etwa 200°C erfolgt. Wenn daher die Temperatur auf den Curie-Punkt von LiNbO₃ für die se Wellenlängen ansteigt, ergibt sich eine Schwierigkeit da hingehend, daß Ti oder das Proton so ausreichend stark dif fundieren, daß man einen Wellenleiter mit sich veränderndem Typprofil erhält, oder daß der Wellenleitertyp nicht mehr vor handen ist.

Dann haben die vorliegenden Erfinder gefunden - wie dies in der offengelegten japanischen Patentanmeldung No. 12,095/92 angegeben ist - daß die vorstehend genannte Schwierigkeit durch einen schwächeren elektrooptischen Effekt verursacht wird, welcher seine Ursache in seiner Gitterversetzung zwi schen einem Substrat und einem kristallinen Material hat, welche den Wellenleiter bilden. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, erfolgt die Gitterabstimmung zwischen dem LiTaO₃- Monokristallsubstrat und der LiNbO₃-Monokristalldünnfilmwel lenleiterschicht dadurch, daß ein Na-Gehalt in einem Bereich von 0,1 bis 14,3 Mol% und ein Mg-Gehalt in einem Bereich von 0,8 bis 10,8 Mol% in dem LiNbO₃-monokristallinen Wellenlei ter eingeschlossen sind, wodurch ein Verfahren zur Herstel lung einer optischen Einrichtung mit einem verbesserten elek trooptischen Effekt bereitgestellt wird.

Um einen derartigen Lichtwellenleiter in Form einer praktisch einsetzbaren Einrichtung der vorstehend beschriebenen Art einzusetzen, muß man den Monomode-Lichtwellenleiter erhalten, aber der vorstehend beschriebene gitterabgestimmte LiNbO₃-Wel lenleiter, welcher von den vorliegenden Erfindern vorgeschla gen wurde, hat einen Brechungsindex, welcher sich von jener des üblichen LiNbO₃-Wellenleiters unterscheidet, so daß die Bedingungen für den Monotyp unterschiedlich sind und daß man somit bei dem LiNbO₃-Wellenleiter der üblichen Auslegung nicht eine gewünschte Monotyp-Übertragung (Monomode-Übertragung) er hält.

Die Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend genannten Schwierigkeiten bei dem Monomode-Lichtwellenleiter zu über winden.

Ferner soll nach der Erfindung ein Monomode-Lichtwellenleiter bereitgestellt werden, welcher das Vermögen hat, nur einen Grundtyp zu übertragen.

Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß der Zusammenhang zwischen der Dicke des Lichtwellenleiters und der Wellenlän genstreuung im Monomode-Bereich durch die Ermittlungen aufge funden wurde, und wenn der Lichtwellenleiter in dem Bereich derart ausgebildet wird, daß die Wellenlänge und die Dicke des Lichtwellenleiters eine spezifische Gleichung erfüllen, man einen bevorzugten Monomode-Wellenleiter erhalten kann, welcher sich nicht nur bei einer passiven optischen Einrich tung, sondern auch bei einer aktiven optischen Einrichtung unter Einsatz eines elektrooptischen Effekts, eines thermo optischen Effekts, eines akustooptischen Effekts oder der gleichen einsetzen läßt.

Nach der Erfindung wird ein Monomode-Lichtwellenleiter be reitgestellt, welcher ein Kristall aus einer LiNbO₃Dünnfilm lichtleiterschicht aufweist, welche wenigstens einen Na-Ge halt in einem Bereich von 0,1 bis 14,3 Mol% und einen Mg-Ge halt in einem Bereich von 0,8 bis 10,8 Mol% umfaßt, wodurch zur Gitterabstimmung von der LiNbO₃-Dünnfilmlichtleiter schicht und dem LiTaO₃-Einkristallsubstrat der folgende Zu sammenhang erfüllt wird:
Beim TM-Typ

1.9 < (T + 0.7)/λ < 5.7 (T < 0)

beim TE-Typ

0.29 < (T + 0.04)/λ < 1.19 (T < 0)

wobei T(µm) eine Dicke der Wellenleiterschicht darstellt und λ (µm) eine geführte Wellenlänge ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Monomode-Lichtwel lenleiters nach der Erfindung erfüllt die Form des Lichtwel lenleiters der Stegbauart den folgenden Zusammenhang:
Beim TM-Typ

W ≦ (4λ - 0.5) × (λ²/ΔT + 2.0)

beim TE-Typ

W ≦ (0.04 λ³ + 0.1λ²)/ΔT + 2.5λ

wobei W(µm) eine Breite des Wellenleiters darstellt, und ΔT(µm) eine Ätztiefe darstellt.

