DE69731701T2

DE69731701T2 - Optische Wellenleitervorrichtungen, optische Wanderwellen-Modulatoren und Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleitervorrichtungen

Info

Publication number: DE69731701T2
Application number: DE69731701T
Authority: DE
Inventors: Makoto Hamamatsu City Minakata; Minoru Naka-Ku Imaeda; Takashi Tenpaku-Ku Yoshino; Kenji Ama-Gun Kato
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: EP0828175B1; DE69731701D1; JPH10133159A; US6219469B1; JP3603977B2; EP0828175A2; EP0828175A3

Description

Hintergrund der Erfindung
(1) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtwellenleitervorrichtungen, optische Wanderwellenmodulatoren und ein Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleitervorrichtungen.
(2) Stand der Technik
Im Bereich der optischen Kommunikation wird angenommen, dass aufgrund der zukünftig drastisch ansteigenden Kommunikationskapazität die Kapazität der Lichtübertragungssysteme vergrößert werden muss. Bisher wurde eine Lichtübertragungsgeschwindigkeit von 1,6 GB/s in der Praxis angewendet. Wenn dies jedoch mit dem Frequenzband (etwa 200 THz), in dem die Übertragung über optische Fasern durchgeführt werden kann, verglichen wird, so beträgt das praktisch angewendete Ausmaß nur noch ein Hunderttausendstel. Was bei der deutlichen Anhebung der Übertragungskapazität von Bedeutung ist, ist die Weiterentwicklung der Lichtmodulationstechnologie.
Es besteht die Möglichkeit, dass ein optischer Wanderwellenmodulator, der Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalat (LiNTaO₃) oder Galliumarsenid (GaAs) als Lichtwellenleiter einsetzt und hervorragende Eigenschaften aufweist, eine Breitbandbreite mit hoher Effizienz realisieren kann. Lithiumniobat und Lithiumtantalat sind als ferroelektrische Materialien hervorragend geeignet und weisen vorzugsweise große elektrooptische Koeffizienten auf und können Licht innerhalb eines kurzen Strahlengangs steuern. Als Faktoren zur Unterdrückung der Modulationsfrequenz des optischen Wanderwellenmodulators können erneut die Fehlanpassung der Geschwindigkeit, Dispersion und Elektrodenverlust aufgelistet werden. Da die Fehlanpassung der Geschwindigkeit und die Dispersion von der Struktur des optischen Wanderwellenmodulators bestimmt sind, sind die Analyse der Struktur und die Entwicklung einer angemessenen Konstruktion derselben von großer Bedeutung. Andererseits sind die Leitfähigkeit und der Skin-Effekt der Oberfläche des Materials für den Elektrodenverlust von Bedeutung.
Die Fehlanpassung der Geschwindigkeit wird in Folge genauer erklärt werden. Beim optischen Wanderwellenmodulator besteht ein deutlicher Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des sich entlang dem Lichtwellenleiter fortpflanzenden Lichts und der der Modulationswelle (Mikrowelle), die sich entlang dieser Elektrode fortpflanzt. Die Annahme ist, dass das Licht und die Modulationswelle, die sich durch den Kristall fortpflanzen, unterschiedliche Geschwindigkeiten Vo bzw. Vm aufweisen. Im Falle eines optischen LiNbO₃-Modulators mit planaren Elektroden beträgt der Brechungsindex des LiNbO₃-Einkristalls 2,14, und die Geschwindigkeit des sich durch den Lichtwellenleiter fortpflanzenden Licht ist umgekehrt proportional zum Brechungsindex. Anderseits ergibt sich der tatsächliche Index für die Modulationswelle aus der Quadratwurzel der dielektrischen Konstante in der Nähe eines Leiters. LiNbO₃ ist ein einachsiger Kristall, und die dielektrische Konstante in der Richtung der Z-Achse ist 28, während sie in der Richtung der X-Achse und der Y-Achse 43 ist. Deshalb beträgt, selbst wenn der Einfluss von Luft mit einer dielektrischen Konstante von 1 gegeben ist, der tatsächliche Index für die Modulationswelle im LiNbO₃-Modulator mit einer herkömmlichen Struktur in etwa 4, was etwa 1,9 × 2,14 entspricht. Somit ist die Geschwindigkeit der Lichtwelle in etwa 1,9 mal so groß wie die der Modulationswelle.
Die Obergrenze der Bandbreite fm des Lichtwellenmodulators oder die Modulationsgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Differenz der Geschwindigkeit zwischen der Lichtwelle und der Modulationswelle. Das heißt, dass fm = 1/(Vo – Vm) ist. Angenommen, der Leistungsverlust der Elektrode ist null, ergibt sich als Grenzwert eine Bandbreite fm × Elektrodenlänge 1 = 9,2 GHz·cm. Tatsächlich wird berichtet, dass in einem Lichtwellenmodulator, der eine Elektrodenlänge 1 = 2,5 mm aufweist, fm = 40 GHz ist. Die durch den Grenzwert der Betriebsgeschwindigkeit verursachte Wirkung wird mit länger werdender Elektrode immer deutlicher. Deshalb besteht ein ernsthafter Bedarf an einem Modulator mit einer Breitbandbreite und hoher Effizienz.
