DE69911200T2

DE69911200T2 - Verfahren zum tempern unter druck von lithiumniobat oder lithiumtantalat und so hergestellte lithiumniobat bzw. lithiumtantalat-strukturen

Info

Publication number: DE69911200T2
Application number: DE69911200T
Authority: DE
Inventors: J. Lee BURROWS
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: WO1999063393A3; DE1078296T1; EP1078296A2; JP2002517780A; US6770132B1; DE69911200D1; EP1078296B1; WO1999063393A2; AU6128599A

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Patentanmeldung in USA Serial No. 60/084 940, angemeldet am 11. Mai 1998 mit dem Titel "Tempern von Lithiumniobat unter Druck", deren Gesamtheit hier unter Bezugnahme auf sie einbezogen wird.
Feststellung von Rechten an Erfindungen
Die Regierung der Vereinigten Staaten hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung gemäß Erteilung Nr. F-19628-95-C-0002, übertragen von der United States Air Force.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tempern von Lithiumniobat und Fabrikationsmethoden, die das Tempern von Lithiumniobatvorrichtungen einschließen. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Tempern einer Masse von Lithiumniobat in einer Sauerstoff-Druckgasatmosphäre sowie optische Wellenleiter und Modulatoren mit Lithiumniobatsubstraten.
Hintergrund
Optisch-elektronische Teile können auf verschiedenen Substrattypen hergestellt werden, einschließlich Polymeren, Glas, Halbleitern (d. h. Galliumarsenid [GaAs] und Indiumphosphid [InP]) und anorganischer Materialien (d. h. Lithiumniobat [LiNbO₃] und Lithiumtantalat [LiTaO₃]). Charakteristisch ist ein elektrisch-optisches Material, in welchem sich der Brechungsindex mit dem Anlegen eines elektrischen Feldes verändert. Eines der wichtigsten Teile in optischelektronischen Systemen ist der Modulator. Drei konkurrierende Technologien auf diesem Gebiet sind: direktes Modulieren eines Halbleiterlasers, Halbleiterelektroabsorptionsmodulatoren und der Lithiumniobatmodulator. Derzeit sind Lithiumniobatmodulatoren die Modulationseinrichtungen der Wahl für viele Systeme, da sie hohe Leistung erbringen, eine relativ früher Technologie darstellen und andere Modulationsschemata Grenzen auferlegen, die mit Lithiumniobatmodulatoren nicht entstehen.
Lithiumniobat erwies sich als ein geeignetes Medium für Einzelteile, wie Amplitudenmodulatoren, Phasenmodulatoren, optische Schalter, Polarisationswandler, modulierbare Filter und wellenlängenselektive optische Add/Drop-Filter. Lithiumniobat wurde auch als der Host für Laser im festen Zustand unter Verwendung von Ionen Seltener Erden, z. B. Erbium, verwendet. Die meisten derzeitigen Telekommunikations- und Kabeltelevisionssystemanwendungen für LiNbO₃-Modulatoren schließen einzelne Bestandteile für das optische Übertragungsuntersystem ein. Diese Gestaltung verbindet kontinuierliche Wellenlaser, typischerweise diodengepumpte YAG- oder Erbiumfaseroszillatoren mit externen Lithiumniobatmodulatoren und verschiedenen Wellenlängen- und Energiestabilisierungsteilen.
Lithiumniobat ist ein populärer nichtlinearer optischer Kristall aus verschiedenen Gründen einschließlich seiner großen elektrisch-optischen Koeffizienten, der Leichtigkeit, mit der optische Wellenleiter mit hoher Qualität hergestellt werden, und seine Zugänglichkeit zu herkömmliche integrierten Stromkreistechniken. Optische Wellenleiter hoher Qualität sind jene, die einen niedrigen Verlustfaktor und eine Handhabung mit hoher Energie erlauben. Außerdem ist LiNbO₃ ein hartes Material und läßt sich somit leicht für Faserkupplung polieren, was seine Verwendung in optischen Netzwerksystemen relativ unkompliziert macht. Es ist auch ein relativ billiger Kristall, teilweise infolge seiner langen Verwendungsgeschichte in Filtern mit akustischen Oberflächenwellen (SAW)-Filtern für Hochfrequenzen. Vergleichsweise ist Lithiumtantalat LiTaO₃ im wesentlichen austauschbar mit Lithiumniobat, was Modulatoreigenschaften betrifft, doch ist die Verwendung von LiTaO₃ oftmals kostenprohibitiv, da es nicht weitgehend kommerziell verwendet wird.