Nach der Erfindung wurde gefunden, daß Na und Mg in dem LiNbO₃- Monokristall eingeschlossen sind, so daß die Wellenlängenstreu ung des Brechungsindex n von LiNbO₃ den folgenden Zusammen hang erfüllt:
Beim TM-Typ

n = 2.086 + (0.00294/λ⁵)-(0.0216/λ⁴) + (0.0750/λ³) - (0.120/λ²) + (0.127/λ) + na

wobei in diesem Fall na unterschiedliche Werte für die Wel lenlängen annimmt

na = -0.01 (λ < 0.53)
na = 0.0462 × λ -0.0345 (λ ≦ 0.53)

beim TE-Typ

n = 2.158 + (0.00224/λ⁵) - (0.0156/λ⁴) + (0.0580/λ³) - (0.0856/λ²) + (0.119/λ) + nb

in diesem Fall nimmt nb unterschiedliche Werte für die Wellen längen an

nb = 0.00175 × λ - 0.00411 (λ < 0.63)
nb = 0.0174 × λ - 0.014 (λ ≦ 0.63)

wobei λ die Wellenlänge (µm) ist.

Wenn man den Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ der ge führten Welle, der Dicke T (µm) des Dünnfilms und des geführ ten Typs untersucht, so ergibt sich, daß man eine Monomode- Übertragung in dem Bereich mit den folgenden Bedingungen er hält:
Beim TM-Typ

1.9 < (T + 0.7)/λ < 5.7 (T < 0)

beim TE-Typ

0.29 < (T + 0.04)/λ < 1.19 (T < 0)

wobei T(µm) eine Dicke des Wellenleiters darstellt und λ (µm) eine Wellenlänge des geführten Lichts.

Nach der Erfindung ist der Wellenleiter als ein Monomode-Wel lenleiter ausgelegt, und es wird ermöglicht, daß sich die Er zeugung von unnötigen Typen und einer instabilen Erscheinung wie bei der Typenumwandlung infolge von Störungen verhindern lassen. Auch kann man auf diese Weise eine aktive Einrich tung, welche das wellengeführte Licht steuert, dadurch erhal ten, daß man den Lichtwellenleiter mit einer Lichtquelle über ein Prisma durch Ausbilden von Elektroden oder dergleichen koppelt.

Ferner ist es erwünscht, die folgenden Bedingungen zu erfüllen:
Beim TM-Typ

3.5 < (T + 0.7)/λ < 5.7 (T < 0).

Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß beim TM-Typ Na und Mg genutzt werden, um die Gitterabstimmung zu erzielen, so daß der Brechungsindex des LiNbO₃-Monokristalls kleiner als jener des üblichen LiNbO₃-Monokristalls wird. Darüber hinaus wird eine zulässige Breite des Monotyps größer als jene des üblichen LiNbO₃-Monokristallichtwellenleiters, und daher wird die Herstellung desselben einfacher.

Wenn man einen derartigen gitterabgestimmten LiNbO₃-Wellen leiter der Stegbauart mit einer kanalförmigen Gestalt aus legt, erhält man eine Monomode-Übertragung in dem Bereich mit folgendem Zusammenhang:
Beim TM-Typ

W ≦ (4λ-0.5) × (λ²/ΔT + 2.0)

beim TE-Typ

W ≦ (0.04λ³+ 0.1λ²)/ΔT + 2.5λ

wobei W(µm) eine Breite des Lichtwellenleiters darstellt, und ΔT(µm) eine geätzte Tiefe des Stegteils darstellt.

Eine derartige kanalförmige Ausbildung kann das Licht in einem kleineren Bereich enthalten, so daß dann, wenn die Lichtquelle mit dem Lichtwellenleiter über Lichtleitfasern oder Linsen ge koppelt wird und Elektroden angelegt werden, man auf einfache Weise eine kleine aktive Einrichtung zum Steuern des wellen geführten Lichts unter Einsatz des elektrooptischen Effekts, eines thermooptischen Effekts, des akustooptischen Effekts oder dergleichen erhalten kann.

Die Abstimmung der Gitterlänge bedeutet, daß die Gitterkonstan te des LiNbO₃-Monokristalls abgestimmt und innerhalb eines Be reiches von 99,81 bis 100,07%, vorzugsweise 99,92 bis 100,03% der Gitterkonstante des LiTaO₃-Monokristalls eingestellt wird.

Bei einer derartigen Konstruktion läßt sich eine Belastung (oder ein Kristalldefekt oder ein Gitterdefekt), bewirkt durch das Wachstum des LiNbO₃-Monokristalls bei der Flüssigphasen epitaxialmethode verhindern, so daß man einen LiNbO₃-Monokri stall-Lichtwellenleiter erhält, welcher einen elektrooptischen Effekt äquivalent zu jenem eines großvolumigen LiNbO₃-Mono kristalls erhält.

Ein Verfahren zum Bewirken einer derartigen Gitterabstimmung kann vorzugsweise ein Verfahren sein, welches die Erfinder in der Internationalen Patentanmeldung mit der Nummer PCT/JP/ 90/01207 vorgeschlagen haben. Dort sind in (1) ein Verfahren zum Einbringen von Na und Mg in das LiNbO₃-Monokristall; (2) ein Verfahren zum Verändern eines Verhältnisses von Li und Nb in einem Bereich von 41 / 59 bis 56 / 44; (3) ein Verfahren zum Reduzieren der Gitterlänge des LiTaO₃-Monokristall-Sub strats durch Ti-Dotieren oder dergleichen angegeben. Hierbei ist das Verfahren (1) das bevorzugteste, da die Gitterkonstan te des LiTaO₃-Monokristall-Substrats größer als jene des LiNbO₃- Monokristalls ist, so daß die Gitterkonstante des LiNbO₃-Mono kristalls dadurch vergrößert werden kann, daß Na und Mg in diesen enthalten sind.