Kürzlich wurde für Lichtwellenleitervorrichtungen, wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitsmodulatoren vom Lichtwellenleitertyp und Momentschalter, vorgeschlagen, die Phasenanpassungsfrequenz zwischen dem durch den Lichtwellenleiter fortgepflanzten Licht und der durch eine äußere Spannung angelegten Modulationswelle durch die Konzipierung einer Konfiguration einer oberen Elektrode auf einem Substrat, die eine besondere Form aufweist, oder durch Formen einer Glasschicht um GHz-Zehnerschritte zu einer höhere Seite hin zu verschieben ("EO devices using LN" in "O plus N", S. 91–97, Mai 1995).
Gemäß dieser Publikation wird die Modulationsgeschwindigkeit durch Verdicken der Elektrode und eine aus SiO₂ bestehenden Pufferschicht erhöht, da die Geschwindigkeit der Modulationswelle durch den Mittelwert der dielektrischen Konstante eines Bereichs, durch den die elektrischen Kräfte zwischen einer dünnen Signalelektrode und einer Erdelektrode hindurchtreten, bestimmt wird. Zudem muss die charakteristische Impedanz in etwa bei 50 Ω liegen, da die Wanderwellenelektrode einen Wanderungsdurchlass bildet. Um die obigen Anforderungen zu erfüllen wird vorgeschlagen, dass die Elektrode und die Pufferschicht von vorstehender Form, überhängender Form, Rillenform, geschlossener Form und dergleichen konzipiert werden.
Da die Pufferschicht und die Elektroden von komplizierter Konfiguration auf dem Substrat im optischen Wanderwellenmodulator mit einer solchen Struktur gebildet werden müssen, ist das Herstellungsverfahren kompliziert, zahlreiche Herstellungsschritte sind notwendig und die Herstellungskosten sind hoch. Zudem muss der Lichtwellenleiter mit der Pufferschicht und den Elektroden von komplizierter Konfiguration in äußerst präziser Ausrichtung gehalten werden. Weiters besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sich Eigenschaften, wie beispielsweise der Brechungsindex ändern, wenn eine durch die Bearbeitung beschädigte Schicht, die während des Herstellungsverfahrens Schäden davonträgt, und einem Simulationsergebnis einer Lichtwellenleitervorrichtung zufolge verschlechtern sich die Eigenschaften, und die Lichtabsorptionscharakteristik sowie die Charakteristik des Extinktionsverhältnisses werden unzureichend.
Außerdem ist es noch immer schwierig, Hochgeschwindigkeitsmodulationen von nicht weniger als 10 GHz·cm zu erzielen, obwohl die obigen schwerwiegenden Probleme des Herstellungsvorgangs gelöst wurden.
Die JP-A 4-204815 offenbart einen Lichtwellenleitermodulator mit einem Substrat, das auf einer Hauptfläche eine erste Elektrode aufweist, die den Wellenleiter abdeckt. Die rückseitige Hauptfläche des Substrat weist eine Rille unterhalb des Wellenleiters auf, in der eine zweite Elektrode angeordnet ist. Die beiden Elektroden umgeben den Wellenleiter somit in der Dickenrichtung des Substrats sandwichartig.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lichtwellenleitervorrichtung bereitzustellen, die ein Substrat mit einem Paar an aneinander gegenüberliegenden Hauptebenen und einen Lichtwellenleiter, der an einer der Hauptebenen angeordnet ist sowie einen Elektrodenabschnitt, an dem die Betriebsgeschwindigkeit der Lichtwellenleitervorrichtung gesteigert wird, umfasst.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Lichtwellenleitervorrichtung durch eine einfache Maßnahme.
Noch ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Wanderwellenmodulator bereitzustellen, der eine Hochgeschwindigkeitsmodulation ermöglicht und der durch eine kleinere Anzahl von Schritten hergestellt werden kann und durch den eine höchst präzise Ausrichtung gegebenenfalls überflüssig wird. Es ist ebenfalls wünschenswert, dass der Modulator keine während des Bearbeitungsvorgangs entstandene beschädigte Schicht aufweist.
Die Lichtwellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt.
Die Erfinder haben kontinuierlich geforscht, um die obigen Probleme zu lösen und eine Lichtwellenleitervorrichtung, wie beispielsweise einen optischen Wanderwellenmodulator, der im Vergleich zu den herkömmlichen mit höherer Geschwindigkeit arbeitet, bereitzustellen. Im Rahmen der Forschungsarbeit sind die Erfinder auf die technische Überlegung gestoßen, einen Abschnitt des ferroelektrischen Substrats an zumindest einer Stelle, an der der Elektrodenabschnitt angeordnet ist, dünner zu machen als den Rest des Substrats. Verschiedene Simulations- und Modulationstests unter Verwendung derartiger optischer Wanderwellenmodulatoren haben gezeigt, dass die Modulation mit äußerst hoher Geschwindigkeit von nicht unter 15 GHz·cm durchgeführt werden konnte. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der obigen Erkenntnis entwickelt.
Zudem haben die Erfinder herausgefunden, dass der dünnere Abschnitt des Substrats durch Bereitstellen einer Rille oder eines vertieften Abschnitts an einer Seite der Rückseite ausgebildet werden kann und dass die Rille oder der vertiefte Abschnitt mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision durch mechanische Bearbeitung oder Ablationsbearbeitung ausgebildet werden kann. Als Ergebnis konnten die Erfinder bestätigen, dass die Lichtwellenleitervorrichtung und der optische Wanderwellenmodulator gemäß der vorliegenden Erfindung mit hoher Produktivität hergestellt werden können.
