DE69732734T2

DE69732734T2 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters in einem Substrat

Info

Publication number: DE69732734T2
Application number: DE69732734T
Authority: DE
Inventors: Takashi Tenpaku-Ku Yoshino; Tatsuo Tenpaku-Ku Kawaguchi; Minoru Naka-Ku Imaeda; Kenji Ama-Gun Kato; Takashi Oguchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: EP0803747A2; JP3432993B2; US5866200A; JPH09269430A; DE69732734D1; EP0803747A3; EP0803747B1

Description

Hintergrund der Erfindung
(1) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Substraten mit bereitgestellten Lichtwellenleitern, die jeweils einen stegförmigen Wellenleiterabschnitt aufweisen und vorzugsweise z.B. als Element zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen vom Quasi-Phasenanpassungs-Typ sowie als Lichtmodulator verwendet werden sollen.
(2) Beschreibung des Stands der Technik
Die sogenannten stegförmigen Lichtwellenleiter wurden als Lichtmodulatoren, optische Koppelelemente etc. konfiguriert. Es wurde erwartet, dass Vorrichtungen zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen (SHG) vom Quasi-Phasenanpassungs-Typ unter Verwendung von Lichtwellenleitern, in welchen eine sich periodisch umkehrende Polarisierungsstruktur in einem Einkristall aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet wird, für Licht-Picks als Blaulaser-Lichtquellen verwendet werden können. Die Vorrichtungen zur Erzeugung von zweiten Harmonischen finden eine breite Anwendung z.B. bei der optischen Magnetplattenspeicherung, im medizinischen Bereich, optochemischen Anwendungsgebieten, verschiedenen optischen Messungen etc.
Bis dato ist allgemein bekannt, dass zur Ausbildung einer stegförmigen Struktur ein Maskenmuster mittels Photolithographietechniken auf ein Substrat übertragen wird, und dass restliche Substrate ohne Maskenmuster z.B. im reaktiven Ionenätzverfahren (RIE-Verfahren) entfernt werden. Im Fall eines Lichtmodulators, in welchem Intensität, Phase, Wellenlänge oder dergleichen von Licht moduliert werden, während Elektroden gebildet werden, um ein modulierendes elektrisches Wechselstromfeld an den stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt anzulegen, ist theoretisch bekannt, dass der Korrekturkoeffizient des elektrischen Felds dann erhöht und die Ansteuerspannung gesenkt werden kann, wenn der Winkel des Stegs 90° erreicht (JP-A-4 123 018). In JP-A-4 123 018 wurde versucht, den Korrekturkoeffizienten des elektrischen Felds so groß wie möglich zu machen, indem das Verhältnis d/w der stegförmigen Lichtwellenlänge mit nicht weniger als 0,1 aber nicht mehr als 1,0 und der Winkel des Stegs mit 90° ± 10° festgelegt wurde.
Entsprechend dem obigen Verfahren bleibt das folgende Problem immer noch ungelöst, d.h. beim reaktiven Ionenätzen braucht es eine sehr lange Zeit, den gesamten Wafer mit einem Durchmesser von z.B. 3 Zoll bis zu einer Tiefe von einigen μm gleichmäßig zu ätzen, wodurch sich der Arbeitskostenaufwand merklich erhöht. Da das Substrat mit Hochenergieionen bestrahlt wird, ergeben sich weiters die Probleme, dass das Substrat leicht beschädigt wird, eine denaturierte Behandlungsschicht an einem Lichtwellenleiter gebildet wird, durch welche wesentliches Licht hindurchgeht, und konsequenterweise Eigenschaften wie der Brechungsindex geändert werden. Da die Ausbildung einer solchen denaturierten Behandlungsschicht als nicht die Lichtwellenleitervorrichtung simulierend erachtet wird, unterscheiden sich die tatsächlichen Eigenschaften der Lichtwellenleitervorrichtung von jenen, die im Simulationsvorgang erhalten wurden, was zu einer Ursache für eine Verschlechterung führen kann.
Weiters ist die Verbesserung des Korrekturkoeffizienten für das elektrische Feld im Fall des obigen Lichtmodulators nach dem Stand der Technik nur begrenzt möglich, d.h. eine oberen Oberfläche des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts ist beinahe flach, seine Seitenflächen sind geneigt und es ist ein Film aus einer modulierenden Elektrode über diesen geneigten Seitenfläche und einer Hauptfläche des Epitaxiefilms ausgebildet. Somit nimmt, wenn das modulierende Wechselstromfeld an den Lichtwellenleiter angelegt wird, die modulierende Effizienz aufgrund dieses alternativen elektrischen Felds ab, und die Ansteuerspannung ist dementsprechend kleiner als jene mit einem Stegwinkel von 90°, wie dies theoretisch in der Veröffentlichung OQE 77-57, "Ridge-shaped waveguide portions", veröffentlicht von Corporate Juridical Person: Electronic Communication Academy, 24. Oktober 1997, untersucht wurde.
