DE69731176T2

DE69731176T2 - Optische Wellenleitervorrichtung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69731176T2
Application number: DE69731176T
Authority: DE
Inventors: Atsuo Okazaki-city Aichi-pref. Kondo
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: EP0851244A1; US5991489A; EP0851244B1; DE69731176D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtwellenleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lichtwellenleitervorrichtung, und im Besonderen eine Lichtwellenleitervorrichtung umfassend einen Lichtwellenleiter, der auf einem LiNbO₃-Substrat durch Diffundieren von Ti in diesem angeordnet ist, d. h. einen Ti-diffundierten LiNbO₃-Wellenleiter, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lichtwellenleitervorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Lichtwellenleiter sind im Allgemeinen zum Eingrenzen einer Strahlung auf einen bestimmten Bereich und zum Leiten und Ausbreiten der eingegrenzten Energie der Strahlung parallel zur Achse des Wellenleiterpfades in der Lage. Derzeit werden Bemühungen unternommen, optische Lichtleiter, typischerweise optische Fasern, durch Lichtwellenleiter zu ersetzen, um so die Größe der Komponenten zu verringern.
Die Lichtwellenleiter umfassen Halbleiterwellenleiter aus GaAs und InP, dielektrische (Glas-)Wellenleiter unter Verwendung von Glassubstraten und ferroelektrische Kristallwellenleiter aus LiNbO₃- und LiTaO₃-Kristallen.
Im Besonderen umfassen optische Vorrichtungen, wie beispielsweise Lichtwellenleiter-Modulatoren zur Übertragung von Informationen durch Elektroden auf einen Lichtstrahl, der durch Lichtwellenleiter übermittelt wird, Ti-diffundierte LiNbO₃-Wellenleiter, in denen Ti in einem LiNbO₃-Kristall diffundiert ist, welches hervorragende elektrooptische Eigenschaften aufweist.
Wie in 13 der beigefügten Zeichnungen gezeigt wird umfasst ein Ti-diffundierter LiNbO₃-Wellenleiter ein LiNbO₃-Substrat 100 und einen Metallfilm 102 aus Ti, der mit einer Dicke von einigen hundert A auf dem LiNbO₃-Substrat 100 aufgebracht und bei einer Temperatur von etwa 1.000°C für 4 bis 10 Stunden thermodiffundiert wurde.
Wie in 14 der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist wurden dem Ti-diffundierten LiNbO₃-Wellenleiter, der eine kleine glatte Stufe 104 am Ti-diffundierten Bereich des LiNbO₃-Substrats 100 aufweist, gute Eigenschaften bescheinigt. Jene TI-diffundierten LiNbO₃-Wellenleiter, die Oberflächenunebenheiten (Oberflächenrauigkeit) auf der Stufe 104 aufwiesen, wurden als nicht bevorzugt bewertet, da diese Oberflächenunebenheiten dazu tendieren, einen Lichtstrahlausbreitungsverlust zu verstärken.
Um die Oberflächenunebenheiten zu vermeiden war es bisher üblich, während der Ti-Diffusion Wasserdampf einzubringen oder ein Li-hältiges Pulver, wie beispielsweise ein LiNbO₃-Pulver, in der Diffusionskammer anzuordnen.
Der Verlust eines Lichtwellenleiters wird durch eine Kombination aus dem Ausbreitungsverlust und eine Kopplungsverlust in Bezug auf die optische Schwingung einer optischen Faser bestimmt. Der Kopplungsverlust bzw. die Dämpfung wird durch das Verhältnis der Schwingungsform eines durch den Lichtwellenleiter ausgebreiteten Lichtstrahls, d. h. der Form eines Lichtstrahls in Bezug auf eine senkrecht zur optischen Achse des Lichtwellenleiters stehende Ebene, zur Schwingungsform eines durch die optische Faser ausgebreiteten Lichtstrahls, d. h. der Form eines Lichtstrahls in Bezug auf eine senkrecht zur optischen Achse der optischen Faser stehende Ebene, dargestellt. Die Dämpfung ist größer, je größer das Verhältnis ist, oder ist kleiner als 1.
Wie in 14 gezeigt ist weist die Stufe 104 des Ti-diffundierten Bereichs auf der Lichtwellenleitervorrichtung mit einer glatten Oberflächenkonfiguration für das LiNbO₃-Substrat eine gleichmäßige Höhenverteilung auf, und die Form der senkrecht zur Lichtachse stehenden Ebene in Bezug auf die diffundierte Verteilung von Ti, d. h. die Schwingungsform BS des durch den Lichtwellenleiter sich fortpflanzenden Licht strahls, ist im Wesentlichen kreisförmig. Dies wird als Ergebnis der im Wesentlichen isotropen Diffusion von Ti aufgrund der glatten Oberfläche der Stufe 104 betrachtet.