Wenn Na und Mg in dem LiNbO₃-Monokristall enthalten sind, kann der Gehalt derselben vorzugsweise bei Na 0,1 bis 14,3 Mol% und bei Mg 0,8 bis 10,8 Mol% ausmachen.

Eine Fläche (0001) des LiNbO₃-Monokristall-Lichtwellenleiters muß derart ausgebildet werden, daß sie auf eine Fläche (0001) des LiTaO₃-Monokristallsubstrats laminiert ist.

Beim Schritt des Herstellungsverfahrens des Lichtwellenleiters nach der Erfindung kann eine Verunreinigung von Übergangsme tallen oder dergleichen eine Ursache für einen optischen Ver lust sein, welcher nicht in die Lichtwellenleiterschicht do tiert sind, so daß der optische Verlust hiervon kleiner als jener des Lichtwellenleiters ist, den man durch die Ti-Diffu sionsmethode erhält, und daß sich somit auch sichtbares Licht ohne Ausbreitungsverlust führen und leiten läßt.

Ein derartiger Lichtwellenleiter nach der Erfindung hat ei ne Eigenschaft, daß die Wärmebeständigkeit günstiger wird und die Eigenschaften des Lichtwellenleiters sich selbst dann nicht ändern, nachdem die Temperatur auf dem Curie-Punkt von LiNbO₃ angestiegen ist, da die Verunreinigung nicht diffun diert und die Gitterabstimmung der Kristalle des Substrats und des Lichtwellenleiters nicht vorgenommen wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er geben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeich nung. Darin zeigen:

Fig. 1a ∼ 1e perspektivische Ansichten eines optischen Mo dulators nach der Erfindung, und

Fig. 2a ∼ 2c Schnittansichten zur Verdeutlichung von Her stellungsverfahren eines Monotyp-(Monomode-) Lichtwellenleiters nach der Erfindung.

Der Lichtwellenleiter nach der Erfindung ist eine kanalförmi ge Lichtwellenleiteinrichtung, welche in Form einer geradli nigen Bauart, einer gebogenen Bauart, einer Y-Verzweigungs bauart, einer X-Verzweigungsbauart, einer konischen Bauart oder dergleichen ausgelegt ist.

Wie zuvor beschrieben wurde, kann der Lichtwellenleiter nach der Erfindung als ein Lichtwellenleiter dienen, wobei unter schiedliche optische Einrichtungen hierdurch gebildet werden können.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtwellenleiters nach der Erfindung wird nachstehend beschrieben.

Als ein Verfahren zum Herstellen eines LiNbO₃-monokristalli nen Lichtwellenleiters wird ein Verfahren zur Bildung eines LiNbO₃-monokristallinen Films auf dem LiTaO₃-monokristallinen Substrat 1 eingesetzt, wobei man in beiden Fällen eine Git terabstimmung vornehmen kann, und anschließend wird ein überschüssiger Teil dadurch entfernt, daß man eine Abdeckung unter Einsatz von Ti oder dergleichen vornimmt und den den Wellenleiter bildenden Teil auf trockene Weise ätzt, so daß man den Wellenleiter 2 erhält (siehe Fig. 2).

Das Verfahren zum Herstellen des LiNbO₃-Monokristalldünnfilms unter Zulassen einer Gitterabstimmung wird dadurch erhalten, daß das LiTaO₃-Monokristall-Substrat 1 in Kontakt mit einer Schmelze gebracht wird, welche Lithiumoxid - Vanadiumpentoxid - Niobpentoxid - Natriumoxid - Magnesiumoxid umfaßt.

Dieses Herstellungsverfahren ist in der offengelegten japa nischen Patentanmeldung No. 12,095/1992 angegeben.

Beispiel 1

(1) Zwei Mol% MgO in Relation zu einer theoretischen Menge von LiNbO₃, welche aus einer Schmelzenzusammensetzung sepa riert werden könnte, wurde einem Gemisch zugegeben, welches Na₂CO₃ mit 22 Mol%, Li₂CO₃ mit 28 Mol%, V₂9₅ mit 40 Mol% und Nb₂O₅ mit 10 Mol% enthält, wobei das erhaltene Mischmaterial in einen Platintiegel eingebracht wurde, in welchem das Ge misch auf bis zu 1100°C erwärmt wurde und ein Erschmelzen unter einer Luftatmosphäre in einem Epitaxialwachstum bil denden System, d. h. einem Ofen, erschmelzt wurde. Die hier bei erhaltene Schmelze in dem Tiegel wurde 12 Stunden lang mit einer Drehzahl von 100 l/min mittels eines Rührwerks ge rührt.

(2) Eine (0001)-Fläche eines LiTaO₃-Monokristalls mit einer Dicke von 2 mm wurde poliert.