Beispielsweise ist eine Modulatortype, die die Verwendung von LiNbO₃ einschließt, ein Mach-Zehnder-Modulator. In einem Mach-Zehnder-Modulator wird ein ankommender optischer Strahl gleich wie bei einer Y-Verbindung in zwei parallele Wellenleiter aufgespalten, die sich dann bei einer anderen Y-Verbindung nach einigem Abstand rekombinieren. Elektroden werden verwendet, um ein elektrisches Feld im Bereich der optischen Wellenleiter anzulegen. Das elektrische Feld bewirkt einen relativen Phasenwechsel zwischen den beiden Zweigen. Wenn der Phasenwechsel in beiden Armen der gleiche ist, werden sich die beiden optischen Signale konstruktiv an dem zweiten Y-Zweig rekombinieren und geht keine optische Energie verloren. Wenn es einen Phasenunterschied zwischen beiden Armen gibt, bekommt man eine destruktive Störung und geht etwas optische Energie verloren. Die resultierende destruktive und konstruktive Störung bewirkt, daß die optische Ausgangsintensität zwischen einem Mindestwert und einem Maximalwert variiert. Beispielsweise ist eine solche optische Wellenleiterstruktur in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 669 546 A2 (Nishimoto) mit dem Titel "Optische Vorrichtung vom Wellenleitertyp" beschrieben.
Bei anderen elektrisch-optischen Anwendungen können optische Wellenleiterrichtungskuppler auch als elektrisch-optische Modulatoren verwendet werden. Bei dieser Modulatortype werden zwei Wellenlängen auf dem Lithiumniobatsubstrat in sehr enger Nachbarschaft zueinander gebracht. Die Welle von einem Leiter kann in den anderen Leiter "auslecken". Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das Lithiumniobat kann die Menge der "Leckage" gesteuert werden, so daß der Energietransport von einem Leiter zu dem anderen moduliert wird. Derzeit begünstigen verschiedene gewerbliche Anforderungen entweder gerichtete Koppler oder Mach-Zehnder-Modulatoren.
Nachrichtenverkehr mit hoher Geschwindigkeit führte zu einem Bedarf an äußerer Modulatorgestaltung. Der üblichste Weg benutzt einen mit hoher Energie diodengepumpten Laser mit geringem Rauschen, dessen Signal über optische Fasern zu dem LiNbO₃-Modulator ge schickt wird. Der Modulator überführt entweder analoge oder digitale Information zu dem optischen Träger.
Bei Verwendung von Lithiumniobat bei der Herstellung optischer Wellenleiter und optischer Modulatoren ist es erwünscht zu vermeiden, daß man eine niobreiche, lithiumarme und/oder sauerstoffarme Zusammensetzung hat. Wenn eine Lithiumniobatmasse solche niobreichen Zusammensetzungen besitzt und dann bei hohen Temperaturen (T > 300°C) bearbeitet wird, kann Wachstum der LiNb₃O₈-Phase in dem Kristall auftreten. Diese Phase ist unerwünscht, da sie nicht optisch transparent ist und zu hohen Verlusten in optischen Wellenleitern und optischen Modulatoren führt.
Solche niobreichen Zusammensetzungen können in zwei unterschiedlichen Arten während der Herstellung optischer Wellenleiter und optischer Modulatoren auftreten. Erstens führen typische Ionenaustauschverfahren zu dem Austausch von Lithiumatomen in dem Kristallgitter, wobei Ionen diffundieren, was zu einer Lithiumniobatzusammensetzung führt, die relativ reich an Niob ist. Zweitens kann eine Standardverarbeitung von Lithiumniobat bei hoher Temperatur (Temperaturen über 300°C) ein Ausdiffundieren von Li₂O verursachen und zu niobreichen und lithium- und sauerstoffarmen Zusammensetzungen führen.
Um die unerwünschte LiNb₃O₈-Phase an der Bildung in dem Kristall zu hindern, wird gewöhnlich eine Hochtemperaturbehandlung, wie das spannungsaufhebende Tempern, in einer feuchten Atmosphäre von inertem Trägergas, wie Stickstoff (N₂) oder Argon (Ar₂) oder in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre (O₂) durchgeführt. Diese Art von Temperverfahren schließt ein, daß man das inerte Trägergas oder Sauerstoffgas durch Wasser (H₂O) einperlt. Die feuchte Atmosphäre ist vorteilhaft, da das H₂O die LiNb₃O₈-Phase angreift und sie zu LiNbO₃ zerbricht. Ein typisches Tempern mit feuchter Atmosphäre erfolgt bei einer Temperatur von etwa 350 °C während einer Zeitdauer von 5 bis 6 h in einer feuchten, strömenden Umgebung. Der vorliegende Erfinder fand, daß ein Nachteil dieser Art von Hochtemperaturbehandlung darin besteht, daß das H₂O unerwünschte Protonen abgibt, die von dem Lithiumniobat angezogen werden und zu einer unabsichtlich protonenausgetauschten Oberflächenschicht führt. Diese Protonen bleiben in den Modulatoren nach der Herstellung und fließen relativ frei zwischen den Wellenleitern, den Wellenleitern und den Elektroden und in der Lithiumniobatkristall- und der Pufferschichtgrenzfläche. Unerwünscht freifließende Protonen können eine DC-Vorspannbeständigkeit eines Modulators nachteilig beeinflussen, da sie als Chargenträger wirken und von den angelegten elektrischen Feldern getrieben werden und das Endprodukt veranlassen, über die Zeit zu treiben, wenn eine Vorspannung angelegt wird.
