DE69911661T2

DE69911661T2 - Titan-eindiffundierte wellenleiter

Info

Publication number: DE69911661T2
Application number: DE69911661T
Authority: DE
Inventors: J. Lee BURROWS
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: AU2344700A; DE69911661D1; EP1224492A1; US6567598B1; WO2001029595A1; EP1224492B1

Description

VERWEISE AUF VERWANDTE PATENTANTRÄGE
Dieser Patentantrag ist verwandt mit den Europäischen Patentanträgen EP 1266251 mit dem Titel „Ion exchange waveguides and methods of fabrication" und EP 1224491 mit dem Titel „Titanium-indiffusion waveguides and methods of fabrication", die beide zum gleichen Datum wie der gegenständliche Antrag eingereicht wurden. Der Antrag ist des weiteren verwandt mit dem US-Patentantrag Nr. 2002/0155633 AI vom 21. September 1998 mit dem Titel „Articles Useful as Optical Waveguides and Methods for Manufacturing saure".
FESTSTELLUNG BEZÜGLICH DER RECHTE AN DER ERFINDUNG
Die Regierung der Vereinigten Staaten hat auf der Grundlage der von der United States Air Force zugesprochenen Subvention Nr. F-19628-95-C-0002 bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Titan-Eindiffundierungs-Wellenleitern (Ti-Eindiffundierungs-Wellenleitern) in optischen Modulatoren unter Anwendung eines Eindiffundierungsverfahrens unter Druck und die resultierenden Wellenleiter und Modulatoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat-Modulatoren unter Verwendung eines Eindiffundierungsverfahrens bei unter Druck in einer Sauerstoffatmosphäre zur weiteren Diffundierung von Titanatomen im Wellenleiter bei gleichzeitiger Beschränkung der Bildung unerwünschter Lithiumniobat- oder Lithiumtantalatphasen.
2. Hintergrund
Optoelektronische Komponenten können auf unterschiedlichen Arten von Substraten hergestellt werden, einschließlich Polymeren, Glas, Halbleitern (z. B. Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) und anorganischer Materialien (z. B. Lithiumniobat (LiNbO₃) und Lithiumtantalat (LiTaO₃)). Typischerweise ist ein elektrooptisches Material ein solches, in dem der Brechungsindex sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes ändert. Eine der wichtigsten Komponenten in optoelektronischen Systemen ist der Modulator. Drei konkurrierende Technologien in diesem Sektor sind: direkte Modulation eines Halbleiterlasers, Halbleiter-Elektroabsorptionsmodulatoren und der Lithiumniobat-Modulator. Derzeit sind Lithiumniobatmodulatoren für viele Systeme die Modulationsgeräte der Wahl, was an deren hoher Leistung und ihrer relativ ausgereiften Technologie liegt und weil andere Modulationsformen Beschränkungen mit sich bringen, die bei Lithiumniobat-Modulatoren nicht auftreten.
Lithiumniobat hat sich als geeignetes Medium für Komponenten wie Amplitudenmodulatoren, Phasenmodulatoren, optische Schalter, Polarisationstransformatoren, abstimmbare Filter und Wellenlängen-selektive optische Add/Drop-Filter erwiesen. Lithiumniobat wurde auch als Host für Festkörperlaser verwendet, die mit Ionen seltener Erden. arbeiten, z. B. Erbium. Die meisten aktuellen Telekommunikations- und Kabelfernsehsystemanwendungen für LiNbO₃-Modulatoren haben diskrete Komponenten für das optische Transmitterteilsystem. In dieser Konfiguration sind Dauerstrichlaser, normalerweise dioden-gepumpte YAG- oder Erbiumfaser-Oszillatoren, mit externen Lithiumniobat-Modulatoren und verschiedenen Wellenlängen- und Energiestabilisationskomponenten gekoppelt.
Lithiumniobat ist aus unterschiedlichen Gründen ein beliebter nichtlinearer optischer Kristall, einschließlich seiner großen elektrooptischen Koeffizienten, der Leichtigkeit, mit der optische Wellenleiter hoher Qualität hergestellt werden, und wegen seiner Kompatibilität mit herkömmlichen IC-Verarbeitungstechniken. Optische Wellenleiter hoher Qualität sind jene, die sich durch geringe Verluste und relativ hohe Leistungsbearbeitungsfähigkeiten auszeichnen. Zudem ist LiNbO₃ ein hartes Material und lässt sich deshalb leicht für optische Faserkopplung polieren, was seine Verwendung in optischen Netzwerksystemen verhältnismäßig unkompliziert macht. Es handelt sich zudem um einen relativ kostengünstigen Kristall, teilweise aufgrund seiner langen Anwendungsgeschichte in Filtern für akustische Oberflächenwellen (SAW-Filtern) für Funkfrequenzen. Im Vergleich damit ist Lithiumtantalat LiTaO₃ im wesentlichen austauschbar mit Lithiumniobat, soweit Modulatormerkmale betroffen sind, doch der Einsatz von LiTaO₃ ist oftmals kostenprohibitiv, zumal dieses nicht so weitgehend kommerzielle Verwendung findet wie LiNbO₃. Zusätzlich können auch andere. optische kristalline Strukturen mit der Formel RMO₃, wobei R ein Alkalimetall, M ein Metall der Gruppe IVB oder ein Metall der Gruppe VB und O Sauerstoff ist, in der Herstellung von Wellenleitern und Modulatoren verwendet werden.
Ein Typ von Modulatoren, welche die Verwendung von LiNbO₃ einschließen, ist beispielsweise ein Mach-Zehnder-Modulator. In einem Mach-Zehnder-Modulator wird ein ankommender optischer Strahl an einer Y-Verzweigung in zwei gleiche, parallele Wellenleiter geteilt, die sich dann nach einer gewissen Strecke an einer anderen Y-Verzweigung wieder vereinigen. Zum Anlegen eines elektrischen Felds im Bereich der optischen Wellenleiter werden Elektroden verwendet. Das elektrische Feld verursacht einen relativen Phasenwechsel zwischen den beiden Armen. Ist die Phasenverschiebung in beiden Armen gleich, vereinigen sich die zwei optischen Signale an der zweiten Y-Verzweigung konstruktiv, und es kommt zu, keinem Verlust optischer Energie. Wenn eine Phasendifferenz zwischen den beiden Armen herrscht, kommt es zu einer destruktiven Interferenz und zum Verlust von optischer Energie. Die resultierende destruktive und konstruktive Interferenz verursacht eine Variation der abgehenden optischen Intensität zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert.
In anderen elektrooptischen Anwendungen können auch Richtungskoppler für optische Wellenleiter als elektrooptische Modulatoren verwendet werden. In dieser Art von Modulator werden zwei Wellenleiter sehr nahe beieinander auf dem Lithiumniobatsubstrat platziert. Die Welle von einem Leiter kann in den anderen Leiter "lecken". Durch Anwendung eines elektrischen Felds an das Lithiumniobat kann die Menge des "Leckens" kontrolliert werden, wodurch die Energieübertragung von einem Leiter zum anderen moduliert wird. Zur Zeit bevorzugen unterschiedliche kommerzielle Anwendungserfordernisse entweder Richtungskoppler oder Mach-Zehnder-Modulatoren.
