DE4320128B4

DE4320128B4 - Monotyp-Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE4320128B4
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: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: DE4320128A1; US5291576A; NL9301058A; GB2267975A; GB2267975B; GB9312524D0; JPH063546A

Abstract

Monotyp (Monomode)-Lichtwellenleiter, der einen LiNbO₃-Kristall in Form einer Dünnfilmwellenleiterschicht aufweist, welche 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% umfaßt, wodurch eine Gitterabstimmung der LiNbO₃-Dünnfilmwellenleiterschicht 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-Typ 0.29 < (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, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Lichtwellenleiters den folgenden Zusammenhang erfüllt:
beim TM-Typ W ≤ (4λ – 0.5) × (λ2/ΔT + 2.0)beim TE-Typ W ≤ (0.04λ3 + 0.1λ2)/ΔT + 2.5λwobei der Wellenleiter ein Steg-Wellenleiter ist, W (μm) eine Breite des Wellenleiters darstellt und ΔT (μm) eine Ätztiefe darstellt.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Monotyp-Lichtwellenleiter (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-Kommunikationssystem, einem optischen Informationsverarbeitungssystem, einem optischen Sensorsystem, einem optischen Datenverarbeitungssystem 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 Praxis eingesetzt. Insbesondere der Lichtwellenleiter, der hinsichtlich einer besseren Anpassungsfähigkeit der Monotyp-Lichtleitfaser überlegen ist, stellt eine Schlüsselfunktion bei einer zukünftigen Entwicklung von Lichtleitfaser-Kommunikationssystemen dar.
Zur Erstellung von Lichtleitfaser-Kommunikationsnetzwerken auf dem Gebiet von optischen Kommunikationssystemen ist es erforderlich, eine optische Einrichtung, wie einen optischen Matrixschalter, einen optischen Modulator oder dergleichen zu entwickeln. Der Monomode-Lichtwellenleiter ist eine Komponente einer derartigen optischen Einrichtung.
Ein Lichtwellenleiter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist jeweils aus der EP 0 444 209 A1 und der JP 03061931 A bekannt. Aus "Ridge waveguides and Elector-Optical Witches in LiNbO₃ Fabricated by Ion-Bombardment-Enhanced Etching" von M. Kawabe et. Al, IEEE Trans. On Circuits and systems, Vol. CAS-26, No. 12(1979), pp. 1109-1113, ist ein durch eine Ti-Diffusionsmethode hergestellter Lichtwellenleiter bekannt.
Als eine optische Einrichtung hierfür wurde eine Anzahl von optischen Einrichtungen entwickelt, bei denen eine Kanalführung 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-Diffusionsmethode und eine Protonaustauschmethode sind an sich als ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters bzw. einer Wellenführung bekannt.
Eine derartige optische Einrichtung wird dadurch gebildet, dass man eine Monomode-Kanalwellenführung nutzt, welche nur einen Grundtyp bzw. eine Grundmode überträgt, um eine unnötige Typumwandlung infolge der Interferenz und der geringfügigen Störungen zwischen den Typen bei der Wellenleitung zu vermeiden.
Als ein Material für die Herstellung der optischen Einrichtung 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 Wellenlänge oder bei sichtbarem Licht infolge des grossen optischen Verlustes vornehmen, und (2) ein LiNbO₃-Lichtwellenleiter, 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 Richtungskoppler, als optischer Modulator oder dergleichen eingesetzt wird, dann ist eine Schwierigkeit in dem Unvermögen zu sehen, dass man eine elektrische Energieersparnis und eine Verkleinerung realisieren kann, da eine größere Schaltspannung und eine größere effektive Länge erforderlich sind.
Der LiNbO₃-Wellenleiter mit Ti-Diffusion wird durch Diffusion von Ti bei 1000 °C hergestellt, während der LiNbO₃-Wellenleiter 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 diese Wellenlängen ansteigt, ergibt sich eine Schwierigkeit dahingehend, dass Ti oder das Proton so ausreichend stark diffundieren, dass man einen Wellenleiter mit sich veränderndem Typprofil erhält, oder dass der Wellenleitertyp nicht mehr vorhanden 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 zwischen 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-Monokristalldünnfilmwellenleiterschicht 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 Wellenleiter eingeschlossen sind, wodurch ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Einrichtung mit einem verbesserten elektrooptischen 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-Wellenleiter, welcher von den vorliegenden Erfindern vorgeschlagen 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) erhält.
Die Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend genannten Schwierigkeiten bei dem Monomode-Lichtwellenleiter zu überwinden.
Ferner soll nach der Erfindung ein Monomode-Lichtwellenleiter bereitgestellt werden, welcher das Vermögen hat, nur einen Grundtyp zu übertragen.