Als Grund dafür, warum die Seitenflächen des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts geneigt sind, wird angenommen, dass der stegförmige Lichtwellenleiterabschnitt an der Hauptebene des Epitaxiefilms vorsteht, und dass zu dem Zeitpunkt, zu welchem die umgebenden Abschnitte eines solchen stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts so tief wie möglicht geätzt werden müssen, um das Verhältnis d/W zu erhöhen, worin d und W die Höhe bzw. die Breite des stegförmigen Lichtwellenleiters sind, der stegförmige Lichtwellenleiter in einer schlanken Form vorsteht. Das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit zwischen dem Substrat und der Maske beträgt gewöhnlich 2:1 bis 5:1. Somit muss eine Maske mit einer entsprechend erhöhten Tiefe verwendet werden, um die umgebenden Abschnitte um den stegförmigen Lichtwellenabschnitt herum tief zu ätzen. Wird aber eine dicke Maske verwendet, wird der Stegwinkel θ um mehr als 90° verkleinert, da sich die Ätzrate rund um die Maske verringert. Wenn z.B. die Höhe W des stegförmigen Lichtwellenleiters auf 2 μm oder mehr erhöht wird, ist es schwierig, den Stegwinkel nahe 90° festzulegen.
JP-A-6-317718 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung eines stegförmigen Lichtwellenleiters, in welchem ein dünner Film aus Lithiumniobat auf einem Einkristall-Substrat aus Lithiumtantalit ausgebildet wird. Mithilfe eines Schleifrads werden so Rillen geschnitten, dass ein Steg 4 aus dem Lithiumniobat-Film gebildet wird.
US-A-5106211 beschreibt die Herstellung einer Polymer-Kanalwellenleiterstruktur auf einem Silicium-Substrat, indem zahlreiche Schichten aus transparentem, vorzugsweise amorphem, Polymer-Wellenleitermaterial abgelagert werden und eine Stegstruktur mittels Laserablation der Polymerschichten bereitgestellt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Arbeitskosten durch Verkürzung der Zeit für die Ausbildung des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts zu reduzieren, jegliche Schäden auf dem Substrat während der Verarbeitung zu verringern und die Ausbildung einer denaturierten Behandlungsschicht in einem Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleitervorrichtung, die ein Substrat und einen stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt, der an einer Hauptebene des Substrats vorsteht, umfasst, zu verhindern. Weiters besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, es zu ermöglichen, die Seitenflächen des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts in einem solchen Herstellungsverfahren in eine vertikale Richtung so anzunähern.
Im Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Ausführungsformen bevorzugt.

(1) Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 150 bis 300 nm wird als Lichtquelle für die Abrasionsbehandlung verwendet.
(2) Der Oxid-Einkristall des Substrats wird aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und einem Mischkristall aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat ausgewählt.
(3) Der Oxid-Einkristall des Substrats wird aus Lithiumkaliumniobat und Lithiumkaliumtantalat ausgewählt.

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen erkennbar, wobei zu verstehen ist, dass gewisse Modifikationen, Variationen und Änderungen derselben leicht von Fachleuten auf dem Gebiet der Technik, zu welchem die Erfindung gehört, durchgeführt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird ein Bezug auf die angefügten Zeichnungen hergestellt, worin:
1 eine Perspektive zur schematischen Darstellung des Zustands ist, in welchem eine Hauptebene 1a eines Substrats in einem Punktabtastsystem mit einem punktbildenden Lichtstrom 5 bestrahlt wird;
2 eine Perspektive zur schematischen Darstellung des Zustands ist, in welchem eine Hauptebene 1a eines Substrats in einem simultanen Transferbehandlungssystems mit Lichtströmen 6 bestrahlt wird;
3 eine Perspektive zur schematischen Darstellung des Zustands ist, in welchem eine Hauptebene 1a eines Substrats in einem Schlitzabtastsystem mit einem schlitzförmigen Lichtstrom 7 bestrahlt wird;
4(a) und 4(b) Vorderansichten zur schematischen Darstellung von Substraten mit bereitgestellten Lichtwellenleitern 11A bzw. 11B sind, welche mithilfe der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können;
5(a) und 5(b) Vorderansichten zur schematischen Darstellung von Lichtwellenleitervorrichtungen sind, die jeweils mithilfe der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können;
6 eine Vorderansicht zur schematischen Darstellung einer Lichtwellenleitervorrichtung ist, die mithilfe der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann;
7 eine Perspektive zur schematischen Darstellung einer quasi-phasenangepassten Vorrichtung zur Erzeugung einer Harmonischen mit einer periodisch umgekehrten Polarisierungsstruktur, wobei die Vorrichtung mithilfe der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann; und
8 ein Grundriss ist, der die Punktform eines in den Beispielen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Excimerlasers zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend ist die vorliegende Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erklärt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten wiederholt die Verfahren zur Ausbildung eines stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts auf Substraten aus Oxid-Einkristallen. Während der Forschungsarbeiten gelangten die Erfinder der vorliegenden Erfindung zur technischen Idee, dass ein stegförmiger Lichtwellenleiterabschnitt auf einem Substrat ausgebildet wird, indem direkt das Substrat mithilfe eines Excimerlasers abrasionsbehandelt wird.
Der "Excimerlaser" ist einer Laserstrahl in einem UV-Bereich von 150 bis 300 nm und dadurch gekennzeichnet, dass seine Wellenlänge selektiv abhängig von der Art eines abgedichteten Gases festgelegt werden kann. Die "Abrasionsbehandlung" ist ein Behandlungsverfahren, in welchem eine Zielform dadurch erreicht wird, dass ein zu behandelndes Material mit Hochenergielicht wie einem Excimerlaser bestrahlt wird und jener Abschnitt des Materials, der mit dem Licht bestrahlt wurde, augenblicklich zersetzt und verdampft wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten die Verwendung einer Abrasionsbehandlungstechnik mit einem Excimerlaser zur Ausbildung des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts. Zu diesem Zeitpunkt untersuchten die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch ein Hilfsverfahren zur Ätzbehandlung in Flüssigkeit etc.