Die Vorteile schneller, digitaler oder analoger Kommunikation mit hoher Bandbreite haben ein Bedürfnis nach der externen Modulatorkonfiguration geschaffen. Beim gebräuchlichsten Ansatz kommt ein störungsarmer, diodengepumpter Hochleistungslaser zur Anwendung, dessen Signal über Lichtleitfaser an den LiNbO₃-Modulator gesendet wird. Der Modulator appliziert an den optischen Träger entweder analoge oder digitale Informationen.
Bei der Verwendung von Lithiumniobat in der Herstellung optischer Wellenleiter und optischer Modulatoren ist es erwünscht, eine Niob-reiche, Lithium-arme und/oder Sauerstoff-arme Zusammensetzung zu vermeiden. Wenn Lithiumniobat-Grundstoff solche Niob-reichen Zusammensetzungen besitzt und dann bei hohen Temperaturen (T > 300 Grad Celsius) verarbeitet wird, kann es zu einem Wachstum der LiNb₃O₈-Phase im Kristall kommen. Diese Phase ist unerwünscht, weil sie nicht lichtdurchlässig ist und zu hohen Verlusten in optischen Wellenleitern und optischen Modulatoren führt.
Solche Niob-reichen Zusammensetzungen können während der Herstellung optischer Wellenleiter und optischer Modulatoren auf zwei unterschiedliche Arten vorkommen. Zunächst resultieren typische Ionenaustauschprozeduren im Ersatz von Lithiumatomen im Kristallgitter durch ein diffundierendes Ion, was zu einer Lithiumniobatzusammensetzung führt, die relativ reich an Niob ist. Zweitens kann die Standard-Hochtemperaturverarbeitung (Temperatur von über 300 Grad Celsius) von Lithiumniobat das Ausdiffundieren von LiO₂ verursachen und Niob-reiche und Lithium- und Sauerstoff-arme Zusammensetzungen mit sich bringen.
Ti-eindiffundierte Wellenleiter gehören zu den gebräuchlicheren unter den derzeit existierenden optischen Wellenleitern. Das Ti-Eindiffundierungsverfahren treibt Titanatome in das Kristallstrukturgitter und veranlasst Titanatome dazu, sich im Gitter interstitiell zu zerstreuen oder Niob-Atome zu ersetzen. Dieser Prozess ergibt die Änderung eines oder mehrerer Brechungsindizes (z. B. die außerordentlichen und ordentlichen Brechungsindizes) des Kristallsubstrats in dem Bereich, wo die Titan-, Eindiffundierung stattfindet, um einen optischen Wellenleiter zu schaffen.
Die Ti-Eindiffundierung implementiert eine Hochtemperaturverarbeitung (Temperaturen im Bereich von 900 bis 1100 Grad Celsius). Um die unerwünschte LiNb₃O₈-Phase an der Bildung im Kristall während des Ti-Eindiffudierungsprozesses zu hindern, wird dieser in der Regel in einer nassen Atmosphäre eines inerten Trägergases ausgeführt, wie beispielsweise Stickstoff (N₂) oder Argon (Ar₂), oder in einer nassen Sauerstoffatmosphäre (O₂). Thermaldiffundierung in einer trockenen Atmosphäre unter Verwendung eines dehydrierten Substrats wird auch vorgeschlagen in Nagata, H. et al, "Reduced Thermal Decomposition of OH-free LiNbO₃ Substrate Even in a Dry Gas Atmosphere", Journal of Materials Research, Aug. 1996, Mater. Res. Soc., USA, Vol. 11, Nr. 8, pp 2085–2091.
Das nasse Eindiffundierungsverfahren schließt das Durchperlen des inerten Trägergases oder Sauerstoffgases durch Wasser (H₂O) ein. In der Vergangenheit wurde die nasse Atmosphäre als vorteilhaft betrachtet, weil das H₂O in H⁺ und OH^– Atome zerfällt, welche die LiNb₃O₈-Phase chemisch angreifen und wieder zurückführen zu LiNbO₃. Eine typische Ti-Eindiffundierungsoperation in nasser Atmosphäre wird bei einer Temperatur von etwa 1050 Grad Celsius während 3 bis 4 Stunden in einem nassen, fließenden Umfeld ausgeführt. Der gegenwärtige Erfinder hat entdeckt, dass ein Nachteil dieser Art von Hochtemperaturverarbeitung darin liegt, dass das H₂O unerwünschte Protonen (H⁺) abgibt, die vom Lithiumniobat angezogen werden und eine nachteilige Proton-ausgetauschte Oberflächenschicht mit sich bringen. Diese Protonen verbleiben nach der Herstellung in den Modulatoren und fließen zwischen den Wellenleitern, den Elektroden, dem Lithiumniobatkristall und der Pufferschichtschnittstelle relativ frei. Es wird nunmehr verstanden, dass diese frei fließenden Protonen die Gleichfeldvormagnetisierstabilität eines Modulators nachteilig beeinflussen können und dies auch tun, da sie als Ladungsträger agieren und von den angelegten elektrischen Feldern angetrieben werden, wodurch die Reaktion des Endprodukts beim Anlegen einer Vormagnetisierung über die Zeit driftet.
Außerdem führt die Hochtemperaturverarbeitung (> 300 Grad Celsius) zur Sauerstoffausdiffundierung von Lithiumniobatstrukturen. Diese Ausdiffundierung von Sauerstoff bildet tendenziell eine Oberflächenschicht auf einem Lithiumniobatsubstrat oder einen Lithiumniobatwellenleiter mit Sauerstoff-armer Zusammensetzung. Dieser Sauerstoff-arme Bereich agiert als optischer Oberflächenwellenleiter und verursacht unerwünschtes Austreten von Licht aus dem Lithiumniobatsubstrat.