Zum Zwecke der weiteren Beschleunigung der Modulationsgeschwindigkeit beträgt zu diesem Zeitpunkt die Dicke des dünneren Abschnitts des Substrats vorzugsweise nicht mehr als 50 μm, und noch bevorzugter nicht mehr als 20 μm. Andererseits beträgt die Dicke des dünneren Abschnitts des Substrats vorzugsweise nicht weniger als 5 μm, um die gegebene Festigkeit des Elektrodenabschnitts aufrechtzuerhalten.
Vom Standpunkt der Handhabe aus gesehen muss das Substrat eine gegebene Festigkeit aufweisen. Ist das Substrat zu dünn, so kommt es leicht zur Herstellung von defekten Produkten, die Bruchstellen oder Risse aufweisen. Deshalb ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein dünnerer Abschnitt ausschließlich an einer bestimmten Stelle ausgebildet, die die Betriebsgeschwindigkeit des Elektrodenabschnitts beeinflusst, während der Rest eine Dicke aufweist, die groß genug ist, um dem Substrat ausreichende Festigkeit zu verleihen. Deshalb ist der Rest des Substrats, der nicht den verdünnten Abschnitt umfasst, vorzugsweise nicht weniger als 150 μm dick. Die Dicke dieses Rest beträgt vorzugsweise nicht mehr als 1.000 μm.
Die Beziehung zwischen der Dicke des verdünnten bzw. abgedünnten Abschnitts des Substrats und der maximalen Bandbreite von 3 dB ist in Tabelle 1 gezeigt. Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, beträgt die 3 dB-Bandbreite um die 10 GHz·cm, wenn der verdünnte Abschnitt eine Dicke von nicht weniger als 100 μm aufweist. Weist der verdünnte Abschnitt eine Dicke von 50 μm auf, so beläuft sich die 3dB-Bandbreite auf etwa 15 GHz·cm. Weist der verdünnte Abschnitt eine Dicke von 5 μm auf, so beläuft sich die 3 dB-Bandbreite auf etwa 100 GHz·cm. Somit wird die Modulationsgeschwindigkeit deutlich angehoben, indem die Dicke des verdünnten Abschnitts des Substrats verringert wird. Betrug die Dicke des verdünnten Abschnitts 3 μm, so wies das Substrat Risse auf.
Tabelle 1
Es wird angenommen, dass die obige Funktion und Wirkung wie folgt erzielt werden:
Wird das Substrat an einer Stelle, die dem Elektrodenabschnitt entspricht, durch Ausbilden einer Rille oder eines vertieften Abschnitts an der Rückseite verdünnt, so wird das durch die Modulationswelle (Mikrowelle), die sich durch den Elektrodenabschnitt fortpflanzt, erzeugte elektrische Feld (an der Rille oder dem vertieften Abschnitt) an der Rückseite größtenteils an die Luft abgeleitet. Infolgedessen steigt die Geschwindigkeit der Modulation an und die Phasenanpassung kann sogar in einem Bereich, in dem eine Phasenanpassung bei der herkömmlichen Technik schwierig ist, durchgeführt werden.
Beim optischen Wanderwellenmodulator ist sowohl das Substrat als auch der Lichtwellenleiter vorzugsweise aus zumindest einer Art von Einkristall hergestellt, die aus einer aus Lithiumniobat-Einkristall, Lithiumtantalat-Einkristall und einem Einkristall aus der Festlösung aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Die Orientierung des Substrats kann eine beliebige aus X, Y und Z sein. Der Lichtwellenleiter kann an der Oberfläche des Substrats durch ein herkömmliches Titan-Diffusionsverfahren gebildet werden, und auch die Elektrode kann auf dem Substrat durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt werden.
Weiters ergab die Berechnung der Korrekturfaktoren des elektrischen Felds bezüglich der Orientierung des Substrats, dass der Korrekturfaktor je nach Orientierung des Kristalls stark variierte. Das heißt, dass, wie in Tabelle 2 gezeigt ist, die Verwendung der Substrate, deren Orientierung ein X-Schnitt oder ein Y-Schnitt ist, insofern einen Vorteil bietet, als die Halbwellenspannung, d. h. die Betriebsspannung, der Vorrichtung durch Verringern der Dicke des Substrats gesenkt werden kann. Wird im Gegensatz dazu ein Substrat verwendet, dessen Orientierung ein Z-Schnitt ist, tritt der Nachteil auf, dass die Halbwellenspannung mit Abnahme der Dicke des Substrats zunimmt. Allgemein stellt sich im Falle der Verwendung einer Z-Schnitt-Orientierung das Problem, dass eine beispielsweise aus Silciumdioxid bestehende Pufferschicht auf dem Substrat ausgebildet werden muss, um die Gleichstromdrift bewältigen zu können. Deshalb ist die Verwendung eines Substrats mit X-Schnitt- oder ein Y-Schnitt-Orientierung von großem Vorteil.