Außerdem führt Hochtemperaturbehandlung (> 300°C) zu einem Sauerstoffausdiffundieren von Lithiumniobatstrukturen. Dieses Ausdiffundieren neigt dazu, eine Oberflächenschicht auf einem Lithiumniobatsubstrat oder einem Lithiumniobatwellenleiter zu bilden, der in seiner Zusammensetzung sauerstoffarm ist. Dieser sauerstoffarme Bereich wirkt als ein optischer Oberflächenwellenleiter und läßt unerwünschte Lichtleckage aus dem Lithiumniobatsubstrat austreten.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 07 120 798 (Harada) mit dem Titel "Bildung eines optischen Wellenlängenumwandlungselementes" beschreibt eine Hitzebehandlung eines optischen Wellenlängenumwandlungselementes in der unter Druck stehenden Sauerstoffatmosphäre, um die Lichtzerstörungsbeständigkeit zu verbessern. Das Umwandlungselement hat Bereiche ("Domänen"), wo die spontane Polarisierung eines ferroelektrischen Kristalls periodisch umgekehrt wird, um so die grundlegende Welle in eine zweite harmonische Welle umzuwandeln. Die Lichtzerstörung bei der Kristallstruktur wird durch die umgewandelte höhere harmonische Welle verursacht. Die Hitzebehandlung wird unter 9-normaler Atmosphäre (2- bis 10-normaler Atmosphäre) mit einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/min, einer Heizbehandlung bei 550°C während 1 h und mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10°C/min durchgeführt. Probleme bezüglich eines Ausdiftundierens von O₂ oder einer Bildung einer unerwünschten LiNb₃O₈-Phase werden jedoch nicht angesprochen.
Die US-Patentschrift Nr. 4 196 963 (Chen et al.) mit dem Titel "Verfahren zur Ausschaltung von Li₂O-Ausdiffusion in LiNbO₃- und LiTaO₃-Wellenleiterstrukturen" beschreibt Temperverfahren bei 900 oder 930°C in einer strömenden Sauerstoffatmosphäre. Obwohl ein LiNbO₃-oder LiTaO₃-Pulver verwendet wird, um eine Li₂O-Ausdiffusion zu unterdrücken, ist die Glühtemperatur noch beachtlich hoch.
Es ist daher äußerst vorteilhaft, ein neues Hochtemperaturglühverfahren zu schaffen, das die Bildung der unerwünschten LiNb₃O₈-Phase in dem Kristall und ein Ausdiffundieren von O₂ hemmt, ohne eine wesentliche Anzahl freifließender Protonen in das Verfahren einzuführen, die die DC-Vorspannstabilität des Modulators beeinträchtigen.
Nach ersten und zweiten Aspekten der Erfindung bekommt man die Methoden der Ansprüche 1 und 2.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Querschnittsdarstellung eines Behälters, der zum Tempern von Lithiumniobatstrukturen in einer Umgebung mit Lithiumniobatpulver gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
1B ist eine Querschnittsdarstellung eines unter Druck stehenden Behälters, der zum Tempern von Lithiumniobat gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2A bis 2G sind Querschnittsdarstellungen verschiedener Stufen bei der Herstellung eines optischen Lithiumniobationenaustauschmodulators zum Tempern gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Fachleute werden realisieren, daß die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur erläuternd ist und nicht dazu bestimmt ist, sie in irgendeiner Weise zu beschränken. Andere Ausführungsformen der Erfindung werden sich dem Fachmann bei Prüfung der Beschreibung leicht vorschlagen.
Gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Tempern oder Glühen von Lithiumniobat unter Druck folgendermaßen beschrieben. Eine Lithiumniobatstruktur (LiNbO₃) wird in einer Sauerstoffgasatmosphäre während der erforderlichen Zeitdauer, um Spannungsentlastung oder Ionenaustausch zu bekommen, gemäß dem erwünschten Vorteil des speziellen Temperverfahrens erhitzt und unter Druck gesetzt.
Die vorliegende Erfindung kann auch als ein Verfahren zum Tempern von Lithiumtantalat (LiTaO₃) unter Druck definiert werden. Lithiumtantalat ist bezüglich der elektrisch-optischen Eigenschaften mit LiNbO₃ eng verwandt, wird aber derzeit nicht in großem Umfang bei gewerblichen elektrisch-optischen Modulatoranwendungen benutzt, da dies kostenprohibitiv wäre. Gleiche oder ähnliche Temperverfahren, wie nachfolgend für LiNbO₃ beschrieben, würden beim Tempern von LiTaO₃ verwendet.