Es wäre deshalb höchst vorteilhaft, ein Herstellungsverfahren für Tieindiffundierte Wellenleiter zu schaffen, das ein neues Ti-Eindiffundierungsverfahren unter Druck anwendet, welches sowohl die Bildung unerwünschter LiNb₃O₈-Phase im Kristall wie die Ausdiffundierung von O₂ hemmt, ohne dass das Verfahren eine signifikante Anzahl frei fließender Protonen einbringt, welche die Gleichfeldvormagnetisierstabilität des Modulators beeinträchtigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zur Herstellung von Titan-eindiffundierten Wellenleitern in optischen Modulatoren und anderer optischer Wellenleitervorrichtungen umfasst das Ablegen von Titanstreifen in einem Wellenleitermuster auf der Oberfläche eines kristallinen Substrats, wie beispielsweise Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, und das Eindiffundieren der Titanatome in das kristalline Substrat durch Unter-Druck-Setzen über den atmosphärischen Umgebungsdruck einer das kristalline Substrat einschließenden Sauerstoffgasatmosphäre, Aufheizen in der Sauerstoffgasatmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 900 Grad Celsius bis etwa 1100 Grad Celsius, Aufrechterhaltung von Temperatur und Druck für eine Eindiffundierungsperiode von mehr als 1 Stunde und Abkühlen auf Raumtemperatur in einer angemessenen abgestuften Abkühlungsgeschwindigkeit. In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Pulver der selben chemischen Zusammensetzung wie das kristalline. Substrat in die Eindiffundierungskammer eingeführt, um das kristalline Substrat im Ausgasen von Alkalimetalloxid während der Eindiffundierungsperiode zu beschränken. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Eindiffundierungsbehälter vorgesehen, der das Entspannen kristalliner Substrate in Anwesenheit eines Pulvers ermöglicht, ohne das Substrat mit während dem Eindiffundierungsverfahren mit dem Pulver zu kontaminieren. Wellenleiter, die in Entsprechung zu dem Verfahren hergestellt wurden, weisen eine ausgezeichnete Driftleistung auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A–1G sind Querschnittansichten unterschiedlicher Stufen in der Herstellung eines Ti-eindiffundierten Wellenleiters in einem optischen Lithiumniobat-Modulator, welche Ti-Eindiffundierung in unter Druck gesetzter Sauerstoffatmosphäre gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einschließt.
2A–2C sind Querschnittansichten einer alternativen Titanablagetechnik, die in der Herstellung eines Ti-eindiffundierten Wellenleiters in einem optischen Lithiumniobat-Modulator verwendet werden kann, welche eine Ti-Eindiffundierung in unter Druck gesetzter Sauerstoffatmosphäre gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einschließt.
3A ist eine Querschnittansicht eines Behälters, der zum Entspannen von Lithiumniobatstrukturen in einer Umgebung mit Lithiumniobatpulver verwendet wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine Querschnittansicht eines Unter-Druck-setzbaren Gefäßes, das zum Entspannen von Lithiumniobat gemäß einem-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 ist ein Prozessflussdiagramm eines Prozesses zur Herstellung von Strukturen gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Personen mit durchschnittlichen Fachkenntnissen erkennen, dass die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur illustrativen und keinen beschränkenden Charakter hat. Aus einer Untersuchung des offenbarten Ausführungsbeispiels ergeben sich für Fachpersonen problemlos auch andere Ausführungsbeispiele.
In Entsprechung zu einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tieindiffundierten optischen Wellenleiters in optischen Lithiumniobat-Modulatoren (LiNbO₃) unter Verwendung von Eindiffundierung unter Druck zum Diffundieren von Titan im Wellenleiter bereitgestellt. Die Herstellung Ti- eindiffundierter optischer Wellenleiter umfasst die Änderung eines oder mehrerer Brechungsindizes (z. B. die außerordentlichen und ordentlichen Brechungsindizes) des Kristallsubstrats im Bereich, wo die Titan-Eindiffundierung stattfindet, um einen optischen Wellenleiter zu schaffen. Die folgende beispielhafte Beschreibung des modularen Herstellungsprozesses beabsichtigt die Beschränkung der Einführung unerwünschter freier Protonen und Lithiumniobat-Phasen in den Herstellungsprozess. 1A–1G sind Querschnittansichten eines Lithiumniobatmodulators, der nach Abschluss ausgewählter Schritte in einem Herstellungsprozess für Ti-eindiffundierte Wellenleiter unter Druck gezeigt wird.
Die vorliegende Erfindung kann auch als Verfahren zur Herstellung eines Ti-eindiffundierten Wellenleiters in einem optischen Lithiumtantalat-Moduluator (LiTaO₃) definiert werden. Lithiumtantalat ist bezüglich elektrooptischer Eigenschaften eng verwandt mit LiNbO, wird zur Zeit aber für kommerzielle elektrooptische Modulatoranwendungen nicht verbreitet verwendet, weil eine solche Verwendung von den Kosten her prohibitiv wäre. Das selbe oder ein ähnliches Eindiffundierungsverfahren wie unten für LiNbO₃ beschrieben würde in den Ti-eindiffundierten Wellenleitern verwendet, die aus einem LiTaO₃-Substrat hergestellt sind. Außerdem kann das Kristallsubstrat, das zur Bildung des optischen Modulators verwendet wird, aus einer kristallinen Struktur mit der Formel RMO₃ gebildet sein, wobei R ein Alkalimetall, M ein Metall der Gruppe IVB oder ein Metall der Gruppe VB und O Sauerstoff ist.
Bezug nehmend auf 1A ist eine Modulatorausführung 10 (ein teilweise hergestellter Modulator) nach der Bildung einer Titanschichtschicht 14 (Ti) über LiNbO₃ Kristallsubstrat 12 dargestellt. Die Ti-Schicht 14 kann über dem LiNbO₃ Kristallsubstrat 12 mittels eines Elektronenstrahlverdampfungsverfahrens oder einer anderen geeigneten Ablagerungstechnik gebildet werden. Die Anwendung der Elektronenstrahlverdampfung zur Ablagerung von Titan über der Oberfläche eines Kristalls, wie des LiNbO₃ Kristallsubstrats 12, ist in der Fachwelt gut bekannt. Die Dicke der Ti-Schicht 14 kann von etwa 400 Angstrom bis zu etwa 1000 Angstrom reichen und liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 550 Angstrom bis etwa 650 Angstrom für einen Z-Schnitt-Einmoden-LiNbO₃-Kristall mit einer operativen optischen Wellenlänge von 1,3 Mikron.
In 1B ist eine Modulatorausführung 10 dargestellt, nachdem die Fotoresistschicht 16 in Streifenanordnung auf der Oberfläche der Ti-Schicht 14 abgelegt wurde. Mit Hilfe einer Standard-Photolithografietechnik wird die Fotoresistschicht 16 über die Ti-Schicht 14 gelegt. Wie in 1B dargestellt, ergibt das Photolithografieverfahren, das unter Verwendung einer Wellenleiterschablone ausgeführt wird, die Bildung von Fotoresiststreifen nur in jenen Bereichen, wo Wellenleiter hergestellt werden sollen. Die Anwendung solcher Photolithografietechniken ist in der Fachwelt gut bekannt.
Bezug nehmend auf 1C wird vorzugsweise eine herkömmliche. Plasmaätz- oder reaktive Ionenätztechnik (RIE) angewendet, um die Ti-Schicht 14 weg zu ätzen und das LiNbO₃-Kristallsubstrat 12 in jenen Bereichen freizulegen, die nicht von der Fotoresistschicht 16 abgedeckt sind. Ein Plasamaätz- oder RIE-Verfahren wird so ausgewählt, dass es das gewählte Fotoresistmaterial selektiv weg ätzt. Es ist festzuhalten, dass im Ätzverfahren vorzugsweise kein Nassätzen enthalten sein sollte. Nassätzen involviert im allgemeinen die Anwendung von Säuren, wodurch die Wahrscheinlichkeit besteht (es sei denn, Säuren auf Deuteriumbasis werden verwendet), dass freie Protonen in die Wellenleiterstruktur eingeführt werden, die sich nachteilig auf das LiNbO₃ auswirken würden. Wie oben erwähnt, tendieren freie Protonen im Wellenleiter dazu, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass Ausgangsspannung über die Zeit driftet.