Die vorgenannten Ziele der Erfindung werden mit einem Monotyp(Monomode) – Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 erzielt.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass der Zusammenhang zwischen der Dicke des Lichtwellenleiters und der Wellenlängenstreuung im Monomode-Bereich durch die Ermittlungen aufgefunden 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 Einrichtung, sondern auch bei einer aktiven optischen Einrichtung unter Einsatz eines elektrooptischen Effekts, eines thermooptischen Effekts, eines akustooptischen Effekts oder dergleichen einsetzen lässt.
Nach der Erfindung wird ein Monomode-Lichtwellenleiter bereitgestellt, welcher ein Kristall aus einer LiNbO₃Dünnfilm-Lichtleiterschicht aufweist, welche wenigstens 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% umfasst, wodurch zur Gitterabstimmung von der LiNbO₃-Dünnfilmlichtleiterschicht und dem LiTaO₃-Einkristallsubstrat der folgende Zusammenhang 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 λ (T > 0)wobei T(μm) eine Dicke der Wellenleiterschicht darstellt und 7λ (μm) eine geführte Wellenlänge ist.
Nach der Erfindung erfüllt die Form des Lichtwellenleiters 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 + 2.5λwobei 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 Wellenlängenstreuung des Brechungsindex n von LiNbO₃ den folgenden Zusammenhang erfüllt:
Beim TM-Typ, n = 2.086 + (0.00294/λ5 – (0.0216/λ4) + (0.0750/λ3 – (0.120/λ2) + (0.127/λ) + nawobei in diesem Fall na unterschiedliche Werte für die Wellenlängen 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) + nbin diesem Fall nimmt nb unterschiedliche Werte für die Wellenlängen 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 geführten Welle, der Dicke T (μm) des Dünnfilms und des geführten Typs untersucht, so ergibt sich, dass man eine Monomode-Übertragung in dem Bereich mit den folgenden Bedingungen erhält:
Beim TM-Typ 1.9 < (T + 0.7)/λ < 5.7 (T > 0)beim TE-Typ 0.29 < (T + 0.04)/λ < 1.29 (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-Wellenleiter ausgelegt, und es wird ermöglicht, dass sich die Erzeugung von unnötigen Typen und einer instabilen Erscheinung wie bei der Typenumwandlung infolge von Störungen verhindern lassen. Auch kann man auf diese Weise eine aktive Einrichtung, welche das wellengeführte Licht steuert, dadurch erhalten, 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-Wellenleiter der Stegbauart mit einer kanalförmigen Gestalt auslegt, erhält man eine Monomode-Übertragung in dem Bereich mit folgendem Zusammenhang:
Beim TM-Typ W ≤ (4 λ – 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 gekoppelt wird und Elektroden angelegt werden, man auf einfache Weise eine kleine aktive Einrichtung zum Steuern des wellengeführten Lichts unter Einsatz des elektrooptischen Effekts, eines thermooptischen Effekts, des akustooptischen Effekts, oder dergleichen erhalten kann.
Die Abstimmung der Gitterlänge bedeutet, dass die Gitterkonstante des LiNbO₃-Monokristalls abgestimmt und innerhalb eines Bereiches 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 Flüssigphasenepitaxialmethode verhindern, so dass man einen LiNbO₃-Monokristall-Lichtwellenleiter erhält, welcher einen elektrooptischen Effekt äquivalent zu jenem eines großvolumigen LiNbO₃-Monokristalls 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-Substrats durch Ti-Dotieren oder dergleichen angegeben. Hierbei ist das Verfahren (1) das bevorzugteste, da die Gitterkonstante des LiTaO₃-Monokristall-Substrats größer als jene des LiNbO₃-Monokristalls ist, so dass die Gitterkonstante des LiNbO₃-Monokristalls 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 Übergangsmetallen oder dergleichen eine Ursache für einen optischen Verlust sein, welcher nicht in die Lichtwellenleiterschicht dotiert sind, so dass der optische Verlust hiervon, kleiner als jener des Lichtwellenleiters ist, den man durch die Ti-Diffusionsmethode erhält, und dass sich somit auch sichtbares Licht ohne Ausbreitungsverlust führen und leiten lässt.
Ein derartiger Lichtwellenleiter nach der Erfindung hat eine 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 diffundiert und die Gitterabstimmung der Kristalle des Substrats und des Lichtwellenleiters nicht vorgenommen wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigen:
1a–1e perspektivische Ansichten eines optischen Modulators nach der Erfindung, und
2a–2c Schnittansichten zur Verdeutlichung von Herstellungsverfahren eines Monotyp (Monomode)-Lichtwellenleiters nach der Erfindung.
Der Lichtwellenleiter nach der Erfindung ist eine kanalförmige Lichtwellenleiteinrichtung, welche in Form einer geradlinigen Bauart, einer gebogenen Bauart, einer Y-Verzweigungsbauart, 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 unterschiedliche 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-monokristallinen Lichtwellenleiters wird ein Verfahren zur Bildung eines LiNbO₃-monokristallinen Films auf dem LiTaO₃-monokristallinen Substrat 1 eingesetzt, wobei man in beiden Fällen eine Gitteabstimmung 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 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 japanischen Patentanmeldung No. JP 04-12095 A angegeben.
Beispiel 1:

(1) Zwei Mol% MgO in Relation zu einer theoretischen Menge von LiNbO₃, welche aus einer Schmelzenzusammensetzung separiert werden könnte, wurde einem Gemisch zugegeben, welches Na₂CO₃ mit 22 Mol%, Li₂CO₃ mit 28 Mol%, V₂O₅, mit 40 Mol% und Nb₂O₅ mit 10 Mol% enthält, wobei das erhaltene Mischmaterial in einen Platintiegel eingebracht wurde, in welchem das Gemisch auf bis zu 1100°C erwärmt wurde und ein Erschmelzen unter einer Luftatmosphäre in einem Epitaxialwachstum bildenden System, d.h. einem Ofen, erschmelzt wurde. Die hierbei erhaltene Schmelze in dem Tiegel wurde 12 Stunden lang mit einer Drehzahl von 100 l/min mittels eines Rührwerks gerührt.
(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-monokristallinen Dünnfilm machten 3 Mol% und 2 Mol% jeweils aus. Eine Gitterlänge ("a" Achse) des Dünn films betrug 5,156 Å, ein außergewöhnlicher Brechungsindex, gemessen durch eingeführtes Licht mit einer Wellenlänge von 1,15 μm belief sich auf 2,235 ± 0,00 μ.
(6) Ein Ausbreitungsverlust des so erhaltenen Teils in Form einer Wellenführung wurde mit Hilfe einer Prismenkopplungsmethode gemessen, und ein Ausbreitungsverlust hiervon war kleiner als 1 dB pro cm bei einer Wellenlänge von 0,83 μm bei einem 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 Wellenführung mittels Ar-Plasmaätzen mit einer Stegbauweise hergestellt. Die Form des Wellenleiters hatte eine Breite von 10 μm mit einer Ätztiefe von 1 μm.
(8) Der Lichtwellenleiter, welcher auf diese Weise hergestellt 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, gemessen 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 Zeitdauer von 24 Stunden zur Folge hatte.
(9) Der so erhaltene Wellenleiter erfüllt den folgenden Zusammenhang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ (μm) gemäß der voranstehenden Beschreibung, der Dicke T (μm) des Wellenleiters 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 Wasserdampfatmosphäre 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 Ausbreitungsverlust den gleichen Wert wie jener bei der Ausführungsform des Wellenleiters der Rohbauform war. Eine Verschlechterung mit der Zeit bei einem emittierenden Licht änderte sich wenigstens während einer Zeitdauer von 24 Stunden infolge eines Messergebnisses nicht.
(11) Eine Siliciumpufferschicht wurde auf den Lichtwellenleiter 2 aufgebracht, welchen man auf die vorstehend beschriebene 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 Lichtwellenleiters 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 unter 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 1 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 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 Drehbewegung 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-monokristallinen 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 Wellenleiters 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 photolithographischen Techniken mit einem Muster versehen und es erfolgte eine Maskierung mittels einer Ti-Maske. Ein kanalförmiger Wellenleiter der Stegbauart wurde mit Hilfe des Ar- Plasmaätzens 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 Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,55 μm beim TM-Typ gekoppelt, wobei der Wellenleitertyp ein Monowellenleiter typ war, und ein Ausbreitungsverlust, gemessen mit Hilfe der Prismakopplungsmethode 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 wenigstens während einer Zeitdauer von 24 Stunden festgestellt werden.
(9) Der so erhaltene Wellenleiter erfüllte den folgenden Zusammenhang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ (μm), wie dies zuvor beschrieben wurde, der Dicke T (μm) des Wellenleiters 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 Wellenlänge von 0,48 μm beim TM-Typ gekoppelt, wobei der Wellenleitertyp ein Monowellenleitertyp war und der Ausbreitungsverlust 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 Messergebnisses festgestellt.
(11) Eine Siliciumoxidpufferschicht wurde auf den Lichtwellenleiter 2 aufgebracht, den man gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren erhielt, und zwar mittels der CVD-Methode, und eine Aluminiumelektrode wurde auf dem Wellenleiter mit Hilfe von photolithographischen und Dampfniederschlagstechniken gebildet. Eine elektrooptische Konstante (r 33) des Lichtwellenleiters belief sich auf 30 pm/V, was im Wesentlichen gleich einem Wert eines großvolumigen LiNbO₃-Monokristalls ist, was sich mit Hilfe von praktisch durchgeführten Messungen bestätigt.