Vor dem Temperverfahren kann die Lithiumniobatstruktur in einem Behälter angeordnet werden, der es erlaubt, Lithiumniobatpulver in enger Nachbarschaft zu der Lithiumniobatstruktur zu plazieren. In dem Behälter werden die Lithiumniobatstruktur und das Lithiumniobatpulver durch eine poröse Grenzfläche isoliert, die erlaubt, daß Gas zwischen der Lithiumniobatstruktur und dem Lithiumniobatpulver fließt, die aber nicht erlaubt, daß das Lithiumniobatpulver die Lithiumniobatstruktur verunreinigt. Der Behälter wird durch Gleitpaßkappen verschlossen, die erlauben, daß Sauerstoffgas in den Behälter eindringt, wenn ein Druckunterschied vorliegt, dennoch aber das Austreten von Lithiumoxid (Li₂O) in Abwesenheit eines Druckunterschieds begrenzen. Der Zweck des Lithiumniobatpulvers ist der, das Ausgasen von Lithiumoxid (Li₂O) in dem Lithiumpulver während des Glühverfahrens einzuleiten, während das gleiche Ausgasen in der Lithiumniobatstruktur verzögert wird. Wie oben diskutiert, wird Lithiumniobat Li₂O ausgasen, wenn es Temperaturen oberhalb 300 °C ausgesetzt wird. Das Ausgasen führt zu einer Lithiumniobatstruktur, die arm an Lithium ist. Lithiumarme Strukturen unterliegen der LiNb₃O₈-Phase, die sich in dem Kristall bildet. Die LiNb₃O₈-Phase ist nicht optisch transparent und bewirkt hohe Verluste in den Wellenleitern. Das Lithiumniobatpulver hat eine größere Oberfläche und ist allgemein reaktiver als die Lithiumniobatstruktur. Daher erfolgt ein Ausgasen leichter in dem Lithiumniobatpulver. Wenn die Temperumgebung erst mit LiO₂ das aus dem Pulver ausgegast wurde, gesättigt ist, ist die Niobatstruktur weniger wahrscheinlich einzuleiten oder weiter auszugasen.
In 1A ist eine Querschnittsdarstellung eines solchen Glühbehälters sowohl mit einer Lithiumniobatstruktur als auch mit Lithiumniobatpulver darin enthalten. Diese Erläuterung ist beispielhalber gezeigt; andere Behälter, die dieser Absicht und diesem Zweck genügen, sind auch brauchbar und hier als erfinderische Aufgabe beschrieben. Der abdichtbare Behälter 10 hat eine röhrenartige Struktur, die aus einem Hochtemperaturkeramikmaterial, wie Aluminiumoxid, hergestellt werden kann. Die Lithiumniobatstruktur 12 wird in dem Mittelbereich der Röhre plaziert, und die porösen Stopfen 14 werden in der Röhre in einem kurzen Abstand von den Röhrenenden positioniert. Die porösen Stopfen 14 können aus einem Hochtemperaturmaterial, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder einem ähnlichen Material bestehen. Beispielhalber kann die Porosität poröser Stopfen 14 durch das Material mit Löchern in der Größenordnung von etwa 20 μm definiert werden. Stopfen 14 erlauben den freien Fluß von O₂ und Li₂O zwischen der Kammer, welche den LiNbO₃-Kristall aufnimmt, und der Kammer oder den Kammern, die das Lithiumniobatpulver aufnehmen. Wenn die Stopfen 14 in dem Behälter 10 in Position gebracht sind, wird Lithiumniobatpulver 16 in ein Ende oder in beide Enden des mit Stopfen versehenen Behälters 10 gebracht. Die verwendete Menge an Lithiumniobatpulver wird von der Innenfläche des abdichtbaren Behälters abhängen. Beispielhalber kann die Menge des Lithiumniobatpulvers 2,5 g für eine Röhre mit einer Fläche von etwa 16,4 cm³ (1,0 in³) bis etwa 32,8 cm³ (2,0 in³) sein. Wenn das Lithiumniobatpulver 16 ordentlich in der Röhre positioniert ist, wird die Röhre an beiden Enden mit lockeren Gleitpaßkappen 18 verschlossen, die typischerweise aus dem gleichen Hochtemperaturmaterial wie der Behälter 10 gebildet sind. Gleitpaßkappen 18 erlauben, daß Sauerstoffgas in den Behälter 10 eintritt, wenn ein Druckunterschied existiert, doch begrenzen sie den Auswärtsfluß von Li₂O während des Temperns.
Wenn der Behälter von 1 ordentlich zusammengesetzt ist, kann er in einen abdichtbaren und unterdrucksetzbaren Behälter eingesetzt werden. Eine Querschnittsdarstellung eines solchen Behälters ist in 1B gezeigt, die den Behälter 10 von 1A einschließt. Der unter Druck stehende Behälter 20 wird typischerweise von einem Metallmaterial, wie rostfreiem Stahl, gebildet. In dieser Erläuterung ist der Behälter 20 die röhrenförmige Struktur und hat Paßstücke 22 und 24 an entgegengesetzten Enden des Behälters 20. Das Paßstück 22 ist ein feststehendes Paßstück, und das Paßstück 24 erlaubt es, daß in dem Behälter 20 ein Vakuum gepumpt wird und daß er mit Sauerstoffgas unter Druck gesetzt wird.