(3) Dann wurde die Schmelze allmählich auf 915°C mit einer Kühlrate von 60°C pro Stunde abgekühlt, und dann wurde das Substrat 1 30 Minuten lang bei 915°C vorgewärmt und in die Schmelze getaucht, wobei eine Drehung mit 20 l/min 5 Minuten lang erfolgte. Eine Wachstumsrate von LiNbO₃ belief sich auf 1 µm pro Minute.

(4) Das Substrat 1 wurde aus der Schmelze entnommen und die überschüssige Schmelze wurde dadurch weggeschüttelt, daß eine Drehbewegung mit 1000 l/min 30 Sekunden lang erfolgte, und dann erfolgte eine allmähliche Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Kühlrate von 1°C pro Minute. Als Ergebnis erhielt man einen LiNbO₃-Monokristall-Dünnfilm mit Na und Mg Gehalten mit einer Dicke von etwa 5 µm, welche auf dem Substratmaterial ausgebildet war.

(5) Die Na- und Mg-Gehalte in dem so erhaltenen LiNbO₃-mono kristallinen Dünnfilm machten 3 Mol% und 2 Mol% jeweils aus. Eine Gitterlänge ("a" Achse) des Dünnfilms betrug 5,156 Å, ein außergewöhnlicher Brechungsindex, gemessen durch eingeführ tes Licht mit einer Wellenlänge von 1,15 µm belief sich auf 2,235 ± 0,00µ.

(6) Ein Ausbreitungsverlust des so erhaltenen Teils in Form einer Wellenführung wurde mit Hilfe einer Prismenkopplungsme thode gemessen, und ein Ausbreitungsverlust hiervon war klei ner als 1 dB pro cm bei einer Wellenlänge von 0,83 µm bei ei nem TM-Typ.

(7) Ein Teil des Wellenleiters war mit einem Muster versehen, und eine Ti-Maske wurde mittels einer photolithographischen Technik gebildet, und es wurde eine kanalförmige Wellenfüh rung mittels Ar-Plasmaätzen mit einer Stegbauweise herge stellt. Die Form des Wellenleiters hatte eine Breite von 10 µm mit einer Ätztiefe von 1 µm.

(8) Der Lichtwellenleiter, welcher auf diese Weise herge stellt war, wurde mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,55 µm beim TM-Typ gekoppelt, wobei der Wellenleitertyp ein Monowellenleitertyp war, und ein Ausbreitungsverlust, ge messen mit Hilfe einer Prismakopplungsmethode kleiner als 1 dB pro cm war. Es hat sich auf Grund von Meßergebnissen gezeigt, daß man eine Verschlechterung mit der Zeit keine Veränderung bei einem emittierenden Licht wenigstens während einer Zeit dauer von 24 Stunden zur Folge hatte.

(9) Der so erhaltene Wellenleiter erfüllt den folgenden Zusam menhang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ (µm) gemäß der voranstehenden Beschreibung, der Dicke T (µm) des Wellen leiters und der Breite W (µm) des Wellenleiters:

4.73 < T < 8.14
W < 25.09.

(10) Ferner wurde dieser Lichtwellenleiter während einer Zeitdauer von 12 Stunden auf 1000°C in einer Wasserdampf atmosphäre gehalten und wiederum mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,55 µm beim TM-Typ gekoppelt, wobei der Wellenleitertyp ein Monotyp war, und der Ausbreitungsver lust den gleichen Wert wie jener bei der Ausführungsform des Wellenleiters der Rohbauform war. Eine Verschlechterung mit der Zeit bei einem emittierenden Licht änderte sich wenig stens während einer Zeitdauer von 24 Stunden infolge eines Meßergebnisses nicht.

(11) Eine Siliciumpufferschicht wurde auf den Lichtwellenlei ter 2 aufgebracht, welchen man auf die vorstehend beschriebe ne Verfahrensweise erhielt, und zwar mittels der CVD-Methode, und eine Aluminiumelektrode wurde auf dem Wellenleiter mit Hilfe von photolithographischen und Dampfabscheidetechniken ausgebildet. Eine elektrooptische Konstante (r33) des Licht wellenleiters belief sich auf 30 pm/V, was im wesentlichen gleich einem Wert eines großvolumigen LiNbO₃-Monokristalls ist, was sich auf Grund einer praktischen Messung ergab.

Beispiel 2

(1) Fünf Mol% MgO bezüglich einer theoretischen Menge von LiNbO₃, welche aus der Schmelzenzusammensetzung separiert werden könnte, wurde einem Gemisch zugegeben, welches Li₂CO₃ mit 44,3 Mol%, V₂O₅ mit 46,4 Mol%, Nb₂O₅ mit 9,3 Mol% und Na₂CO₃ mit 27,2 Mol% relativ zu Li₂CO₃ enthält, das erhaltene Gemischmaterial wurde in einen Platintiegel eingebracht, in welchem das Gemisch auf bis zu 1050°C erwärmt wurde und un ter Luftatmosphäre in einem Epitaxialwachstums-bildenden System erschmolzen wurde. Die im Tiegel erhaltene Schmelze wurde 20 Stunden lang mit einer Drehzahl von 100 l/min mittels eines Rührwerks gerührt.