Als Ergebnis dessen wurde entdeckt, dass die Abrasionsbehandlung mit dem Excimerlaser insbesondere für die Ausbildung von stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitten wirksam ist und solche stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitte bei extrem hoher Produktivität erzeugen kann. Zusätzlich dazu können beträchtliche Stabilität sowohl der optischen Eigenschaften als auch der Form für auf diese Weise gebildete stegförmige Lichtwellenleiterabschnitte realisiert werden.
Weiters wurde herausgefunden, dass die Eigenschaften der Lichtabsorption und der Licht-Quenchrate gut waren, wenn Licht durch den Lichtwellenleiter des auf diese Weise erhaltenen stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt übertragen wurde, und dass keine denaturierte Behandlungsschicht an der Oberfläche des Lichtwellenleiters ausgebildet wurde. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erzielten die vorliegende Erfindung auf Grundlage der obigen Entdeckungen.
Zusätzlich dazu wurde gemäß der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass d/W des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts oder d/W eines später beschriebenen Stegabschnitts größer als jenes Verhältnis eines herkömmlichen Abschnitts (einmal zu nicht mehr als 100-mal) gemacht werden kann. Insbesondere konnte aus den oben erwähnten Gründen ein schlanker, stegförmiger Lichtwellenleiterabschnitt mit einem Verhältnis d/W von nicht weniger als 2 nicht mittels Ionenätzung oder dergleichen erzeugt werden. Weiters wurde bestätigt, dass der Stegwinkel des Lichtwellenleiterabschnitts mit beinahe 90° festgelegt werden kann.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten weiters den Grund, warum die obige Funktion und Wirkung erhalten wurden, d.h. der Grund, warum die optischen Eigenschaften gut sind, wird darauf zurückgeführt, dass der Abschnitt des Substrats, welcher mit Licht bestrahlt wird, augenblicklich entsprechend der Abrasionsbehandlung zersetzt und verdampft wird, dieser Abschnitt des Substrats, auf welchen das Licht nicht direkt auftrifft, aufgrund von Wärme und Verformung beinahe überhaupt nicht beeinflusst wird, und dass überhaupt keine denaturierte Behandlungsschicht an den Seitenflächen des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts ausgebildet wird. Wird z.B. im RIE-Verfahren geätzt, so wird eine denaturierte Behandlungsschicht mit einer Dicke von einigen μm ausgebildet. Somit ist es erforderlich, einen stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt unter Berücksichtigung der Ausbildung einer solchen denaturierten Behandlungsschicht an den Seitenflächen zuvor zu konfigurieren, und es wird die Stabilität der optischen Eigenschaften verschlechtert.
In Hinblick auf die Stabilität der Form des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts weist der stegförmige Lichtwellenleiterabschnitt, der im RIE-Verfahren hergestellt wird, um 70° bis 80° in Bezug auf die Hauptebene des Substrats geneigte Seitenflächen auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Neigung der Seitenflächen des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts genau in Bezug auf die Hauptebene des Substrats geregelt werden, indem die Neigung einer Linse einer Laserstrahl auswerfenden Vorrichtung auf einen Optimalwert eingestellt wird.
Als Lichtquelle für die Abrasionsbehandlung muss Licht mit einer kürzeren Wellenlänge als eine Absorptionskante eines Materials des Substrats verwendet werden. Licht mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 350 nm wird in dieser Erfindung verwendet. Insbesondere wenn ein Substrat aus einem Oxid-Einkristall zu behandeln ist, wird das auf das Substrat einstrahlende Licht in der polarisierten Oberflächenschicht mit dem Ergebnis absorbiert, dass nur eine Oberflächenschicht zersetzt wird, während das Innere des Substrats nicht zersetzt wird, da nur die Oberflächenschicht zersetzt wird und es im Inneren des Substrats zu keinerlei Behandlungsschäden kommt.
Die bevorzugte Wellenlänge bei der Abrasionsbehandlung variiert abhängig von der Position der Lichtabsorptionskante des zu behandelnden Kristalls und kann somit nicht einheitlich spezifiziert werden. Im Allgemeinen aber weisen Oxid-Einkristalle, die für Lichtwellenleiter verwendet werden, Lichtabsorptionskanten in einem Wellenlängenbereich von nicht mehr als 350 nm auf. Wenn somit z.B. ein Argon-Laser mit einer Wellenlänge von 512 nm verwendet wird, kann keine gute Abrasionsbehandlung erzielt werden. Der Grund dafür liegt darin, dass das Licht in das Innere des Oxid-Einkristalls eindringt, da die Wellenlänge des Argon-Lasers länger als die Lichtabsorptionskante des Substratmaterials ist, so dass Abrasion aufgrund der Absorption von Licht durch die Oberfläche unwahrscheinlich ist.
Die Wellenlänge für die Abrasionsbehandlung wird vorzugsweise mit nicht mehr als 300 nm festgelegt. Aus praktischer Hinsicht beträgt sie aber vorzugsweise nicht weniger als 150 nm. Als tatsächliche Lichtquelle kann in der Praxis abgesehen von der Quelle für den Excimerlaserstrahl eine YAG vierte Harmonische (266 nm Laserstrahl), eine Excimerlampe oder dergleichen verwendet werden.