Tabelle 2
Für die obgenannte Ablationsbearbeitung können verschiedene Laser eingesetzt werden. Unter diesen ist eine Excimerlaser besonders bevorzugt. Die Ablationsbearbeitung ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem ein gewünschtes Profil durch Bestrahlung eines Zielobjekts mit einem Hochenergiestrahl, beispielsweise einem Excimerlaserstrahl, und sofortigem Abbau und Verdampfung eines Abschnitts des Objekts, das mit dem Hochenergiestrahl bestrahlt wird, erhalten wird. Der Excimerlaser ist ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 150–300 nm in einem Ultraviolettbereich, und seine Wellenlänge kann durch Ändern der Art des zu beaufschlagenden Gases variiert werden.
Die Erfinder haben das Verfahren der Ablationsbearbeitung mithilfe eines Excimerlasers, eines Laser-unterstützten Ätzbearbeitungsverfahrens in Flüssigkeit usw. zur Bearbeitung der Rückseite des ferroelektrischen Substrats untersucht. Als Ergebnis haben die Erfinder herausgefunden, dass der dünnere Abschnitt am Substrat durch die Ablationsbearbeitung mit den Excimerlaser mit äußerst hoher Produktivität gebildet werden kann. Zudem weisen die Lichtwellenleitervorrichtungen mit den verdünnten Abschnitten, Rillen und vertieften Abschnitten eine hervorragende Stabilität in Bezug auf ihre optischen Eigenschaften und ihre Form auf.
Die optischen Eigenschaften sind aus folgendem Grund stabil: Da ein Abschnitt des Substrats, das mit Licht bestrahlt wird, bei der Ablationsbearbeitung sofort abgebaut wird und verdampft, wird ein Bereich in der Nähe des mit Licht bestrahlten Abschnitts, auf den Licht nicht direkt einfällt, kaum von der Wärme, Beanspruchung usw. beeinflußt. Es wird somit davon ausgegangen, dass keine durch Bearbeitung beschädigte Schicht entlang dem dünneren Abschnitt des Substrats entsteht.
Als Lichtquelle für die Ablationsbearbeitung muss Licht mit einer kürzeren Wellenlänge als die Absorptionskante des Materials, aus dem das Substrat besteht, verwendet werden. Bevorzugt ist Licht mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 350 nm. Wird ein Substrat aus einem Oxid-Einkristall bearbeitet, so wird insbesondere bei der Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 350 nm das Licht, das auf das Substrat einstrahlt, in einem extremen Oberflächenabschnitt absorbiert, sodass nur eine Oberflächenschicht abgebaut wird, während das Innere des Substrats durch die Bearbeitung nicht beschädigt wird.
Da der für die obige Ablationsbearbeitung günstige Wellenlängenbereich von der Stelle der Absorptionskante des zu bearbeitenden Substrats abhängt, kann dieser Wellenlängenbereich nicht definitiv spezifiziert werden. Gemeinhin wiesen jedoch die für Lichtwellenleiter zu verwendenden Oxid-Einkristalle Lichtabsorptionskanten in einem Wellenlängenbereich von nicht mehr als 350 nm auf. Deshalb war beispielsweise bei der Verwendung eines Argonlasers mit 512 nm keine hervorragende Ablationsbearbeitung möglich. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Wellenlänge dieses Argonlasers größer als die Absorptionskante des Substratmaterials war, wodurch das Licht in das Innere des Kristalls eindringt und die auf der Absorption von Licht im Oberflächenabschnitt basierende Ablation aller Wahrscheinlichkeit nach nicht eintritt.
Die Wellenlänge des Lichts zur Ablationsbearbeitung beträgt vorzugsweise nicht mehr als 300 nm. Vom Blickwinkel der praktischen Anwendung aus betrachtet beträgt die Wellenlänge vorzugsweise nicht mehr als 150 nm. Als Lichtquelle können neben der Lichtquelle des Excimerlasers derzeit in der Praxis auch die Erzeugung der vierten Harmonischen des YAG-Lasers (266-nm-Laserstrahl), eine Excimerlampe usw. eingesetzt werden.
Als Lichtbestrahlungsquelle zur Ablationsbearbeitung sind so genannte Simultan-Bestrahlungsquellen und Multireflexions-Bestrahlungsquellen bekannt. Bei der Multireflexions-Bestrahlungsquelle ist der verwendete Prozentsatz an Licht hoch, selbst wenn das Öffnungsverhältnis der Maske klein ist. In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein Ablationsbearbeitungsgerät vom Multireflexionstyp eingesetzt. Dadurch kann ein Chip-Muster über den gesamten Wafer mit einer Größe von nicht unter 1 Zoll hinweg in kurzer Zeit erzeugt werden.
Nun wird der Excimerlaser genauer erklärt.
Ein Excimerlaser ist ein Oszillationslaser, in dem Impulse aus ultravioletten Strahlen wiederholt erzeugt werden. Ultraviolette Strahlen, die von gasförmigen Verbindungen, wie beispielsweise ArF (Wellenlänge: 193 nm), KrF (Wellenlänge: 248 nm) oder XeC1 (Wellenlänge: 308 nm), erzeugt werden, werden von einem optischen Resonator entnommen, während sie in eine bestimmte Richtung angeordnet werden. Da ein Excimerlaser ein Kurzwellenlaser aus ultravioletten Strahlen ist, können Bindungen zwischen Atomen und Molekülen, aus denen eine Substanz aufgebaut ist, mit der Energie der Photonen gelöst werden, und Anwendungen auf der Grundlage dieser chemischen Reaktion sind entwickelt worden.