(2) Eine (001)-Fläche eines LiTaO₃-Monokristalls mit einer Dicke von 1mm wurde poliert.

(3) Dann wurde die Schmelze allmählich auf 915°C mit einer Kühlrate von 60°C pro Stunde gekühlt, und dann wurde das Sub strat 1 während 30 Minuten auf 915°C vorgewärmt und in die Schmelze getaucht, wobei eine Drehbewegung mit 20 l/min 1 Minute lang durchgeführt wurde. Eine Wachstumsrate von LiNbO₃ belief sich auf 1 µm pro Minute.

(4) Das Substrat 1 wurde aus der Schmelze entnommen und die überschüssige Schmelze wurde durch Ausführen einer Drehbewe gung bei 1000 l/min während 30 Sekunden abgeschüttelt, und dann erfolgte eine allmähliche Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Kühlrate von 1°C pro Minute. Als Folge hiervon wurde auf dem Substratmaterial ein LiNbO₃-Monokristall-Dünnfilm mit Na und Mg gehalten mit einer Dicke von etwa 1 µm gebildet.

(5) Die Na- und Mg-Gehalte in dem so erhaltenen LiNbO₃-mo nokristallinen Dünnfilm machten 3 Mol% und 2 Mol% jeweils aus. Eine Gitterlänge ("a" Achse) des Dünnfilms belief sich auf 5,156 Å, ein außergewöhnlicher Brechungsindex, gemessen durch eingeführtes Licht mit einer Wellenlänge von 1,15 µm belief sich auf 2,235±0,001.

(6) Ein Ausbreitungsverlust des so erhaltenen rohen Wellen leiters wurde mit Hilfe der Prismenkopplungsmethode gemessen, wobei ein Ausbreitungsverlust hiervon sich auf weniger als 1 dB pro cm bei einer Wellenlänge von 0,83 µm bei einem TM- Typ belief.

(7) Ein Teil des Wellenleiters wurde mit Hilfe von photolitho graphischen Techniken mit einem Muster versehen und es erfolg te eine Maskierung mittels einer Ti-Maske. Ein kanalförmiger Wellenleiter der Stegbauart wurde mit Hilfe des Ar-Plasma ätzens hergestellt. Die Form des Wellenleiters hatte eine Breite von 1,5 µm mit einer Ätztiefe von 0,3 µm.

(8) Der so erhaltene Lichtwellenleiter wurde mit einem Laser strahl mit einer Wellenlänge von 1,55 µm beim TM-Typ gekop pelt, wobei der Wellenleitertyp ein Monowellenleitertyp war, und ein Ausbreitungsverlust, gemessen mit Hilfe der Prisma kopplungsmethode sich auf weniger als 1 dB pro cm belief. Eine Verschlechterung mit der Zeit bei einem emittierenden Licht wurde gemessen, und es konnte keine Veränderung wenig stens während einer Zeitdauer von 24 Stunden festgestellt wer den.

(9) Der so erhaltene Wellenleiter erfüllte den folgenden Zu sammenhang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ (µm), wie dies zuvor beschrieben wurde, der Dicke T (µm) des Wellen leiters und der Breite W (µm) des Wellenleiters:

0.98 < T < 2.03
W < 3.93.

(10) Ferner wurde dieser Lichtwellenleiter während einer Zeitdauer von 12 Stunden in einer Wasserdampfatmosphäre auf 1000°C belassen und wiederum mit dem Laser mit der Wellen länge von 0,48 µm beim TM-Typ gekoppelt, wobei der Wellen leitertyp ein Monowellenleitertyp war und der Ausbreitungs verlust hiervon den gleichen Wert wie bei dem Wellenleiter der Grundbauform ist. Eine Verschlechterung mit der Zeit bei einem emittierenden Licht wurde keine Änderung wenigstens während einer Zeitdauer von 24 Stunden infolge eines Meßer gebnisses festgestellt.

(11) Eine Siliciumoxidpufferschicht wurde auf den Lichtwellen leiter 2 aufgebracht, den man gemäß dem voranstehend beschrie benen Verfahren erhielt, und zwar mittels der CVD-Methode, und eine Aluminiumelektrode wurde auf dem Wellenleiter mit Hilfe von photolithographischen und Dampfniederschlagstech niken gebildet. Eine elektrooptische Konstante (r33) des Lichtwellenleiters belief sich auf 30 pm/V, was im wesent lichen gleich einem Wert eines großvolumigen LiNbO₃-Mono kristalls ist, was sich mit Hilfe von praktisch durchgeführ ten Messungen bestätigt.