Als Lichtbestrahler für die Abrasionsbehandlung sind ein sogenannter simultaner Bestrahler und ein sogenannter Multireflexionsbestrahler bekannt. Der Multireflexionsbestrahler ist dadurch gekennzeichnet, dass der lichtverwendende Prozentsatz hoch ist, wenn die offene Rate einer Maske groß ist. In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise eine Abrasionsbehandlungsvorrichtung vom Multireflexions-Typ verwendet, da es diese Vorrichtung ermöglicht, dass ein Chip-Muster, das über einem gesamten Wafer mit einer Dimension von nicht weniger als 1 Zoll gebildet ist, in einer kurzen Zeit behandelt wird.
Nunmehr folgt eine Erklärung des Excimerlasers. Der Excimerlaser ist ein Schwingungs-Laser, um wiederholt UV-Strahlenimpulse auszugeben, worin aus einer gasförmigen Verbindung wie ArF (Wellenlänge: 193 nm), KrF (Wellenlänge: 248 nm) oder XeCl (Wellenlänge: 308 nm) erzeugte UV-Strahlen mithilfe eines Lichtresonators in dem Zustand ausgegeben werden, dass die UV-Strahlen in einer bestimmten Richtung ausgerichtet angeordnet sind. Da der Excimerlaser ein UV-Strahlen-Laser mit einer kurzen Wellenlänge ist, kann er Bindungen zwischen Atomen und/oder Molekülen, aus denen ein Material besteht, mit Photonenenergie auflösen. Die Anwendung des Excimerlasers wurde auf Grundlage dieser chemischen Reaktion ausgeweitet.
Es wurde berichtet, dass die Abrasionsbehandlung mit dem Eximerlaser z.B. dafür verwendet wird, Löcher in feine Behandlungs-Polyamide oder dergleichen zu bohren, so dass feine Löcher mit guten Formen ausgebildet werden können. Als Literatur in Bezug auf eine angewandte Technik für den Excimerlaser kann "Excimer laser now in a practically applicable stage" in "O plus E" Nr 11, 64–108, November 1995, zitiert werden.
Die 1 bis 3 veranschaulichen drei Verfahren zur Ausbildung von stegförmigen Strukturen mit dem Excimerlaser.
(1) Punktabtastbehandlung
Dies ist ein Verfahren, das in 1 schematisch veranschaulicht ist. In 1 wird eine Hauptebene 1a eines Substrats 1 mit einem punktförmigen Lichtstrom 5 bestrahlt, so dass die Lichtachse des Lasers vertikal auf die Hauptebene liegt, und der Lichtstrom 5 wird z.B. in eine Richtung normal auf eine Seitenfläche 1b, d.h. in eine Pfeilrichtung A, vorwärts bewegt. Daraus ergibt sich, dass ein Kanal 2A mit einem rechteckigen Querschnitt an einem Abschnitt des Substrats ausgebildet wird, an welchem der Lichtstrom hindurchgeht. Ähnlich dazu wird ein Kanal 2B parallel zum Kanal 2A ausgebildet. Die strichliierten Linien 4 zeigen eine Position, an welcher der Kanal 2B ausgebildet werden soll. Eine schlanke, stegförmige Struktur 3 wird zwischen den Kanälen 2A und 2B ausgebildet. Eine Oberseite 3a des Lichtwellenleiters 3 liegt parallel zur Hauptfläche des Substrats, und ein Paar Seitenflächen 3b liegt vertikal zur Hauptfläche des Substrats.
Entsprechend diesem Verfahren kann eine Schicht aus einem gestreuten Material, das sich während der Behandlung anhäuft, durch Nachätzen entfernt werden. Weiters kann, da das Kanalmuster durch Abfühlen des punktförmigen Lichtstroms 5 gebildet wird, eine stegförmige Struktur mit einer willkürlichen ebenen Form ausgebildet werden.
(2) Simultane Transferbehandlung
Dies ist ein Verfahren, das schematisch in 2 dargestellt ist. Dieselben Abschnitte wie in 1 werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, und eine Erklärung dieser wird weggelassen. Lichtströme 6, die durch eine Maske mit einem bestimmten Transfermuster hindurchgetreten sind, werden direkt auf eine Hauptfläche 1a eines Substrats 1 gestrahlt, so dass eine stegförmige Struktur mit einem bestimmten ebenen Muster ausgebildet wird, ohne dass dabei die Lichtströme bewegt werden.
Entsprechend diesem Verfahren ist die Behandlungseffizienz hoch und die ebene Form der stegförmigen Struktur kann äußerst exzellent reproduziert werden, da das ebene Transfermuster der Maske simultan auf das Substrat transferiert wird. Entsprechend diesem Verfahren muss aber ein Laserstrahl mit einer großen Querschnittsfläche erzeugt werden, und es sind auch eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung der Maske, durch welche die Laserstrahlen hindurchgehen, sowie eine hohe Genauigkeit im Lichtsystem erforderlich.
(3) Schlitzabtastbehandlung
Dies ist ein Verfahren, das schematisch in 3 dargestellt ist. Es wird ein Laserstrahlstrom 7 erhalten, indem ein Laserstrahl durch eine Maske mit einem schlanken Musterschlitz hindurchgeschickt wird. Dieser Laserstrahlstrom 7 wird auf eine Hauptebene 1a eines Substrats 1 gestrahlt und in eine Pfeilrichtung B abgetastet. Entsprechend diesem Verfahren wird die Form einer Bodenfläche jedes der auf diese Weise ausgebildeten Kanäle 2A und 2B besonders glatt ausgebildet. In diesem Verfahren kann aber nur der Kanal mit einer geraden Form ausgebildet werden, so dass nur eine stegförmige Struktur mit einer geraden Form ausgebildet werden kann. Zusätzlich dazu sind die Seitenflächen der stegförmigen Struktur wahrscheinlich unklar.