Es wurde berichtet, dass eine Ablationsbearbeitung unter Verwendung eines Excimerlasers beispielsweise zum Bohren von Löchern bei der Feinbearbeitung von Polyimid eingesetzt wird, und dass feine Löcher mit guter Form gebildet werden können ("Excimer Laser Entering its Practical Application Stage", in "O plus E", S. 64–108, November 1995).
In der vorliegenden Erfindung werden die drei folgenden Ausführungsformen zur Bildung von Lichtwellenleitern mit einer Rille oder einem vertieften Abschnitt an der Rückseite der Elektroden unter Verwendung eines Excimerlasers aufgeführt.

(1) Punktabtast-Bearbeitung: Ein Lichtfluss mit einem punktförmigen Querschnitt strahlt auf die Rückseite (die andere Hauptebene) eines Substrats ein, sodass die Lichtachse des Lichtflusses vertikal zur Rückseite des Substrats steht und der Lichtfluss sich in eine bestimmte Richtung ausbreitet. Infolgedessen wird eine Rille an dem Abschnitt des Substrats ausgebildet, entlang dem der Lichtfluss läuft. Diesem Verfahren gemäß kann eine durch die Bearbeitung entstandene erhabene Schicht nach der Bearbeitung durch Ätzen vom Substrat entfernt werden. Da das Muster der Rille durch das Abtasten durch den Lichtfluss mit punktförmigem Querschnitt auf dem Substrat ausgebildet wird, kann zudem ein verdünnter Abschnitt von willkürlich gewählter Form auf diesem ausgebildet werden.
(2) Simultanübertragungs-Bearbeitung: Ein Lichtfluss, der zuvor eine Maske mit einem bestimmten Übertragungsmuster durchtreten hat, strahlt direkt auf eine Hauptebene eines Substrats ein, und eine Rille mit einem planaren Muster wird ohne Bewegung des Lichtflusses ausgebildet. Da das gesamte planare Übertragungsmuster der Maske zu einem einzigen Zeitpunkt an das Substrat übertragen wird, ist bei diesem Verfahren die Bearbeitungseffizienz hoch und die Reproduzierbarkeit der planaren Form der Rille äußerst gut. Da jedoch der Laserstrahl über eine große Fläche hinweg erzeugt werden muss, muss die Maske mit höherer Genauigkeit hergestellt werden und die Präzision des optischen Systems höher sein.
(3) Schlitzabtast-Bearbeitung: Ein Laserstrahl durchtritt eine Maske mit einem Schlitz, der eine schmales Muster aufweist, wodurch eine Laserstrahlfluss erhalten wird, der einen schmalen, rechteckigen, planaren Querschnitt aufweist. Diese schlitzartige Laserstrahl strahlt auf die Rückseite eines Substrats ein und wird bewegt. Mit diesem Verfahren wird die Konfiguration der Bodenfläche einer Rille ausgebildet, die besonders glatt ist. Jedoch kann mit diesem Verfahren ausschließlich eine Rille mit planarer gerader Form erzeugt werden.

Wird die Ablationsbearbeitung unter Verwendung eines Excimerlasers durchgeführt, so muss die Oberfläche der Rückseite des verdünnten Abschnitts (die Bodenfläche der Rille) des Substrats glatt gemacht werden. Die Rille könnte eigentlich mit einer Genauigkeit von nicht mehr als 1 μm vom Excimerlaser ausgebildet werden. Obwohl die Dicke des verdünnten Abschnitts des Substrats genau geregelt sein muss, könnte die Bearbeitung weiters mit einer Genauigkeit von nicht mehr als 0,5 μm relativ zur Zieldicke durchgeführt werden. Um eine Bearbeitung mit so hoher Genauigkeit durchzuführen wird bevorzugt, die Ablationsbearbeitung vorzunehmen, während die Dicke des verdünnten Abschnitts des Substrats mit einem Laserinterferometer gemessen wird.
Zudem könnte der oben angesprochenen dünnere Abschnitt durch eine mechanische Hochpräzisionsbearbeitung ausgebildet werden. In diesem Fall wird der dünnere Abschnitt vorzugsweise durch Schneiden ausgebildet. Als Maschine zur mechanischen Bearbeitung kann ein Schneidegerät, dessen Präzision in Z-Richtung erhöht ist, vorteilhaft verwendet werden.
Dieses und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung treten beim Lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen. deutlich zutage, wobei es sich versteht, dass einige Modifikationen, Variationen und Abänderungen von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung auf einfache Weise vorgenommen werden können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1(a) eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung eines optischen Wanderwellenmodulators 1 vom Mach-Zehnder-Typ von einer Hauptebene 1a aus betrachtet ist und 1(b) eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des optischen Wanderwellenmodulators 1 von der anderen Hauptebene 1b aus betrachtet ist;
2(a) eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung des Zustands des Modulators aus 1(b), in dem der durch Laserbestrahlung bearbeitet wird, ist und 2(b) eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Zustands, in dem die Bearbeitung fortgeschritten ist, ist;
3(a) eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des bearbeiteten Modulators 8 ist und 3(b) eine Querschnittsansicht des Substrats in der Nähe der Rille 7 ist;
4(a) eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Konfiguration einer Rille ist, die durch Durchführung einer Punktabtast-Bearbeitung mit festgestelltem Brennpunkt ausgebildet wurde, und 4(b) eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Konfiguration einer Rille 9 ist, die ausgebildet wurde, indem die Bestrahlung mehrmals mit schrittweise angepasstem Brennpunkt ausgeführt wurde, und 4(c) eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Konfiguration einer Rille 10 ist, die ausgebildet wurde, indem die Bestrahlung mehrmals mit variierender planarer Anordnung des Brennpunkts durchgeführt wurde;
5 eine Aufnahme eines Lichtmikroskops ist, die die Querschnittsform der Rille 8, die mit dem System aus 4(a) ausgebildet wurde, zeigt;
6 eine Aufnahme eines Lichtmikroskops ist, die Rille 9, die mit dem System aus 4(b) ausgebildet wurde, von einer Schrägrichtung aus betrachtet zeigt; und
7 eine Aufnahme eines Lichtmikroskops ist, die Rille 9, die mit dem System aus 4(c) ausgebildet wurde, von einer Schrägrichtung aus betrachtet zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt.