Die Dämpfung der optischen Faser, bezogen auf eine allgemeine optische Faser, die Licht mit einer zufällig variierenden Schwingungsebene (Polarisationsebene) ausbreitet, ist gering. Die Dämpfung einer optischen Faser, bezogen auf eine optische Faser, in der die Schwingungsform eines Lichtstrahls nicht kreisförmig ist, unter Polarisations-aufrechterhaltenden Fasern, die Licht mit einer Polarisationsebene ausbreiten, die in einer bestimmten Richtung beibehalten wird, ist hingegen groß. Insbesondere ist die Dämpfung einer optischen Faser dann sehr groß, wenn es sich um eine optische Faser handelt, in der das Aspektverhältnis der Schwingungsform eines Lichtstrahls nicht 1 ist, d. h. eine optische Faser, in der der Kern im Querschnitt von elliptischer Form ist.
Soll eine optische Komponente unter Verwendung einer Polarisations-aufrechterhaltenden Faser hergestellt werden, so muss, aufgrund der starken Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften (Vorrichtungseigenschaften) der optischen Komponente durch die oben beschriebene Dämpfung, die Dämpfung des Lichtwellenleiters reduziert werden, selbst wenn dafür ein bestimmter Ausbreitungsverlust in Kauf genommen werden muss.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lichtwellenleitervorrichtung, deren Dämpfung in Bezug auf eine optische Faser, in der die Schwingungsform des Lichtstrahls elliptisch ist, relativ klein ist, um so Verluste bei optischen Vorrichtungen zu verhindern, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lichtwellenleitervorrichtung bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Lichtwellenleitervorrichtung, deren Dämpfung in Bezug auf eine Polarisations-aufrechterhaltende Faser, die in optischen Komponenten, wie beispielsweise Lichtwellenleiter-Modu latoren oder dergleichen eingesetzt wird, relativ klein ist, wodurch die Leistungsfähigkeit der optoelektronischen Vorrichtungen, in denen Lichtwellenleiter-Modulatoren oder dergleichen eingebaut sind, gesteigert wird, sowie eines Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Lichtwellenleitervorrichtung.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung treten durch die folgende Beschreibung in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausschließlich als veranschaulichendes Beispiel gezeigt wird, deutlicher zutage.
In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Lichtwellenleitervorrichtung wie in Anspruch 1 dargelegt bereit.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleitervorrichtung wie in Anspruch 4 dargelegt bereit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines Phasenmodulations-Glasfaserkreisels mit geschlossenem Regelkreis, der einen optischen IC-Chip umfasst, in dem eine Lichtwellenleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung integriert ist;
2A ist eine perspektivische Ansicht des Schritts des Positionierens des IC-Chips in Bezug auf die erste und zweite Anordnung;
2B ist eine perspektivische Ansicht des Schritts des axialen Anpassens und Befestigens des IC-Chips mit der ersten und zweiten Anordnung;
3A ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Reinigens des LiNbO₃-Substrats veranschaulicht;
3B ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bildens des Photoresistfilms veranschaulicht;
3C ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Belichtens und Entwickelns des Photoresistfilms veranschaulicht.
4A ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bildens des Ti-Films veranschaulicht;
4B ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Abnehmens des Ti-Films veranschaulicht;
4C ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt der Thermodiffusion des Ti-Films veranschaulicht;
5A ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bildens und Strukturierens eines Cr-Films veranschaulicht;
5B ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bildens und Strukturierens eines Oxidfilms veranschaulicht;
5C ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bildens und Strukturierens eines Al-Films veranschaulicht;
6A ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bildens des Photoresistfilms veranschaulicht;
6B ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Belichtens und Entwickelns des Photoresistfilms veranschaulicht;
7A ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Bildens des Elektrodenfilms veranschaulicht;
7B ist eine Querschnittsansicht, die den Schritt des Strukturierens des Elektrodenfilms veranschaulicht;
8A ist eine Querschnittsansicht des IC-Chips, die die Querschnittsform dessen entlang einer senkrecht zur optischen Achse einer Stufe im Ti-diffundierten Bereich stehenden Ebene zeigt;
9A ist eine Querschnittsansicht, die ein Stadium zeigt, in dem ein Ti-Film auf einem LiNbO₃-Substrat gebildet wird;
9B ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, in dem in einer Oxidationsreaktion des Ti-Films eine Stufe nach oben wächst;
9C ist eine Querschnittsansicht, die ein Stadium zeigt, in dem die Seitenkanten der Stufe eine maximale Höhe erreichen;
9D ist eine Querschnittsansicht, die ein Stadium zeigt, in dem die Höhe der Seitenkanten der Stufe langsam abnimmt;
9E ist eine Querschnittsansicht, die ein Stadium zeigt, in dem die Höhe der Seitenkanten und die Höhe in der Mitte der Stufe zeitweilig übereinstimmend sind;
9F ist eine Querschnittsansicht, die ein Stadium zeigt, in dem die Ti-Diffusion vollständig abgeschlossen ist;
10A ist eine Querschnittsansicht einer in einem Versuchsbeispiel verwendeten Probe, die zur Beobachtung des Ausmaßes des nach oben gerichteten Wachstums einer in einer Oxidationsreaktion eines Ti-Films erzeugten Stufe eingesetzt wurde;
10B ist ein Diagramm, das die Versuchsergebnisse des Versuchsbeispiels zeigt;
11 ist eine Querschnittsansicht, die einen allgemeinen Prozess des Sichtbarmachens einer Justiermarke durch Bilden eines Metallfilms veranschaulicht;
12 ist eine Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Herstellung des optischen IC-Chips veranschaulicht, durch auf das Sichtbarmachen einer Justiermarke durch Bilden eines Metallfilms verzichtet werden kann;
13 ist eine Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Herstellung eines Ti-diffundierten LiNbO₃-Wellenleiters veranschaulicht und ein Stadium zeigt, in dem ein Ti-Film auf einem LiNbO₃-Substrat gebildet wird; und
14 ist eine Querschnittsansicht, die die Schwingungsform eines Lichtstrahl in einem herkömmlichen Lichtwellenleiter veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Lichtwellenleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lichtwellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend als eine Anwendung in einem IC-Chip, der beispielsweise in einem Phasenmodulations-Glasfaserkreisel mit geschlossenen Regelkreis eingegliedert ist, unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 beschrieben.