Zusätzlich kann ein Tempern mit Lithiumniobatpulver ohne Verwendung des Behälters erfolgen, wie in 1A gezeigt ist. Es ist auch möglich und innerhalb des erfinderischen Konzeptes hier beschrieben, das Lithiumniobatpulver direkt in dem unter Druck stehenden Behälter 20 anzuordnen. Die Menge an erforderlichem Lithiumniobatpulver nimmt jedoch wesentlich zu, wenn das Pulver direkt in dem unter Druck stehenden Behälter angeordnet wird, was diese alternative Ausführungsform in den meisten Fällen kostenprohibitiv macht.
Das Glühverfahren beginnt, indem man die LiNbO₃-Kristallstruktur in einen herkömmlichen Temperofen bringt. Es kann irgendein geeigneter Ofen verwendet werden; denn die Glühkammer und die Verwendung solcher Öfen sind dem Fachmann auf diesem Gebiet weitgehend bekannt. Es ist möglich, einen Glühofen zu benutzen, der selbst unter Druck setzen kann, in welchem Fall die Verwendung des separaten Druckbehälters von 1B unnötig wäre. Nach dem Plazieren der Lithiumniobatstruktur in dem Ofen wird der Ofen oder der Druckbehälter dicht verschlossen, und dann wird der Ofen oder Druckbehälter auf Vakuum herab bis etwa 13 Pa (100 Mikron) Druck oder weniger gepumpt, um Verunreinigungen aus der Glühumgebung zu entfernen. Das Herunterpumpen auf Vakuum ist eine Gegebenenfallsmaßnahme, und in einigen Fällen kann die Notwendigkeit, Verunreinigungen aus der Glühumgebung zu entfernen, problemlos sein. Wenn der Ofen oder Druckkessel dicht verschlossen und auf Vakuum gebracht wurde, wird er dann mit Sauerstoffgas (O₂) unter Druck gesetzt. Die unter Druck stehende Sauerstoffatmosphäre dient dazu, Sauerstoffabgasen zu verhindern. Es sei bemerkt, daß die Atmosphäre eine Atmosphäre von reinem Sauerstoffgas ist, daß kein H₂O vorhanden ist und somit keine freien Protonen oder anderen Reste abgegeben werden, die das LiNbO₃ nachteilig beeinflussen würden. Der Druck in der O₂-Atmosphäre kann auf einen Wert im Bereich von gerade oberhalb Umgebungsatmosphärendruck bis etwa 1730 KPa (250 psi) oberhalb Umgebungsatmosphärendruck gesteigert werden. Ein gegebenenfalls verwendeter Glühdruckbereich liegt bei 13,8 KPa (2 psi) bis 173 KPa (25 psi) oberhalb Umgebungsatmosphärendruck, vorzugsweise bei etwa 31,4 KPa (6 psi) oberhalb Umgebungsatmosphärendruck. Anwendungen haben gezeigt, daß Glühen bei Drücken oberhalb 173 KPa (25 psi) dazu neigt, das LiNbO₃ dazu zu bringen, grüne Farbe anzunehmen. Obwohl die grüne Verfärbung die Struktur anscheinend nicht negativ beeinflußt, sollte der Druck zur Vermeidung dieser Verfärbungsdrücke unter 173 KPa (25 psi) über Umgebungsatmosphärendruck verwendet werden.
Wenn das Unterdrucksetzen von Sauerstoff in der Glühkammer erfolgt ist, wird dann die Temperatur in dem Ofen auf den geeigneten Wert gesteigert, der den erforderlichen Grad an Ionenaustausch oder die erwünschte Entspannung ergibt. Im allgemeinen kann die Temperatur auf einen Wert im Bereich von 150 bis 400°C gesteigert werden. Eine Temperatur von etwa 300°C wird allgemein das erforderliche Entspannen in der Lithiumniobatstruktur erlauben. Eine derzeit bevorzugte Glühtemperatur liegt bei etwa 300°C. Es ist allgemein zu empfehlen, bei niedrigeren Temperaturen zu tempern, um eine ausreichende Entspannung zu gewährleisten und die Tiefe des Ionenaustausches zu steuern. Der Anstieg bis zur Geschwindigkeit für die Erhöhung der Temperatur in dem Ofen kann im Bereich von 0,5 bis 12,0°C/min sein. Der bevorzugte Anstieg liegt bei etwa 1,0°C/min.
Die erforderliche Dauer des Glühens wird von der Temperatur abhängen, bei welcher das Glühen stattfindet. Für ein Tempern bei höherer Temperatur ist eine kürzere Glühzeit erforderlich, und für ein Tempern bei niedrigerer Temperatur ist eine längere Glühzeit erforderlich. Die Glühzeit wird von dem Zeitpunkt an gemessen, an dem die erwünschte erhöhte Temperatur erreicht wird. Im allgemeinen wird das Tempern etwa 4 bis 8 h dauern. Längere Glühzeiten sind möglich, aber nicht gewerblich annehmbar. Kürzere Glühzeiten sind möglich, werden aber hö here Glühtemperaturen erfordern. Die erwünschte erhöhte Temperatur und der erwünschte erhöhte Druck sollten während der gesamten Dauer des Temperns beibehalten werden. Vorzugsweise wird das Temperverfahren etwa 6 h dauern.