1(a) ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines optischen Wanderwellenmodulators 1 vom Mach-Zehnder-Typ von einer Hauptebene 1a aus betrachtet, bevor der Modulator bearbeitet wird, und 1(b) ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung des Modulators 1 von der rückseitigen Hauptebene 1b aus betrachtet. Ein Lichtwellenleiter 2 vom Mach-Zehnder-Typ ist an einer Seite der Hauptebene 1a des Modulators ausgebildet. Der Lichtwellenleiter 2 ist an der Hauptebene 1a ausgebildet und erstreckt sich zwischen einem Paar aus Seitenflächen 1d und verläuft fast parallel zu den Seitenflächen 1c. Der Lichtwellenleiter 2 umfasst Stammabschnitte 2a, 2f, verzweigte Abschnitte 2b, 2e und ein Paar aus verzweigten Abschnitten 2c, 2d. Ein Paar aus gegenüberliegenden Elektroden 3, 4 ist auf dem Substrat ausgebildet und umgibt sandwichartig eine der verzweigten Anschnitte 2d, und jede Elektrode ist an eine hier nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen.
Wie 2(a) zu entnehmen ist, wird nun eine bestimmte Stelle der anderen Hauptebene 1b mit dem Laser 5 bestrahlt, der durch eine Bewegung in die Pfeilrichtung A das Substrat abtastet. Ergebnis dessen ist, wie in 2(b) gezeigt, die Ausbildung einer Rille 7. Wie aus 3(a) ersichtlich ist, ist die schmale Rille 7 letztendlich an einer Seite der anderen Hauptebene 1b des Substrats 1 innerhalb einer Fläche ausgebildet, die den Elektroden 3, 4 entspricht. Wie beispielsweise in 3(b) gezeigt ist, weist die Rille 7 eine Bodenfläche 7a und geneigte Flächen 7b auf. Ein verdünnter Abschnitt 12 ist einem Bereich, in dem die Rille 7 angeordnet ist, ausgebildet.
Die 2(a) und 2(b) veranschaulichen die Ablationsbearbeitung auf der Grundlage des Punktabtastsystems. Dieselbe, oben beschriebene Rille 7 kann durch das Simultanbestrahlungssystem oder das Schlitzabtastsystem erzeugt werden.
Nun werden die Ausführungsformen, in denen das Laserbestrahlungssystem auf verschiedene Weisen eingesetzt wird, unter Bezugnahme auf die 4(a), 4(b) und 4(c) beschrieben. 4(a) ist eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Konfiguration einer Rille ist, die durch Durchführung einer Punktabtast-Bearbeitung mit festgestelltem Brennpunkt ausgebildet wurde. In 4(a) wird die Rille 8 gebildet, indem die rückseitige Hauptfläche 1b eines Substrats zu einem einzigen Zeitpunkt einer Bestrahlung eines Lasers 5A ausgesetzt wird, wodurch ein verdünnter Abschnitt 12A ausgebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt werden, da der Laser angemessen auf einen Abschnitt der Rille 8 in der Nähe der anderen Hauptebene 1b fokussiert ist, fast vertikal zur Hauptebene 1b stehende Seitenflächen ausgebildet. Wenn sich die Stelle aber der Bodenfläche der Rille 8 nähert, so wird die Abweichung des Brennpunkts größer, sodass die Seitenflächen 8a der Rillen eine Neigung hin zur Hauptfläche 1b aufweisen. Dieses Verfahren ist nur dann praktisch, wenn eine Linse mit einer ausreichenden Brennpunktlänge eingesetzt wird, und ein solches Verfahren benötigt einen leistungsstärkeren Laser.
4(b) zeigt die Konfiguration einer Rille 9, die ausgebildet wurde, indem die Bestrahlung zu mehreren Zeitpunkten ausgeführt wurde, während der Brennpunkt schrittweise angepasst wird. Beispielsweise wurde, was 5B, 5C und 5D veranschaulichen, die Bestrahlung durchgeführt, während der Brennpunkt drei Mal eingestellt wurde. Mit diesem Verfahren kann die Tiefe der fast vertikal zur Hauptebene 1b stehenden Flächen 9a vergrößert werden. Ein verdünnter Anschnitt 12B ist durch die Rille 9 im Substrat ausgebildet. Da jedoch die Abschnitte der Seitenflächen 9b nahe der Bodenfläche 9c im Verhältnis zu einer fast vertikal zur Hauptebene 1b stehenden Ebene geneigt sind, ist die Dicke des dünneren Abschnitts 12B wahrscheinlich nicht gleichmäßig.