Wie in 1 zu sehen ist verfügt ein Phasenmodulations-Glasfaserkreisel mit geschlossenen Regelkreis über eine Faserspule 12, welche eine Anzahl an Windungen einer länglichen optischen Faser 10 umfasst, wobei es sich um eine Polarisations-aufrechterhaltende Faser mit einem Kern von elliptischer Querschnittsform handelt, einen Koppler 22 zum optischen Verbinden einer optischen Faser 16, die sich aus einer Lichtquelle 14 heraus erstreckt, mit einer optischen Faser 20, die zu einem Photodetektor 18 führt, und über einen optischen IC-Chip 24, der zwischen der Faserspule 12 und dem Koppler 22 angeschlossen ist. Der optische IC-Chip 24 umfasst einen Lichtwellenleiter 28 von vorbestimmter Form, wie beispielsweise einen Lichtwellenleiter von Y-Form, der auf einem LiNbO₃-Substrat 26 angeordnet ist, und einen Phasenmodulator 30 sowie einen Polarisator 32, die beide auf dem Lichtwellenleiter 28 angebracht sind. Die Lichtquelle 14 umfasst gegebenenfalls eine superlumineszierende Diode (SLD).
Zwei sich von der Faserspule 12 erstreckende Enden der optischen Faser 10 sind an einer ersten Anordnung 34 angebracht, die zur Einschränkung der Richtung, in die die optische Faser 10 mit dem optischen IC-Chip 24 verbunden ist, dient. Ein Ende der sich aus dem Koppler 22 erstreckenden Faser 16, d. h. ein Ende der von der Lichtquelle her geleiteten Faser 16, ist an einer zweiten Anordnung 36 befestigt, die zur Einschränkung der Richtung, in die die optische Faser 16 mit dem optischen IC-Chip 24 verbunden ist, dient. Auf diese Weise sind die Enden der optischen Fasern 10, 16 optisch mit dem optischen IC-Chip 24 durch die erste und die zweite Anordnung 34 und 36 verbunden.
Spezifisch umfasst, so wie in 2A gezeigt, die erste Anordnung 34 ein Basissubstrat 34A mit zwei V-förmigen Rillen (nicht dargestellt), die in einer Hauptoberfläche derselben ausgebildet sind und sich in Richtung eines Endes dieser erstrecken, und ein Deckelsubstrat 34B, das auf dem Basissubstrat 34A in einer abdeckenden Beziehung zu den V-förmigen Rillen liegt. Die beiden V-förmigen Rillen weisen einen solchen Abstand zueinander auf, dass ihre Achsen mit der jeweiligen optischen Achse der beiden Wegabzweigungen im Lichtwellenleiter 28 ausgerichtet sind.
Die erste Anordnung 34 ist wie folgt aufgebaut:
Wie in 2A gezeigt ist werden die Enden der optischen Faser 10 in die entsprechenden V-förmigen Rillen des Basissubstrats 34A gelegt, woraufhin eine Polarisations-aufrechterhaltende Ebene der optischen Faser 10 mit einer Polarisationsebene des durch den Lichtwellenleiter 28 ausgebreiteten Lichts ausgerichtet wird, d. h. die Richtung der Hauptachse der Querschnittsform des Kerns der optischen Faser 10 wird mit der horizontalen Richtung ausgerichtet. In Folge wird das Deckelsubstrat 34B auf dem Basissubstrat 34A platziert und durch ein Klebemittel befestigt. Dann wird ein Ende 34a der ersten Anordnung 34, an dem die freien Enden der optischen Faser 10 freiliegen, abgeschliffen. Das Verfahren der Befestigung der optischen Faser 10 an der ersten Anordnung 34 ist nun abgeschlossen.