Der durch die vorliegende Erfindung erhaltene stegförmige Lichtwellenleiterabschnitt wird vom Substrat vorstehend ausgebildet, wobei ein Grundteil des Stegabschnitts aus demselben Oxid-Einkristall wie jener des Substrats ausgebildet ist, und es kann ein stegförmiger Lichtwellenleiter aus einem Epitaxiefilm auf der Oberseite des Stegabschnitts ausgebildet werden. Dadurch kann aus dem folgenden Grund die optische Verformung im Lichtwellenleiterabschnitt reduziert werden, so dass ein Verlust bei der Lichtübertragung und ein Verlust bei der Verbindung zwischen einer optischen Faser weiter verringert werden können, und es kann die Licht-Quenchrate gesenkt werden.
Ein Film, der Lichtwellenleiter ausbilden kann, kann auf der Oberfläche des Substrats gemäß des herkömmlichen Verfahrens ausgebildet werden. Weiters kann ein Epitaxiefilm eines Oxid-Einkristalls auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet werden, und nachfolgend kann entsprechend dem herkömmlichen Verfahren ein Film, der den Lichtwellenleiter bilden kann, auf der Oberfläche des Substrats mit bereitgestelltem Epitaxiefilm ausgebildet werden.
Nachfolgend sind Ausführungsformen von Substraten und Vorrichtungen mit bereitgestellten Lichtwellenleitern, die durch dieses Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden, mit Bezug auf die 4 bis 7 erklärt. In einem Substrat 11A mit bereitgestellten Lichtwellenleitern der 4(a) wird ein stegförmiger Lichtwellenleiterabschnitt 12A von einer Hauptebene 16a eines Substrats 16 vorstehend ausgebildet. Eine Bezugsziffer 16b bezeichnet eine andere Hauptebene, und 16d bezeichnet eine Seitenfläche. Ein Stegabschnitt 15 des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts 12a besteht aus demselben Material wie ein Oxid-Einkristall als Material des Substrats 16. Ein Lichtwellenleiter 13 wird aus einem Epitaxiefilm auf dem Stegabschnitt 15 gebildet. In dieser Ausführungsform muss, da der Epitaxiefilm als Lichtwellenleiter verwendet wird, der Brechungsindex des Epitaxiefilms größer als jener des Substrats 16 sein.
In einem Lichtwellenleitersubstrat 11B der 4(b) wird ein stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt 12B von einer Hauptebene 16a eines Substrats 16 vorstehend ausgebildet. Ein Stegabschnitt 15 des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts 12B besteht aus demselben Oxid-Einkristall wie das Substrat 16. Ein Epitaxiefilm 17 und ein Lichtwellenleiter 13 sind auf dem Stegabschnitt 15 ausgebildet. Der Brechungsindex des Lichtwellenleiters 13 ist größer als jener des Stegabschnitts 15.
Werden die obigen stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitte 12A, 12B mittels Abrasionsbehandlung gebildet, so können der Lichtwellenleiterabschnitt oder der Stegabschnitt mit einem Verhältnis von d/W von nicht weniger als 1 oder insbesondere nicht weniger als 2, worin d und W die Tiefe bzw. Breite jedes der stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitte sind, und der Winkel des Stegs von etwa 90° ausgebildet werden. Der Winkel des Stegs (Stegwinkel) bezeichnet einen Winkel, der zwischen der Oberseite des Lichtwellenleiters oder dem stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt und dessen Seitenfläche definiert ist.
In den obigen Substraten mit bereitgestellten Lichtwellenleitern ist die Querschnittsform eines Lichtstrahls 14, der in den Lichtwellenleiter 13 übertragen wird, beinahe kreisförmig, so dass der Lichtstrahl nicht verformt wird. Dies geht darauf zurück, dass der Lichtstrom nicht gestreut wird oder in das Substrat 16 diffundiert, da der Stegabschnitt 15 des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts vom Substrat 16 vorsteht und der Lichtwellenleiter 13 auf dem Stegabschnitt 15 ausgebildet ist. Weiters ist, da die Seitenflächen 13b des Lichtwellenleiters 13 parallel zueinander liegen und der Lichtwellenleiter 13 eine quadratische oder rechteckige Querschnittsform aufweist, die Symmetrie des Lichtstrahls 14 hoch, und die Effizienz der Lichtstrahlübertragung ist maximal.
Ein Lichtmodulator und ein optisches Schalterelement zum Modulieren der Intensität und der Phase des Lichts können unter Verwendung solcher Lichtwellenleiter herge stellt werden. In diesem Fall werden vorzugsweise Elektroden mit Konfigurationen, wie sie in den 5(a), 5(b) und 6 dargestellt sind, ausgebildet, obwohl die Konfiguration der lichtmodulierenden Elektrode nicht besonders beschränkt ist. In der Lichtwellenleitervorrichtung der 5(a) ist eine Elektrode 20A auf einer Oberseite oder einer Unterseite 13a eines Lichtwellenleiters 13 ausgebildet, und eine andere Elektrode 20B ist auf einer anderen Hauptebene oder einer Bodenfläche 16b des Substrats 16 und gegenüberliegend zur Elektrode 20A ausgebildet. Ein Paar dieser Elektroden 20A und 20B ist elektrisch mit einer elektrischen Energiequelle (vorzugsweise Wechselstromquelle) über einen Draht 21 verbunden. Dadurch wird Spannung an den Stegabschnitt 12B parallel zu einer Längenrichtung (Höhenrichtung) angelegt, so dass ein elektrisches Feld an den Lichtwellenleiter 13 angelegt werden kann.