Das Temperverfahren wird durch Abkühlen der Lithiumniobatstruktur in langsamer Weise abgeschlossen. Das Gefälle der Geschwindigkeit für die Kristallstruktur kann 0,5 bis zu 40°C/min betragen. Ein derzeit bevorzugtes Gefälle für die Kristallstruktur liegt bei etwa 1,0°C/min.
Bei einer anderen derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bekommt man ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters aus Lithiumniobat durch Ionenaustausch, und der optische Modulator hierfür hat bei Verwendung des obenbeschriebenen Temperverfahrens folgende Details. Andere optische Lithiumniobatwellenleiter und – modulatoren können auch hergestellt werden, wie Titaneindiffundierwellenleiter und – modulatoren. Daher ist die Verwendung des Druckglühverfahrens nicht auf die Herstellung von optischen Wellenleitern und Modulatoren aus Lithiumniobat durch Ionenaustausch beschränkt. Die folgende Beschreibung der Modulatorherstellung, die beispielhalber ist, soll die Einführung unerwünschter freier Protonen in das Fabrikationsverfahren beschränken. Die 2A bis 2G sind Querschnittsdarstellungen eines Modulators nach Beendigung ausgewählter Stufen in dem Fabrikationsverfahren. Bezieht man sich auf 2A, so ist ein Modulatoraufbau 30 nach der Bildung einer Maskenschicht 34 über dem LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 gezeigt. Die Maskenschicht 34 kann Siliciumoxid (SiO₂), Chromoxid (Cr₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder ein anderes geeignetes maskierendes Schichtmaterial umfassen. Vorzugsweise sollte das Maskenmaterial robust genug sein, um der Einwirkung von Säuren, die denkbarerweise in einer späteren Bearbeitung eingeführt werden, zu widerstehen. Die Verwendung solcher Maskierschichtmaterialien sind dem Fachmann bekannt. Die Maskienschicht 34 kann durch Verwendung herkömmlicher Plasmaabscheidung, durch Sputtern oder thermische Verdampfungstechniken gebildet werden, die alle dem Fachmann bekannt sind.
In 2B werden photolithographische Standardtechniken verwendet, um eine Photoresistschicht 36 über der Maskienschicht 34 anzuordnen. Wie in 2B gezeigt, wird das photolithographische Verfahren zur Bildung von Linien von Photoresist nur in jenen Bereichen, wo Wellenleiter hergestellt werden sollen, und zur Bildung von Wegen 38 führen, die zu der Maskierschicht 34 hin führen. Die Verwendung solcher photolithographischer Techniken ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
Bezieht man sich nun auf 2C, so wird dort ein bekanntes Plasmaätzverfahren oder reaktives Ionenätzverfahren (RIE) angewendet, um Wege 38 durch die maskierende Schicht 34 zu bilden. Ein Plasmaätzverfahren oder RIE-Verfahren wird so gewählt, daß es selektiv das als Maskienschicht 34 gewählte Material wegätzt. Es sollte bemerkt werden, daß das Ätzverfahren kein Naßätzen einschließen sollte. Naßätzen verwendet Säuren und würde somit freie Protonen in das Wellenleiterschema einführen, was das LiNbO₃ beeinträchtigen würde. Wie oben diskutiert, neigen freie Protonen in dem Wellenleiter dazu, die Wahrscheinlichkeit eines Driftens der Ausgangsspannung während der Zeit zu erhöhen.
Wenn das Plasmaätzen oder RIE-Verfahren vervollständigt ist, kann es erwünscht sein, restlichen Photoresist abzustreifen. In einigen Fällen wird jedoch der Photoresist robust genug sein, um der Einwirkung von sauren Stoffen zu widerstehen, so daß kein Abstreifverfahren erforderlich ist. Wenn ein gegebenenfalls verwendetes Abstreifverfahren benutzt wird, kann es mit einem Sauerstoffplasma oder durch Verwendung einer Acetonwaschung bewerkstelligt werden. Die Verwendung von Säuren für Ausstreifzwecke sollte vermieden werden, da sie eine Neigung haben, freie Protonen in die Modulatorkonstruktion einzuführen, und diese freien Protonen steigern die Wahrscheinlichkeit eines latenten Abdriftens in den Modulatoren.