4(c) zeigt die Konfiguration einer Rille 10, die ausgebildet wurde, indem die Bestrahlung mehrmals durchgeführt und dabei die planare Anordnung des Brennpunkts bewegt wurde. Zuerst wurde eine große Fläche, dargestellt durch 5E, bestrahlt, wodurch ein Randabschnitt 10a und ein Mittelabschnitt 10c der Rille 10 ausgebildet wurden. In diesem Zustand weist der Randabschnitt 10a in etwa dieselbe Tiefe wie der Mittelabschnitt 10c auf, die Tiefe eines jeden Randabschnitts und Mittelabschnitts 10a und 10c ist kleiner als die in 4(a) dargestellte Rille 8 und die Seitenflächen des Randabschnitts 10a stehen fast vertikal zur Hauptebene 1b. Dann wurde der Mittelabschnitt 10c bestrahlt, wie durch 5F dargestellt ist, wodurch ein Mittelabschnitt 10d ausgebildet wurde. Durch den Mittelabschnitt 10d der Rille 10 ist ein verdünnter Abschnitt 12C auf dem Substrat ausgebildet. Mit diesem Verfahren steigt jedoch die Anzahl der Bestrahlungsschritte an und die Dicke des Abschnitts 10a des Substrats nimmt ab, sodass die Festigkeit des Substrats wahrscheinlich beeinträchtigt wird.
5 ist eine optische Mikrofotografie, auf der die Konfiguration des Querschnitts der gemäß dem System aus 4(a) ausgebildeten Rille zeigt. 6 ist eine optische Mikrofotografie, auf der die Konfiguration des Querschnitts der gemäß dem System aus 4(b) ausgebildeten Rille 9 von einer Schrägrichtung aus betrachtet zeigt. 7 ist eine optische Mikrofotografie, auf der die Konfiguration des Querschnitts der gemäß dem System aus 4(c) ausgebildeten Rille 10 von einer Schrägrichtung aus betrachtet zeigt.
Versuche: Im Folgenden werden konkretere Versuchsergebnisse erörtert werden.
Beispiel 1
Ein Substrat, das aus einem 3-Zoll-Wafer (LiNbO₃-Einkristall) mit X-Schnitt hergestellt wurde, wurde auf eine Waferdicke von 300 μm an der Rückseite (der anderen Hauptfläche) abgeschliffen. Dann wurden ein Lichtwellenleiter 2 und die Elektroden 3, 4 mit den in 1 gezeigten Formen an der Vorderseite des Wafers durch ein Titandiffusionsverfahren und ein Photolithographieverfahren gebildet, wodurch ein optischer Wanderwellenmodulator vom Mach-Zehnder-Typ erhalten wurde. In Beispiel 1 wurde das waferförmige Substrat bearbeitet.
Ein Resistfilm wurde auf die Hauptebene des Substrats aufgebracht. Danach wurde das Substrat in ein Excimerlaser-Bearbeitungsgerät eingebracht und die Bearbeitungsposition in Bezug auf die Ausrichtung einer planen Fläche des Substrats eingestellt. Ein KrF-Excimerlaser wurde als Lichtquelle eingesetzt, und die Bestrahlung wurde mithilfe eines Punktabtastsystems zur Bearbeitung der anderen Hauptebene durchgeführt. Das optische System wurde so angepasst, dass die Größe des bestrahlten Punkts gegebenenfalls in Abtastrichtung 1,0 mm und die Breite 0,2 mm bei einer Bestrahlungsenergiedichte von 6 J/cm² betrug. Eine Rille 7 wurde durch Bear beiten der Rückseite des Substrats ausgebildet, auf welches Spannung angelegt wurde, mit der Maßgabe, dass die Breite und die Frequenz des Impulses sowie die Abtastgeschwindigkeit 15 ns, 600 Hz bzw. 0,1 mm/s betrugen.
Der zur Ausbildung der Rille mit einer Länge von 20 nm benötigte Zeitraum belief sich auf 200 Sekunden. In 3(b) war die Querschnittsform der so ausgebildeten Rille 7 trapezförmig, die Eingangsbreite "b" der Rille 7 betrug 100 μm, die Tiefe "c" belief sich auf 290 μm, die Breite der Bodenfläche betrug 50–60 μm und die Dicke "d" des verdünnten Abschnitts 12 belief sich auf 10 μm. Der so hergestellte Wafer wurde unter Verwendung einer Chip-Sägemaschine zu optischen Wanderwellenmodulatoren zugeschnitten, und die Stirnflächen eines jeden Wanderwellenmodulators wurden optisch poliert.
Die Einfügungsdämpfung betrug, bezogen auf eine Wellenlänge von 1,55 μm, beim Lichtmodulator ohne Rille 7 etwa 6 dB und beim optischen Modulator mit Rille 7 etwa 6 dB. Die Messung der 3 dB-Bandbreite zeigte, dass sich das 3 dB-Band beim optischen Modulator ohne Rille 7 auf 5 GHz und beim optischen Modulator mit Rille 7 auf 15 GHz belief.
Zudem zeigte die Messung der Halbwellenspannung, dass die Halbwellenspannung beim Lichtmodulator ohne Rille 7 3,5 V und beim Lichtmodulator mit Rille 7 3,0 V betrug.