Vergleichsbeispiel 1:

(1) Zwei Mol% MgO bezüglich einer theoretischen Menge von LiNbO₃, welche aus einer Schmelzzusammensetzung ausgeschieden werden könnte, wurde einem Gemisch zugegeben, welches Na₂CO₅ mit 22 Mol%, Li₂CO₃ mit 28 Mol%, V₂O₅ mit 40 Mol% und Nb₂O₅ mit 10 Mol% enthält, und das erhaltene Gemischmaterial wurde in einen Platintiegel eingebracht. Das Gemisch wurde in demselben auf bis zu 1100°C erwärmt und unter einer Luftatmosphäre mit einem Epitaxialwachstumsbildenden 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 belief sich auf 1 μm pro Minute.
(4) Das Substrat 1 wurde aus der Schmelze entnommen und eine überschüssige Schmelze wurde mittels einer Drehbewegung bei 1000 l/min während 30 Sekunden abgeschüttelt. Dann erfolgte eine allmähliche Abkühlung auf eine Raumtem peratur 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-monokristallinen 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, gemessen 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 gemessen, 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 versehen und eine Ti-Maske wurde mit Hilfe einer photolithographischen 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 hergestellt wurde, wurde mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,55 μm beim TM-Typ gekoppelt, aber das geführte Licht konnte nicht betrachtet werden.
(9) Der so erhaltene Wellenleiter erfüllte nicht den Zusammenhang 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, während dem 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 Drehbewegung 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 einen LiNbO₃-monokristallinen Dünnfilm von etwa 5 μm Dicke, welcher 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 Dünnfilms wurde mittels eines Ionenstrahlätzens entfernt, wodurch ein LiNbO₃-monokristalliner Wellenleiter einer Stegbauart gebildet wurde. Eine Form des Wellenleiters hatte eine Breite von 10 μm mit einer Ätztiefe von 1 μm.
(5) Der so gebildete Lichtwellenleiter wurde mit einem Laserstrahl und einer Wellenlänge von 1,55 μm beim TM-Typ gekoppelt, wobei zwei Wellenführungstypen beobachtet wurden. Ein Ausbreitungsverlust, gemessen mit Hilfe der Prismenkopplungsmethode, 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 emittierenden Lichts wurde gemessen, wobei keine Veränderung wenigstens während einer Zeitdauer von 24 Stunden gefunden wurde.
(6) Eine Siliciumoxidpufferschicht wurde auf dem Lichtwellenleiter 2, den man gemäß dem voranstehenden Verfahren erhielt, mittels der CVD-Methode aufgebracht, und eine Aluminiumelektrode wurde an dem Wellenleiter mit Hilfe von photolithographischen und Dampfniederschlagstechniken ausgebildet. Eine elektrooptische Konstante des so erhaltenen Lichtwellenleiters belief sich auf ein Drittel des Wertes eines großvolumigen LiNbO₃-Monokristalls, was sich auf Grund von praktisch durchgeführten Messungen ergab.
(7) Ferner wurde dieser Lichtwellenleiter bei 1000°C während einer Zeitdauer von 12 Stunden in einer Wasserdampfatmosphäre belassen, und Mikrorisse wurden beobachtet. Daher konnte keine Kopplung mit dem Laser vorgenommen werden,
(8) Dieser Wellenleiter erfüllt einen folgenden Zusammenhang 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, sodass 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, während dem eine Drehbewegung mit 1000 l/min 30 Sekunden lang ausgeführt wurde. Dann erfolgte eine allmähliche Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Kühlrate von 1 °C pro Minute. Als Resultat erhält man einen LiNbO₃-monokristallinen Dünnfilm mit einer Dicke von etwa 5 μm auf dem Substratmaterial.
(4) Ein Ausbreitungsverlust des so in der Rohbauweise erhaltenen Wellenleiters wurde mit Hilfe der Prismenkopplungsmethode 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 Dünnfilms 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 Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,55 μm beim TM-Typ gekoppelt, wobei zwei Wellenführungstypen beobachtet wurden. Ein Ausbreitungsverlust, gemessen mit Hilfe der Prismenkopplungsmethode, 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 bei einem emittierenden Licht wurde gemessen, und es wurde wenigstens einer Zeitdauer von 24 Stunden keine Veränderung festgestellt.
(7) Eine Siliciumoxidpufferschicht wurde auf dem Lichtwellenleiter 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 Dampfniederschlagstechniken ausgebildet. Eine elektrooptische Konstante des Lichtwellenleiters 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 während einer Zeitdauer von 12 Stunden in einer Wasserdampfatmosphäre belassen und man beobachtete einen Mikroriss. Somit konnte keine Kopplung mit dem Laser erfolgen.
(9) Dieser Wellenleiter erfüllt den folgenden Zusammenhang zwischen der erforderlichen Wellenlänge λ (μm) gemäss der voranstehenden Beschreibung der Dicke T (μm) des Wellenleiters: 4.73 < T < 8.14