Wie in 2A gezeigt ist umfasst die zweite Anordnung 36 ein Basissubstrat 36A mit einer V-förmigen Rille (nicht dargestellt), die in einer Hauptoberfläche derselben ausgebildet ist und sich in Richtung eines Endes dieser erstreckt, und ein Deckelsubstrat 34B, das auf dem Basissubstrat 34A in einer abdeckenden Beziehung zur V-förmigen Rille liegt. Die zweite Anordnung ist wie folgt aufgebaut: Das Ende der optischen Faser 16 wird in die V-förmigen Rille des Basissubstrats 36A gelegt, woraufhin eine Polarisations-aufrechterhaltende Ebene der optischen Faser 16 mit einer Polarisationsebene des durch den Lichtwellenleiter 28 ausgebreiteten Lichts ausgerichtet wird, d. h. die Richtung der Hauptachse der Querschnittsform des Kerns der optischen Faser 16 wird mit der horizontalen Richtung ausgerichtet. In Folge wird das Deckelsubstrat 36B auf dem Basissubstrat 36A platziert und durch ein Klebemittel befestigt. Dann wird ein Ende 36a der zweiten Anordnung 36, an dem ein freies Enden der optischen Faser 16 freiliegt, abgeschliffen. Das Verfahren der Befestigung der optischen Faser 16 an der ersten Anordnung 36 ist nun abgeschlossen.
Der optische IC-Chip 24 wird wie folgt hergestellt: Zuerst wird ein Lichtwellenleiter 28 (vgl. 1) von einer bestimmten Form auf einer Hauptoberfläche (Funktionsoberfläche) eines Wafers, beispielsweise eines LiNbO₃-Substrats 26, gebildet, woraufhin die Polarisatoren 32 und die Phasenmodulatoren 30 (vgl. 1) auf dem Lichtwellenleiter 28 gebildet werden, wodurch eine Vielzahl an optischen IC-Strukturen auf dem Wafer erzeugt werden.
Danach werden Gruppen aus optischen IC-Strukturen vom Wafer abgetrennt (Schneideschritt) und die Enden a, b der Gruppen, mit denen die erste und die zweite Anordnung verbunden werden, werden geschliffen (Schleifschritt).
Daraufhin werden die optische IC-Strukturen von jeder Gruppe zu einer bestimmten Anzahl an optischen IC-Chips zugeschnitten (Chipsägeschritt). Ein jeder der zugesägten optischen IC-Chips 24 wird als optische integrierte Schaltung für einen faseroptischen Kreisel verwendet.
Dann werden, wie in 2A gezeigt ist, die erste und die zweite Anordnung 34 und 36, die mit den optischen Fasern 10, 16 verbunden wurden, mit dem optischen IC-Chip 24 verbunden. Spezifisch wird die zweite Anordnung 36 mit dem Ende a des optischen IC-Chips 24 in der Nähe des Polarisators 32 in einer optisch koaxialen Ausrichtung verbunden, während die erste Anordnung 34 mit dem Ende b des optischen IC-Chips 24 in der Nähe des Phasenmodulators 30 in einer optisch koaxialen Ausrichtung verbunden wird.
Die erste und die zweite Anordnung 34 und 36 sind mit dem optischen IC-Chip 24 in optisch koaxialer Ausrichtung, bezogen auf die drei orthogonalen Achsen X, Y, Z und einer Rotationsachse der optischen Faser 10 (vgl. 2B) verbunden, d. h. mit einem Kleber geklebt, um die maximale optische Ausgangsleistung bereitzustellen.
Auf diese Weise wird der Glasfaserkreisel, in den der optische IC-Chip 24 eingebaut ist, hergestellt.
Die Herstellung des optischen IC-Chips 24, insbesondere der optischen Strukturierung, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 3A, 3B, 3C bis 7A, 7B beschrieben. Die 3A, 3B, 3C bis 7A, 7B zeigen die verschiedenen Schritte der Erzeugung eines Bereichs Z1, an dem der Polarisator 32 (vgl. 1) gebildet wird, eines Bereichs Z2, an dem der Phasenmodulator 30 (vgl. 1) gebildet wird, und eines Bereichs Z3, an dem eine Justiermarke (in 1 nicht dargestellt) gebildet wird.
Zuerst wird, wie in 3A dargestellt, das LiNbO₃-Substrat 26 gereinigt.
Dann wird, wie in 3B zu sehen ist, ein Photoresist auf das LiNbO₃-Substrat 26 aufgebracht, wodurch ein Photoresistfilm 50 gebildet wird.
Nun wird, wie in 3C gezeigt ist, der Photoresistfilm 50 belichtet und entwickelt, wodurch Öffnungen 50a (einschließlich Fenster) im Photoresistfilm 50 an Stellen definiert werden, an denen die Lichtwellenleiter und eine Justiermarke gebildet werden.
Danach wird, wie in 4A dargestellt wird, ein Ti-Film 52 auf der gesamten Oberfläche, einschließlich der Öffnungen 50a im Photoresistfilm 50, aufgebracht.
In Folge wird, wie in 4B zu sehen ist, der Photoresistfilm 50 vom LiNbO₃-Substrat 26 abgenommen, wobei der Ti-Film 52 auf dem Photoresistfilm 50 gemeinsam mit dem Photoresistfilm 50 entfernt wird, wodurch der Ti-Film 52 nur an den Stellen verbleibt, an denen die Lichtwellenleiter und eine Justiermarke gebildet werden.