Bezieht man sich nun auf 2D, so ist dort in dem Modulatoraufbau 30 eine anfängliche Ionenaustauschdiffusion gezeigt. Das freiliegende LiNbO_§-Kristallsubstrat 32 wird mit einer Säure behandelt. Die Säure kann Benzoesäure (C₇H₆O₂), Schwefelsäure (H₂SO₄) oder eine andere geeignete Säure sein. Die Anfangsdiffusion erfolgt mit Ionen, die bis zu 50% der Lithiumatome in dem anfänglichen Austauschbereich 40 ersetzen. Der anfängliche Ionenaustauschbereich 40 ist typischerweise etwa 0,4 μm tief. Die Anfangsdiffusion kann durch Eintauchen des Modulatoraufbaues 30 in einer entlüfteten Kammer mit der geeigneten Säure bei der erwünschten Temperatur erfolgen. Im allgemeinen wird die Diffusionskammer die Säure bei einer Temperatur zwischen etwa 160 und 200°C halten. Die Diffusionszeit wird von etwa 5 bis 30 min dauern. Die Temperatur und Zeit des anfänglichen Diffusionsverfahrens werden von der verwendeten Säure und der Fähigkeit abhängen, etwa 50% Lithiumaustausch bis zu einer Tiefe von etwa 4 μm in LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 zu bekommen. Nach der Diffusion wird der Modulatoraufbau 30 mit einem geeigneten Lösungsmittel, wie Propenyl oder Aceton, gewaschen, um die restliche Säure zu entfernen.
Wenn erst das anfängliche Diffusionsverfahren abgeschlossen ist, können die Photoresistschicht 36 und die Maskierschicht 34 entfernt werden, indem man den Modulatoraufbau 30 einer geeigneten Ausstreifmethode unterzieht. Dieses Verfahren kann nach der anfänglichen Diffusionsstufe oder nach dem zweiten Drucktemperverfahren durchgeführt werden. Wenn ein gegebenenfalls durchgeführtes Ausstreifverfahren in dieser Stufe bei der Fabrikation verwendet wird, kann es mit einem Sauerstoffplasma oder durch Verwendung einer Acetonwaschung erfolgen. Die Verwendung von Säuren für Ausstreifzwecke sollte vermieden werden, da sie die Neigung haben, freie Protonen in die Wellenleiterkonstruktion einzuführen, und diese freien Protonen steigern die Wahrscheinlichkeit eines latenten Abdriftens in dem Wellenleiter.
Nach der anfänglichen Diffusion unterliegt der Wellenleiter einem Drucktemperverfahren, das zu weiterer Diffusion des Ionenaustausches und Antrieb des Austausches in größere Tiefen in dem LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 dient. Dieses Temperverfahren wird als das sekundäre Tem pern bezeichnet, da es zusätzlich zu dem primären Drucktemperverfahren durchgeführt wird, das beendet ist, nachdem die Wellenleiter und Elektroden eingebaut wurden. Dieses Drucktemperverfahren wurde im einzelnen oben diskutiert. Die bevorzugte Temperatur ist etwa 300°C. Die bevorzugte Temperatmosphäre ist Sauerstoff (O₂) bei etwa 6 psi oberhalb Umgebungsatmosphärendruck. Die bevorzugte Glühzeit ist etwa 4 bis 6 h. Das Glühverfahren kann die Verwendung von pulverisiertem Lithiumniobat einschließen, um die Wahrscheinlichkeit zu vermindern, daß der Modulatoraufbau 30 Li₂O ausgast. Das sekundäre Temperverfahren wird verwendet, um die Ionen weiter in LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 zu diffundieren. Wie in 2E gezeigt, wird das resultierende sekundäre Temperverfahren die Ionen mit einem Ionenaustauschbereich 42 mit einer Eindringungstiefe von etwa 6 μm ergeben, und weniger als oder gleich etwa 12% der Lithiumatome in dem Ionenaustauschbereich 42 werden gegen Ionen ausgetauscht worden sein.
Wie in 2F gezeigt, wird, wenn erst das sekundäre Temperverfahren beendet ist, eine Pufferschicht 44 über dem gesamten Modulatoraufbau 30 angeordnet. Die Pufferschicht 44 dient als Isolierung und ist allgemein etwa 2000 bis 3000 Å dick vorzugsweise etwa 3000 Å. Die Pufferschicht 44 kann Siliciumdioxid (SiO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄ oder andere Phasen), eine Kombination von Siliciumoxid und Siliciumnitrid, Indiumzinnoxid (ITO) oder ein anderes geeignetes Isolatormaterial umfassen. Bevor man die Pufferschicht 44 über die Wellenleiter und das Kristallsubstrat bringt, wird eine Ausstreifung verwendet, um das Wellenleitertemplat zu entfernen. Das Ausstreifen kann unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas, einer Acetonwaschung, von PVD-Ätzung oder durch andere geeignete Technik durchgeführt werden, die nicht die Verwendung von Säuren in die Fabrikation einführt. Eine herkömmliche Abscheidungstechnik, wie das Sputtern, kann verwendet werden, um Pufferschicht 44 über dem Modulatoraufbau 30 anzuordnen. Es sollte bemerkt werden, daß die Verwendung von chemischer Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) vermieden werden sollte, da eine solche Methode unerwünschte freie Protonen erzeugt.