In der Lichtwellenleitervorrichtung ist eine Elektrode 20A auf einer Oberseite 13a eines Lichtwellenleiters 13 eines Substrats 11B mit bereitgestellten Lichtwellenleitern ausgebildet, während eine Elektrode 20C sich von einer Oberfläche 15a eines Stegabschnitts 15 eines stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts 12B und einer Hauptebene 16a eines Substrats 16 erstreckend ausgebildet ist. Ein Paar Elektroden 20A und 20C ist elektrisch mit einer elektrischen Energiequelle 22 über einen Draht 21 verbunden. Dadurch wird Spannung an den Lichtwellenleiter 13 in eine Höhenrichtung dessen angelegt.
In der Lichtwellenleitervorrichtung der 6 sind Elektroden 20D jeweils auf einem Paar dieser Seitenflächen 13b eines Lichtwellenleiters 13 eines Stegabschnitts 12B ausgebildet, die vertikal zu einer Hauptebene 16a eines Substrats 16 liegen, und die Elektroden 20D sind elektrisch mit einer elektrischen Energiequelle 22 über einen Draht 21 verbunden. Dadurch wird durch die Elektroden 20D Spannung an den Lichtwellenleiter 13 angelegt.
Es erübrigt sich zu bemerken, dass die in den 5(a), 5(b) und 6 dargestellten Lichtwellenleitervorrichtungen erzeugt werden können, selbst wenn das Substrat 11A mit bereitgestellten Lichtwellenleitern in 4(a) verwendet wird. Selbstverständlich ist in den Ausführungsformen, die den 5(a) und 5(b) entsprechen, eine Elektrode 20A auf der Oberseite 13a des Lichtwellenleiters 13 ausgebildet, während in einer der 6 entsprechenden Ausführungsform die Elektroden 20D jeweils auf einem Paar Seitenflächen des Lichtwellenleiters 13 ausgebildet sind.
7 ist eine Perspektive zur Darstellung einer Ausführungsform, in welcher das Substrat mit bereitgestellten Lichtwellenleitern gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen mit einer periodisch umgekehrten, quasi-phasenangepassten Polarisierungsstruktur angelegt wird. Diese Vorrichtung 26 zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen umfasst ein Lichtwellenleitersubstrat 11B. Im Lichtwellenleiter 13 wird die periodisch umgekehrte Polarisierungsstruktur gebildet, d.h., wie dies schematisch in 7 dargestellt ist, wird eine Reihe von umgekehrten Polarisierungsabschnitten 25a und 25b ausgebildet, so dass die Polarität zwischen den benachbarten Abschnitten 25a und 25b mit umgekehrter Polarität umgekehrt ist.
Um die Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen herzustellen, wird ein Substrat 16 in eine bestimmte Richtung polarisiert, vorzugsweise in eine Richtung vertikal auf eine Hauptebene 16a des Substrats 16; es wird daraufhin ein Epitaxiefilm auf dem Substrat 16 ausgebildet und ein bestimmter Abschnitt des Epitaxiefilms und des Substrats 16 werden danach der zuvor beschriebenen Abrasionsbehandlung unterzogen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Polarisierungsrichtung des Epitaxiefilms zu jener des Substrats umgekehrt. Danach wird die periodisch umgekehrte Polarisierungsstruktur im Lichtwellenleiter gemäß einem bekannten Verfahren ausgebildet.
Als Oxid-Einkristall, der in der vorliegenden Erfindung einer Abrasionsbehandlung unterzogen wird, können Lithiumniobat, Lithiumtantalat, ein Mischkristall aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat, Lithiumkaliumniobat und Kaliumtantalat angeführt werden.
Obwohl die Querschnittsform des Lichtwellenleiterabschnitts nicht auf eine bestimmte Form beschränkt ist, wird eine beinahe quadratische Querschnittsform bevorzugt, um die Symmetrie des Lichtstrahls zu verbessern und den Verlust bei der Lichtübertragung maximal zu verringern. Das Verhältnis von d/W des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts beträgt vorzugsweise nicht weniger als 2, da es eher unwahrscheinlich ist, dass sich ein an den Lichtwellenleiter des Stegabschnitts angelegtes elektrisches Feld in diesem Fall in das Substrat ausdehnt. Wenn das Verhältnis von d/W nicht mehr als 100 beträgt, ist es weiters einfacher, das Substrat mit bereitgestellten Lichtwellenleitern des Stegabschnitts zu bearbeiten, so dass es unwahrscheinlich wird, dass der Stegabschnitt während der Handhabung des Substrats beschädigt wird.