Nach Beendigung des Ätzverfahrens wird das Fotoresistmaterial. abgestreift, indem die Modulatorausführung 10 einem Sauerstoffplasma ausgesetzt oder indem eine Acetonwaschprozedur ausgeführt wird. Wie oben, sollte auch in diesem Fall der Einsatz von Säuren für Abstreifzwecke vorzugsweise vermieden werden, da diese dazu neigen, freie Protonen in die Modulatorstruktur einzuführen und diese freien Protonen die Wahrscheinlichkeit eines Drifts in den Modulatoren erhöhen. Die resultierende Struktur ist in 1D dargestellt, wobei die Ti-Schicht 14 nur in den Bereichen oberhalb des LiNbO₃-Kristallsubstrats 12 verbleibt, wo Wellenleiter konstruiert werden sollen. 1D ist repräsentativ für die Modulatorausführung 10 bevor das Konstrukt dem Ti-Eindiffundierungsverfahren unter Druck der vorliegenden Erfindung ausgesetzt wird.
In 2A–2C ist eine andere "Abhub"-Methode zur Bildung von Titanwellenleiterstreifen auf Lithiumniobat- (und ähnliche) Kristallstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. 2A stellt die Modulatorausführung 30 mit einer Fotoresistschicht 34 über dem LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 dar. Zur Platzierung der Fotoresistschicht 34 über dem LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 wird eine Standard-Photolithografietechnik angewendet. Wie in 2A dargestellt, ergibt das Photolithografieverfahren, bei dem eine umgekehrte Wellenleiterschablone zum Einsatz kommt, die Bildung von Fotoresiststreifen 34 nur in jenen Bereichen, in denen keine Wellenleiter hergestellt werden. Die Anwendung solcher Photolithografietechniken ist in der Fachwelt gut bekannt.
In 2B ist das Modulatorausführung 30 dargestellt, nachdem die Ti-Schicht 36 auf einer Fotoresistschicht 34 und einem LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 (oder einem ähnlichen) abgelegt worden ist. Mit Hilfe einer Standard-Elektronablagerungstechnik kann Titan auf die Modulatorausführung 30 abgelagert werden. Die Dicke der Ti-Schicht 36 kann von etwa 400 Angstrom bis etwa 1000 Angstrom reichen und liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 550 Angstrom bis etwa 650 Angstrom für Z-Schnitt-Einmoden-LiNbO₃ mit einer optischen Wellenlänge von 1,3 Mikron.
In 2C ist das Modulatorausführung 30 dargestellt, nachdem die, Fotoresistschicht 34 vom LiNbO₃-Kristallsubstrat 32 "abgehoben" worden ist. Das Abhubverfahren kann ausgeführt werden, indem das Modulatorausführung 30 einer Aceton- oder Propenylwaschoperation unterzogen worden ist. Das "Abhub"-Verfahren entfernt die Fotoresistschicht 34 und jenen Anteil der Ti-Schicht 36, der sich direkt über der Fotoresistschicht 34 befindet. Nach dem "Abhub"-Verfahren verbleibt die Ti-Schicht 36 nur in jenen Bereichen, in denen Wellenleiter gebildet werden. 2C ist repräsentativ für die Modulatorausführung 30, bevor das Konstrukt dem Ti-Eindiffundierungsverfahren unter Druck der vorliegenden Erfindung unterzogen wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Modulatorausführung in Vorbereitung auf das Ti-Eindiffundierungsverfahren in einem Behälter platziert werden, der es ermöglicht, das Lithiumniobatpulver in großer Nähe zum Lithiumniobatsubstrat unterzubringen. Innerhalb des Behälters sind das Modulatorausführung und das Lithiumniobatpulver durch eine poröse Schnittstelle getrennt, die das Durchströmen von Gas zwischen dem Lithiumniobatsubstrat und dem Lithiumniobatpulver ermöglicht, jedoch die Kontamination der Modulatorausführung durch das Lithiumniobatpulver nicht erlaubt. Der Behälter wird mit Aufsteck-Kappen verschlossen, die dem Sauerstoffgas das Eindringen in den Behälter erlauben, wenn ein Druckdifferential existiert, jedoch das Auswärtsströmen des Lithiumoxids (Li₂O) in Abwesenheit eines Druckdifferentials beschränkt.
Der Zweck des Lithiumniobatpulvers ist die Einführung von Lithiumoxid(Li₂O)-Ausgasung im Lithiumpulver während dem Eindiffundierungsvorgang, während das selbe Ausgasen im LiNbO₃-Kriitallsubstrat verlangsamt wird. Wie oben besprochen, gast Lithiumniobat Li₂O aus, wenn es Temperaturen über 300 Grad Celsius ausgesetzt wird. Das Ausgasen führt zu einem Lithiumniobatsubstrat, das arm an Lithium ist. Lithium-arme Strukturen. neigen zur Bildung einer LiNb₃O₈-Phase im Kristall. Die LiNb₃O₈-Phase ist nicht lichtdurchlässig und führt zu hohen Verlusten in den Wellenleitern. Das Lithiumniobatpulver hat eine wesentlich größere Oberfläche als Ansammlung von Körnern als eine monolithische Struktur und ist im allgemeinen reaktionsfreudiger als das LiNbO₃-Kristallsubstrat; aus diesem Grund findet im Lithiumniobatpulver leichter eine Ausgasung statt. Nachdem das Eindiffundierungsumfeld einmal mit Li₂O gesättigt ist, das aus dem Pulver ausgegast wurde, ist eine Ausgasung von Li₂O durch das LiNbO₃-Kristallsubstrat weniger wahrscheinlich.
In 3A ist eine Querschnittansicht eines solchen Eindiffundierungsbehälters 100 dargestellt, der eine Modulatorausführung und Lithiumniobatpulver enthält. Diese Darstellung hat Beispielcharakter, und andere Behälter, die diese Absicht und diesen Zweck erfüllen, sind ebenfalls machbar und innerhalb des Geltungsbereichs des hier offenbarten Konzepts. Der Eindiffundierungsbehälter 100 ist eine röhrenartige Struktur, die aus. einem Hochtemperaturkeramikmaterial hergestellt werden kann, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃). Die Modulatorausführung 102 ist im Mittelbereich der Röhre untergebracht, und zwei poröse Stöpsel 104 sind in der Röhre in kurzem Abstand von den Röhrenenden positioniert. Die porösen Stöpsel 104 können jedes Hochtemperaturmaterial umfassen, wie beispielsweise Al₂O₃ oder ein ähnliches Material. Die Porosität der porösen Stöpsel 104 kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass das Material eine Mehrzah1 von Löchern aufweist, die einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 20 Mikron haben. Die Stöpsel 104 erlauben die relativ freie Strömung von O₂- und Li₂O-Gasen zwischen der Kammer 106, die den LiNbO₃-Kristall beherbergt, und der (den) Kammer(n) 108, die das Lithiumniobatpulver beherbergen. Nachdem die Stöpsel 104 innerhalb des Behälters 100 platziert sind, wird Lithiumniobatpulver 110 an einem Ende oder beiden Enden des verstöpselten Eindiffundierungsbehälters 100 eingebracht. Die Menge des verwendeten Lithiumniobatpulvers ist von der Innenfläche des abschließbaren Behälters abhängig. Die Menge des Lithiumniobatpulvers kann beispielsweise 2,5 Gramm für eine Röhre mit einem Volumen von etwa 1,0 Kubikzoll bis etwa 2,0 Kubikzoll betragen. Nachdem das Lithiumniobatpulver 110 einmal richtig in der Röhre positioniert ist, wird die Röhre an beiden Enden mit losen Aufsteck-Kappen 112 verschlossen, die typischerweise aus dem selben Hochtemperaturmaterial gebildet sind wie der Behälter 100. Die Aufsteck-Kappen 112 ermöglichen das Eindringen von Sauerstoffgas in den Behälter 100, wenn ein Druckdifferential existiert, beschränken jedoch das Auswärtsströmen von Li₂O während des Diffundierungsverfahrens, wenn die Umgebung drucknormalisiert ist (d. h. es besteht kein signifikantes Druckgefälle).