Vergleichsbeispiel 1

(1) Zwei Mol% MgO bezüglich einer theoretischen Menge von LiNbO₃, welche aus einer Schmelzenzusammensetzung ausge schieden werden könnte, wurde einem Gemisch zugegeben, wel ches Na₂CO₅ mit 22 Mol%, Li₂CO₃ mit 28 Mol%, V₂O₅ mit 40 Mol% und Nb₂O₅ mit 10 Mol% enthält, und das erhaltene Gemischmate rial wurde in einen Platintiegel eingebracht. Das Gemisch wurde in demselben auf bis zu 1100°C erwärmt und unter einer Luftatmosphäre mit einem Epitaxialwachstums-bildenden System, d. h. einem Ofen, erschmolzen. Die als Ergebnis erhaltene Schmelze im Tiegel wurde 12 Stunden lang mit einer Drehzahl von 100 l/min mittels eines Rührwerks gerührt.

(2) Eine (001) Fläche eines LiTaO₃-Monokristalls mit einer Dicke von 2 mm wurde poliert.

(3) Dann wurde die Schmelze allmählich auf 915°C mit einer Kühlrate von 60°C pro Stunde gekühlt, und dann wurde das Substrat 1 30 Minuten lang bei 915°C vorgewärmt und in die Schmelze getaucht, wobei eine Drehbewegung mit 20 l/min 5 Minuten lang erfolgte. Eine Wachstumsrate von LiNbO₃ be lief sich auf 1 µm pro Minute.

(4) Das Substrat 1 wurde aus der Schmelze entnommen und ei ne überschüssige Schmelze wurde mittels einer Drehbewegung bei 1000 l/min während 30 Sekunden abgeschüttelt. Dann er folgte eine allmähliche Abkühlung auf eine Raumtemperatur mit einer Kühlrate von 1°C pro Minute. Als Resultat erhielt man einen LiNbO₃-Monokristalldünnfilm mit Na- und Mg-Gehalten mit einer Dicke von etwa 2 µm auf dem Substratmaterial.

(5) Die Na- und Mg-Gehalte in dem so erhaltenen LiNbO₃-mo nokristallinen Dünnfilm machten 3 Mol% und 2 Mol% jeweils aus. Eine Gitterlänge ("a" Achse) des Dünnfilms belief sich auf 5,156 Å, und ein außergewöhnlicher Brechungsindex, gemes sen bei einem geführten Licht mit einer Wellenlänge von 1,15 µm belief sich auf 2,235 ± 0,001.

(6) Ein Ausbreitungsverlust des so als Rohkörper erhaltenen Wellenleiters wurde mittels einer Prismenkopplungsmethode ge messen, und hierbei belief sich ein Ausbreitungsverlust auf weniger als 1 dB pro cm mit einer Wellenlänge von 0,83 µm beim TM-Typ.

(7) Ein Teil des Wellenleiters wurde mit einem Muster verse hen und eine Ti-Maske wurde mit Hilfe einer photolithographi schen Technik ausgebildet. Ein kanalförmiger Wellenleiter des Stegtyps wurde mit Hilfe des Ar-Plasmaätzens hergestellt. Die Form des Wellenleiters hatte eine Breite von 10 µm mit einer Ätztiefe von 1 µm.

(8) Der Lichtwellenleiter, welcher auf diese Weise herge stellt wurde, wurde mit einem Laserstrahl mit einer Wellen länge von 1,55 µm beim TM-Typ gekoppelt, aber das geführte Licht konnte nicht betrachtet werden.

(9) Der so erhaltene Wellenleiter erfüllte nicht den Zusam menhang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ (µm) gemäß der voranstehenden Beschreibung und der Dicke T (µm) des Wellenleiters:

4.73 < T < 8.14.

Vergleichsbeispiel 2

(1) Ein Gemischmaterial mit Li₂CO₃ von 50 Mol%, V₂O₃ von 40 Mol% und Nb₂O₅ von 10 Mol% wurde auf 1000°C erwärmt, um hierdurch eine Schmelze zu bilden. Diese Schmelze wurde dann allmählich auf 915°C mit einer Kühlrate von 60°C pro Stunde abgekühlt, gleichzeitig wurde das Substrat 1 bei 915°C 30 Minuten lang vorgewärmt und dann die Schmelze 5 Minuten lang getaucht, währenddem eine Drehbewegung mit 30 l/min ausgeführt wurde. Eine Wachstumsrate von LiNbO₃ belief sich auf 1 µm pro Minute.

(2) Das Substrat 1 wurde aus der Schmelze entnommen und die überschüssige Schmelze wurde durch Ausführen einer Drehbe wegung bei 1000 l/min 30 Sekunden lang abgeschüttelt, und dann erfolgte eine allmähliche Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Kühlrate von 1°C pro Minute. Hierdurch erhält man ei nen LiNbO₃-monokristallinen Dünnfilm von etwa 5 µm Dicke, wel cher auf dem Substratmaterial ausgebildet war.

(3) Ein Ausbreitungsverlust des so erhaltenen Wellenleiters der Rohbauform wurde mit Hilfe der Prismenkopplungsmethode gemessen, wobei sich ein Ausbreitungsverlust auf weniger als 10 dB pro cm bei einer Wellenlänge von 0,83 µm bei einem TM- Typ belief.

(4) Ein überschüssiges Teil des LiNbO₃-monokristallinen Dünn films wurde mittels eines Ionenstrahlätzens entfernt, wo durch ein LiNbO₃-monokristalliner Wellenleiter einer Steg bauart gebildet wurde. Eine Form des Wellenleiters hatte ei ne Breite von 10 µm mit einer Ätztiefe von 1 µm.