Nun wird, wie in 4C dargestellt, das LiNbO₃-Substrat 26 in einen Thermodiffusionsofen eingebracht und darin einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei dieser Wärmebehandlung oxidiert der Ti-Film 52, und Ti wird in das LiNbO₃-Substrat 26 hinein diffundiert, wodurch Lichtwellenleiter 28 und ein Ti-diffundierter Bereich 54 gebildet werden, der als Justiermarke dienen wird.
Dann wird, wie in 5A gezeigt ist, eine Cr-Schicht 56 auf dem Ti-diffundierten Bereich 54 aufgebracht, wodurch eine Justiermarke sichtbar gemacht wird, die zum Zwecke der Positionierung optisch detektiert werden kann.
Daraufhin wird, wie in 5B gezeigt wird, ein Oxidfilm 58, der als Pufferschicht des Polarisators dienen wird, auf dem Lichtwellenleiter 28 gebildet, auf dem der Polarisator gebildet wird.
In Folge wird, wie in 5C dargestellt, ein Al-Film 60 auf dem Oxidfilm 58 gebildet.
Danach wird, wie in 6A zu sehen ist, ein Photoresist auf dem LiNbO₃-Substrat 26 aufgetragen, wodurch ein Photoresistfilm 62 gebildet wird.
Nun wird, wie in 6B gezeigt ist, der Photoresistfilm 62 belichtet und entwickelt, wodurch Öffnungen 62a (einschließlich Fenster) im Photoresistfilm 62 an Stellen definiert werden, an denen die Elektroden eines Phasenmodulators 30 gebildet werden.
Danach wird, wie in 7A zu sehen ist, ein vielschichtiger Elektrodenfilm 64 auf der gesamten Oberfläche, einschließlich der Öffnungen 62a im Photoresistfilm 62, aufgebracht.
Danach wird, wie in 7B dargestellt ist, der Photoresistfilm 62 vom LiNbO₃-Substrat 26 abgenommen, wobei der Elektrodenfilm 64 auf dem Photoresistfilm 62 gemeinsam mit dem Photoresistfilm 62 entfernt wird.
Nun wird aus dem Oxidfilm und dem Al-Film 60 ein Polarisator 32 auf dem LiNbO₃-Substrat 26 im Bereich Z1 gebildet, und aus dem Elektrodenfilm 64 werden an jeder Seite des Lichtwellenleiters 28 im Bereich Z2 Elektroden ausgebildet.
Beim optischen IC-Chip gemäß der veranschaulichten Ausführungsform wird nach der in 4C gezeigten Thermodiffusion des Ti-Films 52 das LiNbO₃-Substrat 26 wie folgt geformt, insbesondere zu einer senkrecht zur Lichtachse stehenden Ebene.
Wie in 8 dargestellt ist weist das LiNbO₃-Substrat 26 eine Stufe 80 (ausgebildet durch die Oxidationsreaktion des Ti-Films 50) auf seiner Oberfläche auf, die dem Ti-diffundierten Bereich entspricht, und die Stufe 80 weist einander gegenüberliegende Seitenkanten 80a auf, deren Höhe Ts größer ist als die Höhe Tc der Mittelfläche 80b der Stufe 80, sodass sich die Seitenkanten 80a höher erheben als die Mittelfläche 80b.
Die obige Form des LiNbO₃-Substrats 26 wird durch das folgende Verfahren erhalten:
Nach den in den 3A bis 4B gezeigten Schritten, wodurch der Ti-Film 52 selektiv auf dem LiNbO₃-Substrat 26 gebildet wurde (vgl. 9A), wird Ti im in 4C dargestellten Schritt in das LiNbO₃-Substrat 26 hinein thermodiffundiert. Da Ti in einer oxidierenden Atmosphäre in das LiNbO₃-Substrat 26 hinein thermodiffundiert, wie in 9B zu sehen ist, wandelt sich das im Ti-Film 52 auf dem LiNbO₃-Substrat 26 enthaltene Ti durch die Oxidationsreaktion zu Titanoxid (TiO₂) um, wodurch die Stufe 80 erzeugt wird, die mit der Zeit nach oben wächst. Durch Versuche wurde herausgefunden, dass sich das Ausmaß des nach oben gerichteten Wachstums der Seitenkanten 80a der Stufe 80 vom Ausmaß des nach oben gerichteten Wachstums der Mittelfläche 80b der Stufe 80 unterscheidet. Eine im Experiment verwendete Versuchsprobe ist in 10A dargestellt, während die Ergebnisse des Versuchs 10B zu entnehmen sind. Wie in 10A zu sehen ist umfasste die verwendete Versuchsprobe einen Ti-Film 52, der unter denselben Bedampfungsbedingungen wie im Fall des optischen IC-Chips 24 gemäß der Ausführungsform auf einem LiNbO₃-Substrat 26 aufgebracht wurde. Eine Seitenkante des Ti-Films 52 ist als Position A und die Mittelfläche dessen als Position B definiert, während das Wachstumsausmaß (Grad des Wachstums) bei der Oxidation des Ti-Films 52 als ΔT definiert ist. in 10B ist das Ausmaß des Wachstums an der Position A als Kurve a mit durchgehender Linie dargestellt, während das Ausmaß des Wachstums an der Position B als Kurve b mit durchgehender Linie dargestellt ist.