Beispiel 2
Ein Wanderwellenmodulator vom Mach-Zehnder-Typ wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt. Eine Hauptebene des waferförmigen Substrats wurde mit einem Resistfilm beschichtet und das Substrat in ein Mikroschleifbearbeitungsgerät eingebracht. Die Bearbeitungsstelle wurde in Bezug auf eine plane Orientierungsfläche eingestellt. Als Schleifstein wurde ein harzgebundener Diamantschleifstein mit Raugkeitsnummer 5000 verwendet. eine Rille 7 wurde durch Bearbeiten der Rückseite des Substrats ausgebildet, auf welche Spannung angelegt wurde, mit der Maßgabe, dass die Drehzahl 3000 U/min und die Vorschubrate 0,1 mm/s betrugen.
Der zur Ausbildung der Rille mit einer Länge von 20 nm benötigte Zeitraum belief sich auf 5 Minuten. In 3(b) war die Querschnittsform der so ausgebildeten Rille 7 rechteckig, die Einlassbreite "b" der Rille betrug 80–100 μm, die Tiefe "c" belief sich auf 295 μm, die Breite "a" der Bodenfläche betrug 80–100 μm und die Dicke des verdünnten Abschnitts 12 belief sich auf 5 μm. Der so hergestellte Wafer wurde unter Verwendung einer Chip-Sägemaschine zu optischen Wanderwellenmodulatoren zugeschnitten, und die Stirnflächen eines jeden Wanderwellenmodulators wurden optisch poliert.
Die Einfügungsdämpfung betrug, bezogen auf eine Wellenlänge von 1,55 μm, beim Lichtmodulator ohne Rille 7 etwa 6 dB und beim optischen Modulator mit Rille 7 etwa 6 dB. Die Messung der 3 dB-Bandbreite zeigte, dass sich das 3 dB-Band beim optischen Modulator ohne Rille 7 auf 5 GHz und beim optischen Modulator mit Rille 7 auf 50 GHz belief.
Zudem zeigte die Messung der Halbwellenspannung, dass die Halbwellenspannung beim Lichtmodulator ohne Rille 7 3,5 V und beim Lichtmodulator mit Rille 7 2,6 V betrug.
Wie zuvor bereits erwähnt kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Betriebsgeschwindigkeit in einem Lichtwellenleiter, der das Substrat mit einem Paar einander gegenüberliegenden Hautebenen, wobei der Lichtwellenleiter auf einer der Hauptebenen ausgebildet ist, und den Elektrodenabschnitt umfasst, gesteigert werden. Weiters ermöglicht der optische Wanderwellenmodulator eine Hochgeschwindigkeitsmodulation und kann mit einer geringeren Anzahl an Schritten hergestellt werden, wobei eine hohe Ausrichtungspräzision nicht notwendig ist und die Entstehung von beschädigten Schichten aufgrund von Beschädigungen im Zuge der Bearbeitung vermieden werden kann.

Claims

Lichtwellenleitervorrichtung, umfassend ein Substrat (1) mit einem Paar einander gegenüberliegender Hauptebenen (1a, 1b), einem Lichtwellenleiter (2d), der auf einer ersten (1a) der zwei einander gegenüberliegenden Hauptebenen ausgebildet ist, und zwei Elektrodenabschnitte (3, 4), worin die Dicke eines Abschnitts (7) des Substrates an einer Stelle, an der die Elektrodenabschnitte ausgebildet sind, dünner ist als der Rest desselben, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenabschnitte (3, 4) beide auf der ersten Hauptebene (1a) an jeweils einander gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters (2d) ausgebildet sind.
Lichtwellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, worin sowohl das Substrat (1) als auch der Lichtwellenleiter (2d) aus zumindest einem Einkristall aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder einem Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristall hergestellt ist.
Lichtwellenleitervorrichtung nach Anspruch 2, worin die Orientierung des Substrates (1) ein X-Schnitt oder ein Y-Schnitt ist.
Lichtwellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Dicke des Abschnitts (7) des Substrates mit dünnerer Dicke nicht weniger als 5 μm und nicht mehr als 50 μm beträgt.
Lichtwellenleitervorrichtung nach Anspruch 4, worin die Dicke des Rests des Substrates, mit Ausnahme des Abschnitts (7) des Substrates mit dünnerer Dicke ist, nicht weniger als 150 μm und nicht mehr als 1.000 μm beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Abschnitt (7) des Substrates mit dünnerer Dicke durch Bearbeiten des Substrates ausgehend von der anderen Hauptebene desselben gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleitervorrichtung nach Anspruch 6, worin der Abschnitt (7) des Substrates mit dünnerer Dicke durch Ablationsbearbeitung gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, worin der Abschnitt (7) des Substrates mit dünnerer Dicke durch mechanische Bearbeitung gebildet wird.
Wanderwellen-Lichtmodulator, umfassend die Lichtwellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und eine Stromversorgungseinheit zur Zufuhr von elektrischem Strom zum Elektrodenabschnitt, worin das Substrat aus einem elektrooptischen Einkristall mit Ferroelektrizität hergestellt ist und der Elektrodenabschnitt aus einem Paar Elektroden besteht, an denen Spannung angelegt wird, um das sich durch den optischen Wellenleiter fortpflanzende Licht zu modulieren.