Bezieht man sich nun auf 2G, so wird der Modulatoraufbau 30 durch Anordnung von Elektroden 46 über der Pufferschicht 44 vervollständigt. Wie gezeigt, können Elektroden 46 direkt über Wellenleiter 38 plaziert werden, oder sie können an anderen Stellen über der Pufferschicht 44 angeordnet werden. Es ist dem Fachmann bekannt, daß Z-Ausrichtungsmodulatoren Elektroden haben, die direkt auf den Wellenleitern ausgebildet sind, und Modulatoren mit Xoder Y-Ausrichtung haben Elektroden, die von den Wellenleitern versetzt ausgebildet sind. Standardabscheidungstechniken werden verwendet, um Elektroden 46 über der Pufferschicht 44 zu bilden. Eine Standardabscheidungstechnik kann ein Photoresistverfahren, eine herkömmliche Plasmaabscheidung, Sputtern oder thermische Verdampfungsverfahren, ein Plasmaätzverfahren und ein Ausstreifen und Aceton- oder Propylenwaschverfahren einschließen, um Photoresist zu entfernen. Die Elektroden können aus Gold (Au), Chromgold, Titan und Gold oder anderen geeigneten Elektrodenmaterialien bestehen. Die Verwendung von Chrom und Titan in Kombination mit Gold oder als eine reine dünne Schicht zwischen Pufferschicht 44 und Elektrode 46 ist für den Zweck der Adhäsionssteigerung zwischen Gold und der Pufferschicht geeignet.
Wenn erst die Elektroden hergestellt sind, unterliegt der Modulatoraufbau 30 einem Nachtemperverfahren, um den Lithiumniobatkristall; die Elektroden und/oder die Pufferschicht zu entspannen. In einigen Fällen kann die Temperstufe auch nach der Bildung der Pufferschicht 44 erfolgen. Dieses Drucktempervertahren wird als das primäre Tempern bezeichnet, da der gesamte Modulatoraufbau als Teil einer Modulatorstandardfabrikation vorgenommen wird. Lithiumniobat hat inhärent hohe Spannungskoeffizienten, und Entspannung ist wesentlich, um zu gewährleisten, daß der Antrieb des Produktes nicht in den Modulatoren erfolgt. Dieses Drucktempervertahren wurde im Detail oben diskutiert. Die bevorzugte Glühtemperatur ist etwa 300°C. Die bevorzugte Glühatmosphäre ist Sauerstoff (O₂) oberhalb 41,4 KPa (6 psi) über dem Umgebungsatmosphärendruck. Die bevorzugte Temperzeit liegt bei etwa 4 bis 6 h. Das Temperverfahren kann die Verwendung von pulverisiertem Lithiumniobat einschließen, um die Wahrscheinlichkeit zu vermindern, daß der Modulatoraufbau 30 Li₂O ausgast.

Claims

Verfahren zum Glühen von Lithiumniobat (LiNbO₃)-Strukturen, indem man eine Lithiumniobatstruktur (12) in einer abgedichteten Sauerstoffgas (O₂)-Atmosphäre auf eine Temperatur in einem Bereich von 150°C bis 400°C erhitzt, die abgedichtete Sauerstoffgas-Atmosphäre unter Druck setzt, um den umgebenden Atmosphärendruck zu überschreiten, Temperatur und Druck während einer Glühperiode aufrechterhält und auf Raumtemperatur abkühlt.
Verfahren zum Glühen von Lithiumtantalat (LiTaO₃)-Strukturen, indem man eine Lithiumtantalatstruktur (12) in einer abgedichteten Sauerstoffgas (O₂)-Atmosphäre auf eine Temperatur in einem Bereich von 150°C bis 400°C erhitzt, die abgedichtete Sauerstoffgasatmosphäre unter Druck setzt, um den umgebenden Atmosphärendruck zu überschreiten, Temperatur und Druck während einer Glühperiode aufrechterhält und auf Raumtemperatur abkühlt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiterhin damit, daß man ein Pulver (16) des gleichen Materials wie dasjenige der Struktur (12) in enger Nähe zu der Struktur anordnet, um das Entgasen von Lithiumoxid (Li₂O) aus der Struktur zu verzögern, wobei das Pulver von der Struktur durch eine Grenzfläche (14) isoliert ist, welche porös für Lithiumoxidgas ist, welches aus dem Pulver entgast wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Erhitzen mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,5°C/min bis zu 12,0°C/min erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Erhitzen mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,0°C/min erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Erhitzen in einem Temperaturbereich von 300°C bis 400°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 300°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Unterdrucksetzen in einem Druckbereicht von 13,8 KPa (2 psi) oberhalb Umgebungsatmosphärendruck bis zu 173 KPa (25 psi) oberhalb Umgebungsatmosphärendruck erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Unterdrucksetzen bis zu einem Druck von etwa 41,4 KPa (6 psi) oberhalb Umgebungsatmosphärendruck erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Kühlen in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,5°C/min bis 40°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Kühlen mit einer Geschwindigkeit von etwa 10°C/min erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Struktur einen optischen Modulator enthält.
Verfahren nach Anspruch 12 weiterhin damit, daß man eine Pufferschicht (44) vor dem Erhitzen auf der Struktur aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 weiterhin damit, daß man Elektroden (46) vor dem Erhitzen in der Struktur herstellt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Struktur eine optische Wellenleitung enthält.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche weiterhin damit, daß man vor dem Erhitzen einen Ionenaustausch vorsieht.