Zusätzlich können auch andere Eindiffundierungsbehälter konfiguriert werden. Beispielsweise ist ein Eindiffundierungsbehälter mit einer Kammer bzw. einem Bereich zur Aufnahme der Modulatorausführung 102, einem zweiten Bereich mit Lithiumniobatpulver 110 und einer porösen Wand oder Stöpsel 104 zur Trennung der beiden Bereiche ebenfalls machbar und im Geltungsbereich des hier offenbarten Konzepts.
Nachdem der Behälter von 3A ordentlich zusammengestellt ist, kann er in einem verschließbaren und unter Druck setzbaren Gefäß untergebracht werden. Eine Querschnittansicht eines solchen Gefäßes ist in 3B dargestellt, worin der Behälter 100 der 3A eingeschlossen ist. Das unter Druck setzbare Gefäß 120 ist typischerweise aus einem Metallmaterial gebildet, wie etwa nichtrostender Stahl, oder aus einer Quarz- oder Keramikröhre mit daran montierten Druckarmaturen. In dieser Darstellung hat das Gefäß 120 eine röhrenartige Struktur und ist an den gegenüberliegenden Enden des Gefäßes 120 mit den Armaturen 122 und 124 versehen. Die Armatur 122 ist eine fixierte Armatur, und die Armatur 124 ermöglicht dem Gefäß 120 das Vakuumpumpen und unter Druck Setzen mit Sauerstoffgas.
Die Ti-Eindiffundierung kann aüch mit Lithiumniobatpulver ohne Verwendung des Behälters vorgenommen werden, wie er in 3A dargestellt ist. Es ist ebenfalls möglich und innerhalb des hier offenbarten erfinderischen Konzepts, das Lithiumniobatpulver direkt in das unter Druck gesetzte Gefäß 120 einzubringen. Allerdings nimmt die Menge des benötigten Lithiumniobatpulvers wesentlich zu, wenn das Pulver unmittelbar innerhalb des unter Druck gesetzten Gefäßes platziert wird, wodurch dieses alternative Ausführungsbeispiel in den meisten Fällen kostspieliger wird.
Das Ti-Eindiffundierungsverfahren unter Druck beginnt mit der Platzierung der Modulatorausführung 100 in einem herkömmlichen, handelsüblichen Hochtemperaturofen. Es kann jeder geeignete Ofen verwendet werden, zumal die Eindiffundierungskammer und die Anwendung eines solchen Ofens in der Fachwelt gut bekannt sind. Es ist möglich, einen Eindiffundierungsofen zu verwenden, der Druckaufbaufähigkeiten besitzt, in welchem Fall die Verwendung des getrennten unter Druck setzbaren Gefäßes der 3B unnötig wäre. Die Modulatorausführung 100 oder das unter Druck setzbare Gefäß mit der Modulatorausführung 100 wird in einem Hochtemperaturofen untergebracht. Das unter Druck setzbare Gefäß bzw. der Ofen besitzt Sauerstoffgas (O₂), das während dem Eindiffundierungsprozess kontinuierlich durch das Gefäß oder den Ofen fließt. Der Ofen oder das unter Druck setzbare Gefäß wird dann verschlossen, und der Druck im Ofen oder im Gefäß wird auf das adäquate Eindiffundierungsniveau angehoben, bevor ein stufenweiser Temperaturerhöhungsprozess stattfindet. Alternativ dazu und ebenfalls innerhalb des Geltungsbereichs des hier offenbarten Erfindungskonzepts kann der Eindiffundierungsprozess so ausgelöst werden, dass der Ofen oder das unter Druck setzbare Gefäß zuerst verschlossen und dann eine herkömmlichen Vakuumpumpe angewendet wird, um Kontaminate aus der Eindiffundierungsumgebung zu eliminieren. Die Evakuierung kann auf annähernd 100 Mikron oder weniger erfolgen, um Kontaminanten aus der Entspannungsumgebung zu beseitigen. Das Evakuierungsverfahren ist optional, und in einigen Fällen ist das Bedürfnis zur Beseitigung von Kontaminanten aus der Entspannungsumgebung möglicherweise nicht von Bedeutung. Wenn die Aufsteckkappen 112 keinen guten Dichtverschluss für den Behälter 100 abgeben, oder wenn die Stöpsel 104 sich der Innenseite des Behälters 100 nicht gut anpassen, kann das Schaffen eines Druckdifferentials zwischen diesen das unerwünschte Ergebnis von Turbulenzen mit sich bringen, welche Pulver 110 auf dem Chip 102 ablegen. Um dies zu verhindern, kann der Vakuumschritt vermieden werden, und unter Druck gesetztes Gas vom Tor 124 durch den Ofen (3B) zum Tor 122 (3B) geblasen werden, um die meisten eingeführten Kontaminanten zu eliminieren, ohne eine Bewegung des Pulvers 110 auszulösen. Nachdem der Ofen oder das unter Druck setzbare Gefäß verschlossen und optional vakuumiert wurden, wird er mit strömendem Sauerstoffgas (O₂) unter Druck gesetzt. Dieser Sauerstoff muss nicht besonders rein sein, und Industrie- oder Schneidsauerstoff, wie er für Acetylen-Schneidbrenner verwendet wird, ist ausreichend. Die unter Druck gesetzte Sauerstoffatmosphäre dient der Verhinderung von Sauerstoffausgasung. Es ist festzuhalten, dass die Atmosphäre eine reine Sauerstoffatmosphäre ist, kein H₂O vorhanden ist und deshalb keine freien Protonen oder andere Radikale abgegeben werden, welche die Kristallstruktur nachteilig beeinflussen würden.