Theoretisch ist die Mittelfläche 80a nur einer nach unten gerichteten Oxidationsreaktion ausgesetzt, während die Seitenkanten 80b einer Reaktion in zumindest zwei Richtungen, d. h. sowohl einer nach unten gerichteten Oxidationsreaktion als auch einer seitlich gerichteten Oxidationsreaktion, unterworfen sind. Deshalb wird angenommen, dass das Ausmaß des nach oben gerichteten Wachstums der Seitenkanten 80a stärker ist als das Ausmaß des nach oben gerichteten Wachstums der Mittelfläche 80b.
Der Maximalwert für das Ausmaß des nach oben gerichteten Wachstums (Wachstumsgrad) wird durch die Dicke des Ti-Films 52 usw. bestimmt. Hat das Wachstumsausmaß ΔT den Maximalwert erreicht, so nimmt die Höhe der Stufe 80 langsam mit der Zeit wieder ab. Dies resultiert wohl aus der Tatsache, dass die Oxidationsreaktion abgeschlossen ist, wenn das Wachstumsausmaß ΔT den Maximalwert erreicht hat, und danach schreitet ausschließlich die Ti-Diffusion in das LiNbO₃-Substrat 26 fort. Die Abnahme des Wachstumsausmaßes ΔT (Wachstumsgrad) ist gesättigt, sobald die Ti-Diffusion beendet ist.
In 10B ist der Zeitraum vom Zeitpunkt t0, zu dem die Thermodiffusion beginnt, bis zu einem Zeitpunkt t3, wenn das Wachstumsausmaß der Mittelfläche 80b den Maximalwert erreicht, jener Zeitraum, in dem sich die Oxidationsreaktion des Ti-Films 52 vollzieht, d. h. die Diffusion von Ti in das LiNbO₃-Substrat 26 hinein ist während dieses Zeitraums noch im Gange. Im Besonderen ist, da die Seitenkanten 80a einer schnelleren Oxidationsreaktion unterworfen sind als die Mittelfläche 80b, der Zeitraum, während dem das Wachstumsausmaß der Seitenkanten 80a den Maximalwert erreicht, kürzer als der Zeitraum, während dem das Wachstumsausmaß der Mittelfläche 80b den Maximalwert erreicht.
Zum Zeitpunkt t1, zu dem das Wachstumsausmaß der Seitenkanten 80a den Maximalwert erreicht, ist die Oxidationsreaktion der Seitenkanten 80a abgeschlossen. Danach nimmt die Höhe Ts der Seitenkanten 80a langsam ab, während Ti in das LiNbO₃-Substrat 26 hinein diffundiert. 9C zeigt die Form der Stufe 80 zum Zeitpunkt t1, und die 9D–9F zeigen die Form der Stufe 80, deren Höhe langsam abnimmt.
Während die Höhe Ts der Seitenkanten 80a langsam abnimmt verändert sich die Form der Stufe 80 wie folgt: Nach dem Zeitpunkt t1 (vgl. 9C), zu dem das Wachstumsausmaß der Seitenkanten 80a den Maximalwert erreicht hat, weist die Stufe 80 die in 9D gezeigte Form auf. Danach, zum Zeitpunkt t2, stimmt die Höhe Ts der Seitenkanten 80a mit der Höhe Tc der Mittelfläche 80b überein (vgl.
9E). Zum Zeitpunkt t3, zu dem das Wachstumsausmaß der Mittelfläche 80b den Maximalwert erreicht hat, ist die Höhe Tc der Mittelfläche 80b größer als die Höhe Ts der Seitenkanten 80a. In Folge nimmt die Höhe Tc der Mittelfläche 80b aufgrund der Diffusion von Ti in das LiNbO₃-Substrat 26 wieder ab. Nach dem Zeitpunkt t4 entspricht die Höhe Ts der Seitenkanten 80a im Wesentlichen der Höhe Tc der Mittelfläche 80b (vgl. 9F). In diesem Stadium ist die Oberfläche der Stufe 80 sehr glatt.
In dieser Ausführungsform wird der Thermodiffusionsschritt während der Oxidationsreaktion des Ti-Films 52 (zwischen dem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t3 zu einem beliebigen Zeitpunkt (vgl. 9D) zwischen dem Zeitpunkt t1, zu dem das Wachstumsausmaß der Seitenkanten 80a den Maximalwert erreicht, und dem Zeitpunkt t2, wenn die Höhe Ts der Seitenkanten 80a mit der Höhe Tc der Mittelfläche 80b übereinstimmt, zwangsgestoppt werden. Mit anderen Worten wird der Thermodiffusionsschritt vor Abschluss der Ti-Diffusion in das LiNbO₃-Substrat 26 beendet.