(5) Der so gebildete Lichtwellenleiter wurde mit einem La serstrahl und einer Wellenlänge von 1,55 µm beim TM-Typ ge koppelt, wobei zwei Wellenführungstypen beobachtet wurden.

Ein Ausbreitungsverlust, gemessen mit Hilfe der Prismenkopp lungsmethode, belief sich auf 10 dB pro cm, wobei es sich um den gleichen Wert wie bei dem Wellenleiter der Grundbauform handelt. Eine Verschlechterung mit der Zeit eines emittie renden Lichts wurde gemessen, wobei keine Veränderung we nigstens während einer Zeitdauer von 24 Stunden gefunden wurde.

(6) Eine Siliciumoxidpufferschicht wurde auf dem Lichtwel lenleiter 2, den man gemäß dem voranstehenden Verfahren er hielt, mittels der CVD-Methode aufgebracht, und eine Alu miniumelektrode wurde an dem Wellenleiter mit Hilfe von photo lithographischen und Dampfniederschlagstechniken ausgebildet. Eine elektrooptische Konstante des so erhaltenen Lichtwel lenleiters belief sich auf ein Drittel des Wertes eines groß volumigen LiNbO₃-Monokristalls, was sich auf Grund von prak tisch durchgeführten Messungen ergab.

(7) Ferner wurde dieser Lichtwellenleiter bei 1000°C wäh rend einer Zeitdauer von 12 Stunden in einer Wasserdampf atmosphäre belassen, und Mikrorisse wurden beobachtet. Daher konnte keine Kopplung mit dem Laser vorgenommen werden.

(8) Dieser Wellenleiter erfüllt einen folgenden Zusammen hang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ(µm) gemäß der voranstehenden Beschreibung und der Dicke T (µm) des Wellenleiters:

4.73 < T < 8.14

(9) Dieser Lichtwellenleiter enthielt nicht Na und Mg, so daß die Gitterabstimmung des LiTaO₃-Substrats und LiNbO₃ nicht vorgenommen wurde.

Vergleichsbeispiel 3

(1) Eine (001)-Fläche eines LiTaO₃-Monokristalls mit einer Dicke von 1 mm wurde poliert.

(2) Ein Mischmaterial aus Li₂CO₃ mit 50 Mol%, V₂O₃ mit 40 Mol% und Nb₂O₅ mit 10 Mol% wurde auf 1000°C erwärmt, um eine Schmelze zu bilden. Die so erhaltene Schmelze wurde allmählich auf 915°C mit einer Kühlrate von 60°C pro Stunde abgekühlt, gleichzeitig wurde das Substrat 1 auf 915°C 30 Minuten lang vorgewärmt und dann in die Schmelze 5 Minuten lang getaucht, wobei eine Drehbewegung mit 30 l/min ausgeführt wurde. Eine Wachstumsrate von LiNbO₃ belief sich auf 1 µm pro Minute.

(3) Das Substrat 1 wurde aus der Schmelze entnommen und die überschüssige Schmelze wurde abgeschüttelt, währenddem eine Drehbewegung mit 1000 l/min 30 Sekunden lang ausgeführt wur de. Dann erfolgte eine allmähliche Abkühlung auf Raumtempera tur mit einer Kühlrate von 1°C pro Minute. Als Resultat er hält man einen LiNbO₃-monokristallinen Dünnfilm mit einer Dicke von etwa 5 µm auf dem Substratmaterial.

(4) Ein Ausbreitungsverlust des so in der Rohbauweise erhal tenen Wellenleiters wurde mit Hilfe der Prismenkopplungsme thode gemessen. Ein Ausbreitungsverlust war kleiner als 10 dB pro cm bei einer Wellenlänge von 0,83 µm bei einem TM-Typ.

(5) Ein überschüssiges Teil des LiNbO₃-monokristallinen Dünn films wurde mit Hilfe einer Ionenstrahlätzmethode entfernt, wodurch man einen LiNbO₃-monokristallinen Wellenleiter der Stegbauform erhielt. Eine Form des Wellenleiters hatte eine Breite von 10 µm mit einer Ätztiefe von 1 µm.

(6) Der so gebildete Lichtwellenleiter wurde mit einem La serstrahl mit einer Wellenlänge von 1,55 µm beim TM-Typ ge koppelt, wobei zwei Wellenführungstypen beobachtet wurden. Ein Ausbreitungsverlust, gemessen mit Hilfe der Prismen kopplungsmethode, belief sich auf 10 dB pro cm, wobei es sich um den gleichen Wert wie bei dem Wellenleiter der Grundbau form handelt. Eine Verschlechterung mit der Zeit bei einem emittierenden Licht wurde gemessen, und es wurde wenigstens einer Zeitdauer von 24 Stunden keine Veränderung festgestellt.