(Beispiele)
Beispiel 1
Ein Z-geschnittener 3-Zoll-Wafer aus einem LiNbO₃-Einkristallsubstrat (optischer Grad) wurde hergestellt, wobei dieser einen Durchmesser von 3 Zoll und eine Dicke von 1 mm aufwies. Auf diesem Substrat wurde ein Einkristallfilm aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat durch das Flüssigphasen-Epitaxieverfahren ausgebildet. Insbesondere wurde eine quasi-ternäre Schmelze aus LiNbO₃-LiTaO₃-LiVO₃ hergestellt. Die hergestellte Zusammensetzung dieser Schmelze war LiNbO₃:LiTaO₃:LiVO₃ = 4:16:80. Die Schmelze wurde bei 1.200°C nicht weniger als 3 Stunden lang gerührt, um eine ausreichend gleichmäßige Flüssigphase zu erhalten. Danach wurde die Schmelze auf 950°C abgekühlt und bei dieser Temperatur nicht weniger als 12 Stunden lang gehalten. Als Ergebnis dessen trat der Kern des Mischkristalls in einer Menge aus, die einer übersättigten Menge entsprach, und eine Festphase wurde auf der Wandoberfläche eines Schmelztiegels abgelagert.
Danach wurde die Schmelze von 950°C auf eine Filmausbildungstemperatur von 940°C abgekühlt. Unmittelbar danach wurde das Lithiumniobat-Einkristallsubstrat mit dem Flüssigphasenabschnitt in Kontakt gebracht, wodurch darauf ein Film ausgebildet wurde. Der sich ergebende Mischkristallfilm wies eine Zusammensetzung von LiNb_0,7Ta_0,30O₃ auf. Die Dicke des Films betrug 10 μm.
Ein Film aus Lithiumniobat wurde auf diesem Mischkristallfilm entsprechend dem Flüssigphasen-Epitaxieverfahren ausgebildet. Insbesondere wurde eine quasi-binäre Schmelze aus LiNbO₃-LiVO₃ hergestellt. Die hergestellte Zusammensetzung dieser Schmelze war LiNbO₃:LiVO₃ = 20:80. Die Schmelze wurde bei 1.200°C nicht weniger als 3 Stunden lang gerührt, um eine ausreichend gleichmäßige Flüssigphase zu erhalten. Danach wurde die Schmelze auf 905°C abgekühlt und bei dieser Temperatur nicht weniger als 12 Stunden lang gehalten.
Danach wurde die Schmelze von 905°C auf eine Filmausbildungstemperatur von 900°C abgekühlt. Unmittelbar danach wurde das Lithiumniobat-Einkristallsubstrat mit dem Flüssigphasenabschnitt in Kontakt gebracht, wodurch darauf ein Film ausgebildet wurde. Die Dicke des Films aus dem resultierenden Lithiumniobat-Einkristall betrug 10 μm.
Das Substrat wurde an dieser Seite, an welcher die Epitaxiefilme ausgebildet wurden, der Abrasionsbehandlung unterzogen, welche gemäß dem in 1 dargestellten Verfahren unter Verwendung eines KrF-Excimerlaser (Wellenlänge: 248 nm) mit einer kleineren Wellenlänge als ein Absorptionsende des Lithiumniobat-Einkristalls als Lichtquelle durchgeführt. Eine ebene Form der einstrahlenden Lichtströme ist in 8 dargestellt. In 8 bezeichnet die Bezugsziffer 8 bestrahlte Abschnitte oder Punkte, und 9 bezeichnet zwei bestrahlte Punkte. Die Breite "a" betrug 200 μm, der Abstand "b" betrug 10 μm, und die Länge C in die Längsrichtung betrug 1,0 mm. Das Lichtsystem wurde eingestellt, um eine einstrahlende Energiedichte von 6 J/cm² zu ergeben. Die Impulsbreite war 15 ns, die Impulsfrequenz betrug 600 Hz, und die Abfühlgeschwindigkeit war 1,2 mm/s. Die Zeitspanne, die erforderlich war, um einen stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt mit einer Länge von 20 mm auszubilden, betrug 17 Sekunden.
Die Beobachtung der Querschnittsform des auf diese Weise hergestellten stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts mit einem Rasterelektronenmikroskop ergab, dass zwei Kanäle jeweils eine Tiefe von 20 μm und eine Breite von 10 μm aufwiesen, und dass ein Neigungswinkel jeder Seitenfläche des Lichtwellenleiterabschnitts in Bezug auf eine Hauptebene des Substrats 88 bis 90° betrug. Die Eigenschaft der Lichtübertragung dieses Substrats mit bereitgestellten Lichtwellenleitern wurde untersucht, indem TE-Wellen mit einer Wellenlänge von 1,55 μm eingeführt wurden. Als Ergebnis dessen war das übertragene Licht ein Einmoden-Licht mit einem Übertragungsverlust von 0,6 dB/cm.
Beispiel 2
Ein KLN-Epitaxiefilm (Zusammensetzung: K_3,0Li_2,0Nb_4,8O₁₂) wurde in eine Dicke von 5,0 μm auf einem Z-geschnittenen KLiNT-Einkristallsubstrat (Zusammensetzung: K_3,0Li_2,2Nb_4,6Ta_0,2O₁₂) mit einer Dimension von 30 mm × 30 mm entsprechend dem Flüssigphasen-Epitaxieverfahren ausgebildet. Das Substrat wurde auf dieser Seite, auf welcher der Epitaxiefilm ausgebildet wurde, der Abrasionsbehandlung unterzogen, welche gemäß dem in 1 dargestellten Verfahren unter Verwendung eines ArF-Excimerlaser (Wellenlänge: 193 nm) mit einer kleineren Wellenlänge als ein Absorptionsende des KLNT-Einkristalls als Lichtquelle durchgeführt wurde. Eine ebene Form der eingestrahlten Lichtströme ist in 8 dargestellt. Im Beispiel 2 betrug die Breite "a" 200 μm, der Abstand "b" betrug 5 μm und die Länge C in die Längsrichtung betrug 1,0 mm. Das Lichtsystem wurde eingestellt, um eine einstrahlende Energiedichte von 6 J/cm² zu ergeben. Die Impulsbreite war 15 ns, die Impulsfrequenz betrug 300 Hz, und die Abtastgeschwindigkeit war 1,2 mm/s. Die Zeitspanne, die erforderlich war, um einen stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt mit einer Länge von 7 mm auszubilden, betrug 6 Sekunden.