Das Ti-Eindiffundierungsverfahren der vorliegenden Erfindung erfordert, dass der Druck in der O₂-Atmosphäre auf einen Wert angehoben wird, der in einem Bereich von gerade über (annähernd 1 psi oder 0,0703 kg/cm²) dem atmosphärischen Umgebungsdruck bis zu etwa 250 psi (17,6 kg/cm²) über dem atmosphärischen Umgebungsdruck liegt. Ein optimaler Eindiffundierungsdruckbereich ist von etwa 1 psi (0,0703 kg/cm²) bis etwa 25 psi (1,76 kg/cm²) über dem atmosphärischen Umgebungsdruck, wobei gegenwärtig etwa 6 psi (0,422 kg/cm²) über dem atmosphärischen Umgebungsdruck bevorzugt wird. Anwendungen haben gezeigt, dass Drucke oberhalb von 25 psi (1,76 kg/cm²) dazu tendieren, das LiNbO₃-Substrat zu einer Grünfärbung zu veranlassen. Zwar scheint die Grünfärbung die Struktur nicht negativ zu beeinflussen, sie sollte aber dennoch durch die Anwendung von Drücken unter 25 psi (1,76 kg/cm²) über dem atmosphärischen Umgebungsdruck verhindert werden.
Nach Implementierung des Sauerstoffdruckaufbaus im unter Druck gesetzten Gefäß oder Ofen wird die Temperatur im Ofen auf das adäquate Niveau angehoben, welches sich auf das erforderliche Ausmaß der gewünschten Ti-Eindiffundierung auswirkt. Im allgemeinen kann die Temperatur auf einen Wert im Bereich von etwa 900 Grad Celsius bis etwa 1100 Grad Celsius angehoben werden. Eine bevorzugte Eindiffundierungstemperatur von etwa 1050 Grad Celsius ermöglicht im allgemeinen das Stattfinden der notwendigen Titaneindiffundierung. Die Stufenerhöhungsrate für das Anheben der Temperatur im Ofen kann im Bereich von etwa 0,5 Grad Celsius pro Minute bis etwa 20 Grad Celsius pro Minute sein. Die bevorzugte Stufenerhöhungsrate liegt bei etwa 10 Grad Celsius pro Minute.
Die erforderliche Dauer des Eindiffundierungsvorgangs ist vom Druck abhängig, bei dem das Eindiffundierungsverfahren stattfindet. Die Eindiffundierungsperiode wird von dem Zeitpunkt an gemessen, zu dem die erwünschte erhöhte Temperatur erreicht ist. Im Allgemeinen dauert der Eindiffundierungsprozess von etwa 2 Stunden bis etwa 8 Stunden. Die gewünschte erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck sollten während der gesamten Dauer des Eindiffundierungsverfahren beibehalten werden. Vorzugsweise dauert das Eindiffundierungsverfahren etwa 6 bis etwa 7 Stunden.
Das Eindiffundierungsverfahren wird durch rasches Abkühlen der Lithiumniobatstruktur abgeschlossen. Die Temperatursenkungsrate für die Modulatorausführung 10 ist vorzugsweise schneller als etwa 20 Grad Celsius pro Minute, bis die Kristallstruktur eine Temperatur von 300 Grad Celsius erreicht. An dem Punkt, an dem das Modulatorausführung 10 etwa 300 Grad Celsius erreicht, kann eine langsamere stufenweise Absenkung eingesetzt werden. Das Superkühlungserfordernis ist notwendig, um das unerwünschte LiNb₃O₈ daran zu hindern, sich zu bilden und im Substrat zu kristallisieren. LiNb₃O₈ kristallisiert im Allgemeinen zwischen etwa 300 Grad Celsius und etwa 800 Grad Celsius. Über etwa 800 Grad Celsius zerfällt LiNb₃O₈ im Kristallsubastrat, und unterhalb von etwa 300 Grad Celsius bildet sich kein LiNb₃O₈. Es ist deshalb wichtig, das Substrat rasch durch den Bereich von 800 Grad Celsius bis 300 Grad Celsius abzukühlen, um die LiNb₃O₈-Kristallisierung zu verhindern oder zu minimieren.
Erneut Bezug nehmend auf die Modulatorausführung 10 stellt 1E die Modulatorausführung 10 nach Abschluss des Ti-Eindiffundierungsverfahrens dar. Titan ist in das Kristallgitter eindiffundiert und hat die Diffundierungsbereiche oder Wellenleiterbereiche 18 geschaffen. Titanatome zerstreuen sich interstitiell über den gesamten Wellenleiterbereich 18 und ersetzen in einigen Fällen Niobatome in der Kristallstruktur. Der Wellenleiterbereich ist im Allgemeinen etwa 6 Mikron lang und hat eine Tiefe in das LiNb₃O₈-Kristallsubstrat 12 hinein von etwa 6 Mikron. Die resultierende Struktur weist Diffundierungsgrate 20 auf, die über der Oberfläche des LiNb₃O₈-Kristallsubstrats 12 existieren. Die Diffundierungsgrate 20 haben sich als vorteilhaft in der Herstellung von Wellenleitern erwiesen, die eher zu einer Geschwindigkeit neigen, welche den Phasengeschwindigkeiten des optischen Signals und des Mikrowellensignals entsprechen, um die Bandbreite des Modulationsprozesses zu erweitern. Die Erhebung von Diffundierungsgrate der älteren Technik hat sich typischerweise im Bereich von 200 Angstrom bewegt. Der Diffundierungsgrat 20, der vom Ti-Eindiffundierungsverfahren unter Druck der vorliegenden Erfindung gebildet wird, hat Erhebungen von der oberen Oberfläche des Kristalls bis zur Spitze des Grats von etwa 1000 bis zu etwa 1600 Angstrom gezeigt. Ein prononcierterer Diffundierungsgrat ist dienlich zur Modulation der Mikrowelle und der optischen Welle. In einigen Fällen haben Modulatorausführungen der älteren Technik zusätzlich Ätzverfahren zum Wegätzen des LiNbO₃-Substrats angewendet, um auf diese Weise künstliche. Diffundierungsgrate zu schaffen. Zusätzliche Ätzverfahren sind nicht wünschenswert, weil sie Verarbeitungszeit hinzufügen und die Gefahr einer Beschädigung des Kristallsubstrats mit sich bringen.
Wie in 1F dargestellt, wird nach Beendigung des Eindiffundierungsverfahrens eine Pufferschicht 22 über die gesamte Modulatorausführung 10 gelegt. Die Pufferschicht 22 dient als Isolierung und ist im Allgemeinen etwa 500 bis etwa 10000 Angstrom dick, vorzugsweise etwa 3000 Angstrom. Die Pufferschicht 22 kann Siliciumoxid (SiO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄ oder andere Phasen), eine Kombination von Siliciumoxid und Siliciumnitrid, Indiumzinnoxid (ITO) oder anderes geeignetes Isoliermaterial umfassen. Eine herkömmliche Ablagerungstechnik, wie etwa Vakuumzerstäuben (Sputtern), kann zur Platzierung der Pufferschicht 22 über die Modulatorausführung 10 verwendet werden. Es ist festzuhalten, dass die, Verwendung von CVD-Techniken (chemische Aufdampfung) im Allgemeinen vermieden werden sollte, da solche Verarbeitungen dazu neigen, unerwünschte freie Protonen zu generieren, wie oben in bezug auf Nassätzverfahren diskutiert.