Der Zeitpunkt, zu dem der Thermodiffusionsschritt abgebrochen wird, kann einfach durch ein Regelungsvorgang bestimmt werden. Alternativ dazu kann der Zeitraum für den Thermodiffusionsschritt beispielsweise auf den herkömmlichen Zeitraum (bis zum Zeitpunkt t4 aus 10B) festgesetzt werden, und die Temperatur im Diffusionsofen kann auf einen niedrigen Wert eingestellt werden, um dafür zu sorgen, dass das sonst zwischen Zeitpunkt t1 und Zeitpunkt t2 auftretende Phänomen erst zum Zeitpunkt t4 auftritt.
In dieser Ausführungsform sind, wie oben beschreiben, die Seitenkanten 80a der Stufe 80 (erzeugt durch die Oxidationsreaktion des Ti-Films 52) in den Ti-diffundierten Bereichen (28, 54) des LiNbO₃-Substrats 26 höher erhoben als ihre Mittelfläche 80b. Deshalb ist die Höhenverteilung an der Stufe 80 in den Ti-diffundierten Bereichen unregelmäßig und die Diffusionsverteilung von Ti ist aufgrund der erhobenen Seitenkanten 80a anisotrop. Deshalb ist es möglich, wie in 8 zu sehen ist, die Form einer senkrecht zur optischen Achse stehenden Ebene in Bezug auf die diffundierte Verteilung von Ti zu reduzieren, d. h. die Schwingungsform BS in der Substratrichtung des durch den Lichtwellenleiter 28 ausgebreiteten Lichtstrahls.
Die Schwingungsform BS kann das gewünschtes Aspektverhältnis erlangen, indem die Erhebung der Seitenkanten 80a gesteuert oder die Breite des Ti-Films 52, der als Ti-Diffusionsquelle dient, ausgewählt wird.
In Folge weist der optische IC-Chip 24 gemäß dieser Ausführungsform eine äußerst geringe Dämpfung auf, bezogen auf eine optische Faser mit einem unterschiedlichen Lichtstrahl-Aspektverhältnis, wodurch Verlust der optischen Vorrichtung vermieden werden. Dies führt zu einer Steigerung der Ausbeute der optischen IC-Chips 24 und trägt zur Produktivitätssteigerung von optoelektronischen Vorrichtungen, wie beispielsweise Glasfaserkreisel oder dergleichen bei, in die der optische IC-Chip 24 integriert ist.
Beim Herstellungsverfahren des optischen IC-Chips 24 wird der Thermodiffusionsschritt beendet, bevor die Diffusion von Ti in das LiNbO₃-Substrat 26 abgeschlossen ist. Infolgedessen wird der Lichtwellenleiter 28 hergestellt während die Diffusion von Ti in das LiNbO₃-Substrat 26 unterbrochen wird, wodurch nicht diffundiertes Ti in der Mitte des Lichtwellenleiters 28 verbleibt. Dies hat zur Folge, dass der Oberflächenbrechungsindex in der Mitte des Lichtwellenleiters 28 gesteigert ist, um eine große Differenz zwischen den Brechungsindizes des LiNbO₃-Substrats 26 und dem Lichtwellenleiter 28 zu erzielen.
Durch das oben beschriebene Steuern der Beendigung des Thermodiffusionsschritts können die Seitenkanten 80a der auf dem LiNbO₃-Substrat 26 im Ti-diffundierten Bereich ausgebildeten Stufe 80 höher erhoben werden als die Mittelfläche 80b der Stufe 80, wodurch die Ti-Diffusion anisotrop wird.
Da die Seitenkanten 80a der Stufe 80 erhaben sind kann der Form der Diffusionsverteilung von Ti im Wesentlichen dasselbe Geometerieverhältnis wie das der Polari sations-aufrechterhaltenden Faser, die optisch mit dem optischen IC-Chip 24 gekoppelt wird, verliehen werden.
Weiters können Breite und Dicke T des auf dem LiNbO₃-Substrat 26 gebildeten Ti-Films 52 gewählt werden, damit die Schwingungsform BS eines durch den Lichtwellenleiter 28 ausgebreiteten Lichtstrahls im Wesentlichen gleich wie die Schwingungsform eines durch die Polarisations-aufrechterhaltende Faser mit einem Kern von elliptischer Querschnittsform, der eine (vertikale) Nebenachse von 3 μm und eine (horizontale) Hauptachse von 5 μm aufweist, ausgebreiteten Lichtstrahls ist, um dadurch die Dämpfung in Bezug auf die Polarisations-aufrechterhaltende Faser deutlich zu reduzieren. In der veranschaulichten Ausführungsform ist es möglich, die Schwingungsform BS eines durch den Lichtwellenleiter 28 ausgebreiteten Lichtstrahls im Wesentlichen an die Schwingungsform eines durch die Polarisationsaufrechterhaltende Faser ausgebreiteten Lichtstrahls anzugleichen, wobei die Fehlerquote bei ±5% liegt.