Die Beobachtung der Querschnittsform des auf diese Weise hergestellten stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts mit einem Rasterelektronenmikroskop ergab, dass zwei Kanäle jeweils eine Tiefe von 8 μm und eine Breite von 5 μm aufwiesen, und dass ein Neigungswinkel jeder Seitenfläche des Lichtwellenleiterabschnitts in Bezug auf eine Hauptebene des Substrats 90° betrug. Die Eigenschaft der Lichtübertragung dieses Substrats mit bereitgestellten Lichtwellenleitern wurde untersucht, indem TE-Wellen mit einer Wellenlänge von 0,85 μm eingeführt wurden. Als Ergeb nis dessen war das übertragende Licht ein Einmoden-Licht mit einem Übertragungsverlust von 0,8 dB/cm.
Vergleichsbeispiel 1
Ähnlich wie in Beispiel 1 wurden ein Film aus einem Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristall und ein Film aus Lithiumniobat nacheinander auf einem Substrat in dieser Reihenfolge ausgebildet. Es wurde eine Maske aus einem Titanfilm mit einer Breite von 10 μm und einer Dicke von 400 Ä gemäß dem Lift-Oft-Verfahren ausgebildet. Das Substrat wurde einer reaktiven Ionenätzung mit C₃F₆-Gas durch die Maske unterzogen, wodurch ein stegförmiger Lichtwellenleiter mit einer Breite von 10 μm und einer Tiefe von 20 mm ausgebildet wurde. Der Gasdruck wurde mit 0,01 Torr festgelegt, und die Ätzgeschwindigkeit betrug 40 nm/min.
Die Beobachtung der Querschnittsform des auf diese Weise hergestellten stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts mit einem Rasterelektronenmikroskop ergab, dass der stegförmige Lichtwellenleiterabschnitt einen trapezförmigen Querschnitt aufwies, und dass ein Neigungswinkel jeder Seitenfläche des Lichtwellenleiterabschnitts in Bezug auf eine Hauptebene des Substrats 6 bis 70° betrug. Die Breite der Oberseite des Lichtwellenleiterabschnitts betrug 10 μm, und die des Boden betrug 22 μm. Die Eigenschaft der Lichtübertragung dieses Substrats mit bereitgestellten Lichtwellenleitern wurde untersucht, indem TE-Wellen mit einer Wellenlänge von 1,55 μm eingeführt wurden. Als Ergebnis dessen war das übertragene Licht ein Multimoden-Licht mit einem Übertragungsverlust von 1,9 dB/cm.
Wie bereits zuvor angesprochen wurde, können gemäß der vorliegenden Erfindung die stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitte mit einer extrem hohen Produktivität erzeugt werden, und es kann eine bemerkenswerte Stabilität sowohl bei den optischen Eigenschaften als auch der Form für die resultierenden stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitte realisiert werden. Wird Licht durch den auf diese Weise erhaltenen Lichtwellenleiter übertragen, so sind die Eigenschaften der Lichtabsorption und die Eigenschaften der Licht-Quenchrate exzellent, und es wird keine denatu rierte Behandlungsschicht an der Oberfläche des Lichtwellenleiters ausgebildet. Zusätzlich dazu kann der Winkel der Seitenflächen des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts in Bezug auf die Hauptebene des Substrats willkürlich eingestellt werden, insbesondere auf 90°.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleiterstruktur, die ein Oxid-Einkristall-Substrat (16) und einen an einer Hauptebene des Substrats (16) vorstehenden stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt (12A, 12B) enthält, umfassend die Schritte des: Ausbildens eines einen Lichtwellenleiter bereitstellenden Oxid-Einkristall-Films auf einer Oberfläche des Substrats (16) und des Ausbildens des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts (12A, 12B) an der Hauptebene des Substrats (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausbildens des stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitts (12A, 12B) durch eine Lichtabrasionsbehandlung des Substrats (16) unter Verwendung einer Lichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 350 nm projiziert, durchgeführt wird, wobei der stegförmige Lichtwellenleiterabschnitt (12A, 12B) einen aus dem Material des Substrats (16) gebildeten Stegabschnitt (15) und einen auf diesem Stegabschnitt ausgebildeten Lichtwellenleiter (13) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Licht eine Wellenlänge in einem Bereich von 150 bis 300 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Oxid-Einkristall aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder einem Mischkristall aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Oxid-Einkristall aus Lithiumkaliumniobat und Lithiumkaliumtantalat ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiters umfassend den Schritt des Ausbildens eines Epitaxiefilms eines Oxid-Einkristalls auf dem Substrat, wobei der den Lichtwellenleiter bereitstellende Film auf dem Epitaxiefilm gebildet wird, wobei ein Teil (17) des Epitaxiefilms zwischen dem Stegabschnitt (15) und dem Lichtwellenleiter (13) im stegförmigen Lichtwellenleiterabschnitt (12A, 12B) liegt.