Bezug nehmend auf 1G wird die Modulatorausführung 10 fertiggestellt durch das Einsetzen von Elektroden 24 über der Pufferschicht 22. Wie gezeigt, können die Elektroden 24 direkt über den Wellenleiterbereichen 18 eingesetzt werden, oder sie können an anderen Stellen über der Pufferschicht 22 angebracht sein. Wie in der Fachwelt allgemein bekannt, sind „Z"-ausgerichtete Modulatoren mit Elektroden versehen, die direkt über den Wellenleitern gebildet sind, und die „X"- oder „Y"-ausgerichteten Modulatoren mit Elektroden, die abgesetzt von den Wellenleitern gebildet sind. Zur Bildung der Elektroden 24 über der Pufferschicht 22 werden Standardablagerungstechniken eingesetzt. Eine Standardablagerungstechnik kann ein Photoresistverfahren, eine herkömmliche Plasmaablagerung, ein Vakuumzerstäubungs- oder Thermoverdampfungsverfahren, ein Plasmaätzverfahren und ein Abzugs- und Aceton- oder Propenylwaschverfahren zur Eliminierung des Photoresists umfassen. Wie oben, sollte die Einführung freier Protonen vermieden werden. Die Elektroden können aus Gold (Au), Chromgold, Titan und Gold oder aus anderen geeigneten Elektrodenmaterialien sein. Die Verwendung von Chrom und Titan in Kombination mit Gold oder als reine Dünnschicht zwischen der Pufferschicht 22 und der Elektrode 24 dient dem Zweck einer erhöhten Adhäsion zwischen dem Gold und der Pufferschicht. Die Elektroden sind typischerweise etwa 0,1 Mikron bis etwa 4 Mikron dick.
Nachdem die Elektroden hergestellt worden sind, wird die Modulatorausführung 10 einem nachträglichen Entspannungsverfahren zur Lösung der Spannung im Kristall, den Elektroden und/oder der Pufferschicht unterzogen. In einigen Fällen kann dieser Entspannungsschritt auch nach der Bildung der Pufferschicht 22 ausgeführt werden. Dieses Entspannungsverfahren kann vorzugsweise auch in einer O₂-Umgebung unter Druck durchgeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit zu beseitigen, dass freie Protonen die Modulatorausführung kontaminieren. Lithiumniobat besitzt inhärent hohe Spannungskoeffizienten, und das Abbauen von Spannung ist wesentlich; um sicherzustellen, dass es in den Modulatoren zu keinem Ausgangsdrift kommt. Die bevorzugte Entspannungstemperatur liegt bei etwa 300 Grad Celsius. Die bevorzugte Entspannungsatmosphäre ist Sauerstoff (O₂) bei etwa 6 psi (0,422 kg/cm²) über dem atmosphärischen Umgebungsdruck, obwohl ein Bereich von Drucken über dem Umgebungsdruck von etwa 1 psi (0,0703 kg/cm²) bis etwa 25 psi (1,76 kg/cm²) über dem atmosphärischen Umgebungsdruck funktioniert. Die bevorzugte Entspannungsdauer beträgt etwa 4 Stunden bis etwa 6 Stunden. Auf die selbe Art und Weise wie gepulvertes Lithiumniobat im Ti-Eindiffundierungsverfahren verwendet wird, kann auch der Entspannungsprozess die Verwendung von gepulvertem Lithiumniobat einbeziehen, um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass die Modulatorausführung 10 Li₂O ausgast.
In 4 sind die oben beschriebenen Herstellungsverfahren zusammengefasst. Am Bezugszeichen 130 wird Titan auf dem Substrat abgelagert. Am Bezugszeichen 132 wird das Substrat in ein Druckgefäß gelegt. Am Bezugszeichen 134 wird die Atmosphäre im Druckgefäß unter Druck gesetzt. Am Bezugszeichen 136 wird die Temperatur des Substrats mit einer ausgewählten Stufensteigerungsrate auf die maximale Eindiffundierungstemperatur angehoben. Am Bezugszeichen 138 werden der Druck und die Temperatur während der Eindiffundierungsperiode gehalten. Am Bezugszeichen 140 wird das Substrat mit einer ausgewählten Stufensenkungsrate auf ungefähr Raumtemperatur abgekühlt. Am Bezugszeichen 142 wird das Druckgefäß druckentlastet und das Substrat entfernt. Am Bezugszeichen 144 wird optional eine Pufferschicht gebildet, und auf dem Substrat werden optional Elektroden gebildet.
Alternative Ausführungsbeispiele
Zwar werden hier zu illustrativen Zwecken gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele und Anwendungen dieser Erfindung dargestellt und beschrieben, doch es sind zahlreiche Variationen und Modifikationen möglich, die innerhalb des Konzepts und des Geltungsbereichs dieser Erfindung bleiben. Diese Variationen würden für Fachpersonen nach dem Studium dieses Patentantrags klar zutage treten. Somit ist die Erfindung ausschließlich durch die angehängten Patentansprüche beschränkt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Titan-Eindiffundierungs-Wellenleiters (18), umfassend Ablegen von Titan in der gewünschten Form (14, 36) des Wellenleiters auf der Oberfläche eines elektro-optischen, kristallinen Substrats (12, 32); Unterbringen des Substrats in einem Behälter (100); Erhitzen des Substrats (12, 32) über einen Zeitraum, der ausreicht, um das Titan in das Substrat hinein diffundieren zu lassen; und Abkühlen des Substrats (12, 32) auf Raumtemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass es des weiteren folgenden Schritt umfasst: Unter-Druck-Setzen des Behälters nach erfolgter Unterbringung mit einem Gas auf einen Druck, der über dem atmosphärischen Umgebungsdruck liegt, wobei das Gas Sauerstoff enthält und im wesentlichen frei von H₂O ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Gas Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Substrat eine Verbindung mit der chemischen Formel RMO₃ umfasst, wobei R für ein Alkalimetall, M für ein Metall der Gruppe IV-B oder der Gruppe V-B und O für Sauerstoff steht.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Substrat Lithiumniobat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Substrat Lithiumtantalat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Erhitzen zusätzlich folgenden Schritt umfasst: Stufenweises Hochfahren der Temperatur des Substrats mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,5 Grad C pro Minute bis 20 Grad C pro Minute.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Zeitspanne länger als eine, Stunde ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Abkühlung zusätzlich folgenden Schritt umfasst: Stufenweises Absenken der Temperatur des Substrats mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20 Grad C pro Minute, bis das Substrat eine Temperatur von weniger als 300 Grad C erreicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Temperatur, welche ausreicht, um das Titan zum Eindiffundieren zu bringen, im Bereich von 900 Grad C bis 1100 Grad C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, des weiteren umfassend: kontinuierliches Durchführen von Sauerstoffgas durch den Behälter während dem Erhitzen und dem Abkühlen.