Beim Herstellungsverfahren des optischen IC-Chips 24 gemäß der Ausführungsform wird der in 4C gezeigte Thermodiffusionsschritt abgebrochen, bevor die Ti-Diffusion beendet ist, um so die Seitenkanten 80a der Stufe 80 höher als ihre Mittelfläche 80b zu erheben. Eine solche erhabene Konfiguration wird auch auf einer Stufe in einem Bereich, in dem die Justiermarke gebildet wird, erzielt.
Bisher wies, wie in 11 gezeigt ist, eine Stufe 80 im Bereich, in dem die Justiermarke gebildet wird, eine glatte Oberfläche auf. Deshalb war es für die optische Detektion der Justiermarke AM notwendig, einen Metallfilm 84, wie beispielsweise einen Cr-Film, mit höherem Reflexionsvermögen als das LiNbO₃-Substrat 26 und der Photoresistfilm 82 zuzusetzen. Beim optischen IC-Chip 24 gemäß dieser Ausführungsform kann das Profil der Stufe optisch eindeutig detektiert werden, da die Seitenkanten 80a der Stufe 80, so wie in 12 zu sehen ist, erhaben sind. Infolgedessen ist es nicht notwendig, einen Metallfilm 84 zur Detektion Justiermarke zuzusetzen, wodurch verschiedene Schritte, die sonst zur Bildung des Metallfilms 84 vonnöten wären, z. B. die Herstellung einer Maske zur Bildung des Metallfilms 84 und das Reinigen und Trocknen der Anordnung, wegfallen. Daraus ergibt sich ein relativ einfaches Herstellungsverfahren für den optischen IC-Chip 24 gemäß der Ausführungsform.
Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung wurden als Anwendung in einem optischen IC-Chip 24 beschrieben, der in einem faseroptischen Kreisel eingebaut ist. Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch auf andere Lichtwellenleitervorrichtungen zur Verwendung in Sende-/Empfangsmodulen für die optische Kommunikation, optischen Leseköpfe, d. h. plattenförmige Aufzeichnungsmedien, einschließlich CD, CD-ROM, CD-R, magnetooptische Platten usw., Prozessorelemente zur Verwendung in optischen Rechnern, Breitbandlaser mit variabler Wellenlänge usw., angewendet werden.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und detailliert beschrieben wurde, schließt dies nicht aus, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können.

Claims

Lichtwellenleitervorrichtung, umfassend: ein LiNbO₃-Substrat (26); und einen Lichtwellenleiter, der auf dem LiNbO₃-Substrat (26) angeordnet und durch Diffusion von Ti in einem Bereich dessen gebildet ist; worin das LiNbO₃-Substrat (26) eine Stufe (80) auf seiner Oberfläche aufweist, die dem Bereich entspricht, in dem Ti diffundiert ist, wobei die Stufe (80) durch eine Oxidationsreaktion eines Ti-Films (52) gebildet ist, der auf dem LiNbO₃-Substrat (26) angeordnet und in das Substrat hinein diffundiert ist, um den Wellenleiter zu bilden, wobei die Stufe (80) gegenüberliegende Seitenkanten (80a) und einen dazwischenliegenden zentralen Bereich (80b) aufweist, wobei die Seitenkanten (80b) eine Höhe (Ts) aufweisen, die größer als die Höhe (Tc) des zentralen Bereichs (80b) ist, wodurch die Seitenkanten (80b) von der Oberfläche des Substrats (26) aus höher vorstehen als der zentrale Bereich (80b).
Lichtwellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, die optisch mit einer die Polarisierung aufrechterhaltenden Faser gekoppelt ist, wobei das Ti des Lichtwellenleiters (28) eine Diffusionsverteilung aufweist, die im Wesentlichen dasselbe Geometrieverhältnis wie die die Polarisierung aufrechterhaltende Faser aufweist.
Lichtwellenleitervorrichtung nach Anspruch 2, worin die die Polarisierung aufrechterhaltende Faser einen Kern mit elliptischer Querschnittsform umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleitervorrichtung, umfassend die Schritte: des Ausbildens eines Ti-Films auf einem LiNbO₃-Substrat (26); des Wärmebehandelns des LiNbO₃-Substrats (26) zur Thermodiffusion vom Ti-Film in das LiNbO₃-Substrat (26) hinein unter Bedingungen der Oxidation von Ti; und des Beendens des Wärmebehandlungsschritts des LiNbO₃-Substrats (26) bevor die Diffusion von Ti in das LiNbO₃-Substrat (26) hinein abgeschlossen ist und zu einem Zeitpunkt, zu dem der Ti-Film (52) bei der Oxidation desselben von der Oberfläche des Substrats (26) nach außen gewachsen und die Höhe der Seitenkanten des Ti-Films (52) größer als die Höhe des zentralen Bereichs des Ti-Films (52) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, worin der Schritt des Wärmebehandelns des LiNbO₃-Substrats (26) durch Steuerung der Dauer, während der Ti in das LiNbO₃-Substrat (26) hinein diffundiert wird, beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, worin der Schritt des Wärmebehandelns des LiNbO₃-Substrats (26) durch Steuerung der Temperatur einer Atmosphäre, in der das LiNbO₃-Substrat (26) wärmebehandelt wird, beendet wird.