Es ist somit ersichtlich, dass selbst dann, wenn der Wellenleiter, welcher in Beispiel 1 gezeigt ist, derart ausgebildet 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 erhalten 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 0 in dem Feld eines Wärmebehandlungswider stands, dass die Wellenleitercharakteristik, 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 vorgenommen werden konnte. Tabelle 1
Wie sich aus der voranstehenden Beschreibung ergibt, können die Lichtwellenleiter nach der Erfindung überlegenere Charakteristika als übliche Lichtwellenleiter haben.
Da ferner bei dem Lichtwellenleiter nach der Erfindung die Gitterlänge zwischen dem LiNbO₃-monokristallinen Wellenleiter 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 verunreinigungsdiffundierten Lichtwellenleiter, wie dem Ti-diffundierten LiNbO₃-Lichtwellenleiter und dem protonenausgetauschten Lichtwellenleiter oder dergleichen bei dem Lichtwellenleiter nach der Erfindung Verunreinigungen zur Bildung des Wellenleiters nicht diffundiert, so dass man eine verbesserte Wärmebehandlungswiderstandsfähigkeit (eine Widerstandsfähigkeit 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 optischen Schäden erzielen. Somit kann man einen hochwertigen Wellenleiter für die optische Einrichtung, wie einen Lichtwellenleiter, erhalten, welcher eine hohe Wärmebehandlungsbeständigkeit hat. Diesen kann man auf einfache Weise erhalten, so dass ein effektiverer Einsatz auf industriellem Gebiet ermöglicht wird.

Claims

Monotyp (Monomode)-Lichtwellenleiter, der einen LiNbO₃-Kristall in Form einer Dünnfilmwellenleiterschicht aufweist, welche 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% umfaßt, wodurch eine Gitterabstimmung der LiNbO₃-Dünnfilmwellenleiterschicht 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-Typ 0.29 < (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, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Lichtwellenleiters den folgenden Zusammenhang erfüllt: beim TM-Typ W ≤ (4λ – 0.5) × (λ2/ΔT + 2.0)beim TE-Typ W ≤ (0.04λ3 + 0.1λ2)/ΔT + 2.5λwobei der Wellenleiter ein Steg-Wellenleiter ist, W (μm) eine Breite des Wellenleiters darstellt und ΔT (μm) eine Ätztiefe darstellt.