Verfahren nach Anspruch 10, des weiteren umfassend: Anlegen eines Vakuums an den Behälter, bevor der Druck aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Unter-Druck-Setzen in einem Bereich von 0,0703 kg/cm² bis 17,6 kg/cm² über dem atmosphärischen Umgebungsdruck ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Unter-Druck-Setzen in einem Bereich von 0,0703 kg/cm² bis 1,76 kg/cm² über dem atmosphärischen Umgebungsdruck ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, worin das Unter-Druck-Setzen bei etwa 0,922 kg/cm² über dem atmosphärischen Umgebungsdruck ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, des weiteren umfassend: Einbringen eines Pulvers (110), welches das selbe Material wie das Substrat enthält, in den Behälter (100) vor dem Erhitzen.
Verfahren nach Anspruch 15, des weiteren umfassend: Isolieren des Pulvers (110) in einer ersten Zone (108) des Behälters, damit Gas in der ersten Zone in eine zweite Zone (106) wandern kann, die das Substrat enthält, aber Pulver (110) in der ersten Zone (108) nicht leicht in die zweite Zone gelangen kann.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Modulators (10, 30) mit mindestens zwei Titan-Eindiffundierungs-Wellenleitern (18), wobei das Verfahren umfasst: Ablegen von mindestens einem Paar Titanstreifen (14, 36) in der gewünschten Form von mindestens einem Paar entsprechender Wellenleiter (18) auf der Oberfläche eines elektro-optischen, kristallinen Substrats (12, 32); Unterbringen des Substrats in einem Behälter (100); Erhitzen des Substrats (12, 32) über einen Zeitraum, der ausreicht, um das Titan in das Substrat eindiffundieren zu lassen, wodurch Diffusionszonen geschaffen werden; und Abkühlen des Substrats auf Raumtemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass es des weiteren folgenden Schritt umfasst: Unter-Druck-Setzen des Behälters nach der Unterbringung mit einem Gas auf einen Druck, welcher über dem atmosphärischen Umgebungsdruck liegt, wobei das Gas Sauerstoff enthält und im wesentlichen frei von H₂O ist.
Verfahren nach Anspruch 17, worin das Gas Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, worin das Substrat (12, 32) eine Verbindung mit der chemischen Formel RMO₃ umfasst, wobei R für ein Alkalimetall, M für ein Metall der Gruppe IV-B oder der Gruppe V-B und O für Sauerstoff steht.
Verfahren nach Anspruch 19, worin das Substrat Lithiumniobat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, worin das Substrat Lithiumtantalat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, worin das Erhitzen zusätzlich folgenden Schritt umfasst: Stufenweises Hochfahren der Temperatur des Substrats mit einer, Geschwindigkeit im Bereich von 0,5 Grad C pro Minute bis 20 Grad C pro Minute.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Zeitspanne länger als eine Stunde ist.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Abkühlung zusätzlich folgenden Schritt umfasst: Stufenweises Absenken der Temperatur des Substrats mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20 Grad C pro Minute, bis das Substrat eine Temperatur von weniger als 300 Grad C erreicht.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Temperatur, welche ausreicht, um das Titan zum Eindiffundieren zu bringen, im Bereich von 900 Grad C bis 1100, Grad C liegt.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, des weiteren umfassend: kontinuierliches Durchführen von Sauerstoffgas durch den Behälter während dem Erhitzen und dem Abkühlen.
Verfahren nach Anspruch 26, des weiteren umfassend: Anlegen eines Vakuums an den Behälter, bevor der Druck aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, worin das Unter-Druck-Setzen in einem Bereich von 0,0703 kg/cm² bis 17,6 kg/cm² über dem atmosphärischen Druck ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, worin das Unter-Druck-Setzen das Unter-Druck-Setzen des Behälters mit Sauerstoff auf einen Druck im Bereich von 0,0703 kg/cm² bis 1,76 kg/cm² über dem atmosphärischen Umgebungsdruck ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, worin das Unter-Druck-Setzen bei etwa 0,422 kg/cm² über dem atmosphärischen Umgebungsdruck ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, des weiteren umfassend: Einbringen eines Pulvers (110), welches das selbe Material wie das Substrat enthält, in den Behälter (100) vor dem Erhitzen.
Verfahren nach Anspruch 31, des weiteren umfassend: Isolieren des Pulvers (110) in einer ersten Zone (108) des Behälters (100), damit Gas in der ersten Zone in eine zweite Zone (106) wandern kann, die das Substrat enthält, aber Pulver in der ersten Zone nicht leicht in die zweite Zone gelangen kann.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, des weiteren umfassend: Aufbringen einer Pufferschicht (22) über mindestens die Diffusionszonen des Substrats; und Anbringen von Elektroden (24) auf der Pufferschicht.
Titan-Eindiffundierungs-Wellenleiter-Struktur (10, 30), umfassend: ein elektro-optisches, kristallines Substrat (12, 32); und mindestens eine Titan-Eindiffundierungs-Zone (18), die sich unter der Oberfläche des Substrats erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone im wesentlichen frei von Wasserstoffionen ist und dass die Zone sich auch über der nominalen Oberfläche des kristallinen Substrats erstreckt, um einen Diffusionsgrat (20) zu bilden, dessen Höhe gleich oder grösser als 1000 Angstrom ist.
Struktur nach Anspruch 34, worin die mindestens eine Zone mindestens ein Paar Titan-Eindiffundierungs-Zonen (18) enthält, die im wesentlichen frei von Wasserstoffionen sind, wobei die Zonen sich unterhalb der Oberfläche des Substrats erstrecken und oberhalb der nominalen Oberfläche des kristallinen Substrats erstrecken, um einen Diffusionsgrat (20) und damit eine optische Modulatorstruktur zu bilden.
Struktur nach Anspruch 34 oder 35, worin der Diffusionsgrat (20) sich in einem Bereich von 1000 Angstrom bis 1600 Angstrom über der nominalen Oberfläche des kristallinen Substrats erstreckt.
Struktur nach Anspruch 34 oder 35, worin das Substrat eine Verbindung mit der chemischen Formel RMO₃ umfasst, wobei R für ein Alkalimetall, M für ein Metall der Gruppe IV-B oder der Gruppe V-B und O für Sauerstoff steht.
Struktur nach Anspruch 37, worin das Substrat Lithiumniobat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 37, worin das Substrat Lithiumtantalat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, des weiteren umfassend: eine Pufferschicht (22), die mindestens über der mindestens einen Zone aufgebracht ist.
Struktur nach Anspruch 40, worin die Pufferschicht (22) ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) und Indiumzinnoxid (ITO) enthält.
Struktur nach Anspruch 41, des weiteren umfassend eine Elektrode (24), die über der Pufferschicht (22) aufgebracht ist.
Struktur nach Anspruch 42, worin die Elektrode Gold umfasst.
Struktur nach Anspruch 40, des weiteren umfassend: eine Chrom enthaltende Schicht, welche über der Pufferschicht (22) aufgebracht ist, und eine Elektrode, die über die chromhaltige Schicht gelegt ist, wobei die Elektrode Gold enthält.