(7) Eine Siliciumoxidpufferschicht wurde auf dem Lichtwellen leiter 2, welchen man gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren erhielt, mit Hilfe der CVD-Methode aufgebracht, und eine Aluminiumelektrode wurde an dem Wellenleiter mit Hilfe von photolithographischen und Dampfniederschlagstech niken ausgebildet. Eine elektrooptische Konstante des Licht wellenleiters belief sich auf ein Drittel des Wertes eines großvolumigen LiNbO₃-Monokristalls, was sich auf Grund von Meßergebnissen ergeben hat.

(8) Dieser Lichtwellenleiter wurde ferner unter 1000°C wäh rend einer Zeitdauer von 12 Stunden in einer Wasserdampf atmosphäre belassen und man beobachtete einen Mikroriß. So mit konnte keine Kopplung mit dem Laser erfolgen.

(9) Dieser Wellenleiter erfüllt den folgenden Zusammenhang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ (µm) gemäß der voran stehenden Beschreibung der Dicke T (µm) des Wellenleiters:

4.73 < T < 8.14.

Es ist somit ersichtlich, daß selbst dann, wenn der Wellen leiter, welcher in Beispiel 1 gezeigt ist, derart ausgebil det ist, daß er dieselben Abmessungen wie jener des Wellen leiters hat, der beim Vergleichsbeispiel 3 angegeben ist, man keine Übertragung des Monotyps oder des Monomodes erhal ten kann.

Tabelle 1 zeigt die Meßergebnisse der jeweiligen Beispiele 1 und 2 sowie der Vergleichsbeispiele 1, 2 und 3.

In der Tabelle 1 bedeutet die Markierung ○ in dem Feld eines Wärmebehandlungswiderstands, daß die Wellenleitercharakte ristik, wie das Wellenleitungsvermögen, nicht abgenommen hat oder diese nicht vorgenommen werden kann selbst nach einer Wärmebehandlung, wenn der Wellenleiter eine Rißbildung zeigt. Die Markierung x im Feld eines Wärmebehandlungswiderstandes bezeichnet die Tatsache, daß eine Lichtkopplung nicht vorge nommen werden konnte.

Tabelle 1

Wie sich aus der voranstehenden Beschreibung ergibt, können die Lichtwellenleiter nach der Erfindung überlegenere Cha rakteristika als übliche Lichtwellenleiter haben.

Da ferner bei dem Lichtwellenleiter nach der Erfindung die Gitterlänge zwischen dem LiNbO₃-monokristallinen Wellenlei ter 2 und dem LiTaO₃-Kristall 1 abgestimmt ist, werden keine Gitterdefekte in dem LiNbO₃-monokristallinen Wellenleiter 2 gebildet. Ferner werden in Abweichung von dem üblichen ver unreinigungsdiffundierten Lichtwellenleiter, wie dem Ti-dif fundierten LiNbO₃-Lichtwellenleiter und dem protonenausge tauschten Lichtwellenleiter oder dergleichen bei dem Licht wellenleiter nach der Erfindung Verunreinigungen zur Bil dung des Wellenleiters nicht diffundiert, so daß man eine verbesserte Wärmebehandlungswiderstandsfähigkeit (eine Wider standsfähigkeit gegenüber einer Wärmebehandlung) erhält.

Wie sich aus der voranstehenden Beschreibung ergibt, kann der Wellenleiter nach der Erfindung eine Verschlechterung einer elektrooptischen Konstante verhindern und man kann eine Verbesserung hinsichtlich einer Widerstandsfähigkeit von op tischen Schäden erzielen. Somit kann man einen hochwertigen Wellenleiter für die optische Einrichtung, wie einen Licht wellenleiter, erhalten, welcher eine hohe Wärmebehandlungs beständigkeit hat. Diesen kann man auf einfache Weise er halten, so daß ein effektiverer Einsatz auf industriellem Gebiet ermöglicht wird.

Claims

1. Monotyp (Monomode)-Lichtwellenleiter, gekenn zeichnet dadurch, daß er einen LiNbO₃-Kristall in Form einer Dünnfilmwellenleiterschicht aufweist, welche we nigstens einen Na-Gehalt in einem Bereich von 0,1 bis 14,3 Mol% und einen Mg-Gehalt in einem Bereich von 0,8 bis 10,8 Mol% um faßt, wodurch eine Gitterabstimmung der LiNbO₃-Dünnfilmwellen leiterschicht und des LiTaO₃-Einkristallsubstrats erfolgt, und daß folgender Zusammenhang erfüllt ist:
beim TM-Typ 1.9 < (T + 0.7)/λ < 5.7 (T < 0)beim TE-Typ0.29 < (T + 0.04)/λ < 1.19 (T < 0)wobei T (µm) eine Dicke der Wellenleiterschicht darstellt und λ (µm) eine Wellenlänge der geführten Welle ist.

2. Monotyp-Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Lichtwellenleiters den fol genden Zusammenhang erfüllt:
beim TM-Typ W ≦ (4λ - 0.5) × (λ²/ΔT + 2.0)beim TE-TypW ≦ (0.04λ³ + 0.1λ²)/ΔT + 2.5λwobei W (µm) eine Breite des Wellenleiters darstellt und ΔT (µm) eine Ätztiefe darstellt.