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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Titan-Eindiffundierungs-Wellenleitern (Ti-Eindiffundierungs-Wellenleitern) in
optischen Modulatoren unter Anwendung eines Deuteriumoxid (D2O) Diffusionsverfahrens und die resultierenden
Wellenleiter und Modulatoren. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumniobat- oder
Lithiumtantalat-Modulatoren durch Sprudeln von Sauerstoff durch Deuteriumoxid,
um eine feuchte Umgebung für
den Titan Eindiffundierungsprozess zu erzeugen.
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2. Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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). Diese Art von 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– Ionen
zerfällt,
welche die LiNb3O8-Phase
chemisch angreifen und wieder zurückführen zu LiNbO3.
Kwiatkowski et al., "Nearly cut-on
modes caused by diffusion in lithium niobate, "Journal of Applied Physics, Vol. 76,
No. 10, 15 November 1994 beispielsweise beschreiben einen Titan Eindiffundierungsprozess,
der eine feuchte Diffusionsatmosphäre benützt, die erzeugt wird, indem
Diffusionsgase durch eine Säule
von deionisiertem Wasser gesprudelt werden. Die gegenwärtigen Erfinder
haben 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.
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Es
wäre deshalb
höchst
vorteilhaft, ein Herstellungsverfahren für Ti-eindiffundierte Wellenleiter zu
schaffen, das ein verbessert strömendes,
feuchte Atmosphäre
Ti-Eindiffundierungsverfahren anwendet, das keine signifikante Anzahl
frei fließender
Protonen in das Wellenleitergebilde einbringt, welche die Gleichfeldvormagnetisierstabilität des Wellenleiters/Modulators
beeinträchtigt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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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 Erzeugen einer strömenden, feuchten Deuteriumoxid
(D2O) Umgebung, Erhöhen der Temperatur in der D2O Umgebung auf eine Temperatur im Bereich
von 900 Grad Celsius und 1100 Grad Celsius und Aufrechterhalten
der Temperatur für
eine Zeitspanne, die die nötige
Eindiffundierung von Titan innerhalb des Kristallsubstrates geschehen
lässt.
Die Titan Eindiffundierungswellenleiter, die von der Durchführung des
Titan Eindiffundierungsprozesses in einer strömenden, feuchten D2O
Umgebung resultieren, schliessen kristalline Substrate, wie Lithiumnionat
oder Lithiumtantalat, in einem Wellenleitermuster auf dem kristallinen
Substrat angelegte Titanstreifen und ein Diffusionsgebiet ein, die
resultieren von der Hochtemperaturbehandlung in einer strömenden,
feuchten D2O Umgebung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1A–1G sind
Querschnittansichten unterschiedlicher Stufen in der Herstellung
eines Ti-eindiffundierten Wellenleiters in einem optischen Lithiumniobat-Modulator,
welche eine Ti-Eindiffundierung in feuchter, strömender D2O
Atmosphäre
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung einschließt.
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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 feuchter strömender D2O
Atmosphäre
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung einschließt.
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3 ist
eine Querschnittansicht eines Hardware Aufbaus für Titan Eindiffundierung die
eine Blasen bildende Einrichtung für die Erzeugung einer strömenden,
feuchten D2O Umgebung aufweist gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein Prozessflussdiagramm für
einen Prozess zur Herstellung von Titan eindiffundierten Substraten
gemäß einem
derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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In
Entsprechung zu einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Ti-eindiffundierten optischen Wellenleiters in optischen Lithiumniobat-Modulatoren (LiNbO3), wobei die Eindiffundierungsumgebung erzeugt
wird durch Sprudeln von Sauerstoff (O2)
durch Deuteriumoxid (D2O), um eine strömende, feuchte Umgebung
zu erzeugen, die frei von freien Protonen ist. Die Herstellung Tieindiffundierter
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 in den Herstellungsprozess. 1A–1G sind Querschnittansichten
eines Lithiumniobatmodulators, der nach Abschluss ausgewählter Schritte
in einem Herstellungsprozess für
Ti-eindiffundierte Wellenleiter in feuchter, D2O
Umgebung gezeigt ist.
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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.
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Bezug
nehmend auf 1A ist eine Modulatorausführung 10 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 500 Angstrom bis etwa 600 Angstrom für einen Z-Schnitt-Einmoden-LiNbO3-Kristall
mit einer operativen optischen Wellenlänge von 1,3 Mikron.
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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.
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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 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 (es
sei denn, nicht auf Protonen basierende Säuren würden verwendet). Wie oben erwähnt, tendieren freie
Protonen im Wellenleiter dazu, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass
die Ausgangsspannung über
die Zeit driftet.
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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 in strömender,
feuchter D2O Atmosphäre der vorliegenden Erfindung
ausgesetzt wird.
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In
den 2A–2C ist
eine andere "Abhub"-Methode zur Bildung
von Titanwellenleiterstreifen auf Lithiumniobat- (und ähnlichen)
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.
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In 2B ist
die 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 500 Angstrom bis etwa 600 Angstrom für Z-Schnitt-Einmoden-LiNbO3 mit
einer optischen Wellenlänge
von 1,3 Mikron.
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In 2C ist
die Modulatorausführung 30 dargestellt,
nachdem die Fotoresistschicht 34 vom LiNbO3-Kristallsubstrat 32 "abgehoben" worden ist. Das
Abhubverfahren kann ausgeführt
werden, indem die 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 in strömender,
feuchter D2O Atmosphäre der vorliegenden Erfindung
unterzogen wird.
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Der
Ti-Eindiffundierungsprozess beginnt damit, dass eine Modulatorausführung in
einem Behälter
untergebracht wird, der die Ausbildung einer strömenden, feuchten Umgebung erlaubt.
Der Behälter kann
beispielsweise eine röhrenartige
Struktur aus einem Quarzmaterial sein. In 3 ist ein
Beispiel einer akzeptablen Anordnung zur Ausführung der Ti-Eindiffundierung
in einer strömenden,
feuchten Umgebung dargestellt, die durch das Sprudeln von O2-Gas durch flüssiges D2O
geschaffen wird. Die Modulatorausführung 100 wird in
einer Quarzröhre 102 mit
einem offenen Ende 104 und einem offenen Ende 106 untergebracht,
die ein freies Strömen
einer feuchten Atmosphäre
ermöglichen.
Die Quarzröhre 102 wird
in einen konventionellen Ofen 108 eingebracht. Der Ofen 108 dient
als Eindiffundierungskammer, und der Gebrauch solcher Öfen ist
bei durchschnittlichen Fachleuten allgemein bekannt. Das offene
Ende 106 der Quarzröhre 102 ist
mit einer röhrenartigen
Struktur 110 verbunden, die eine freie Strömung einer
feuchten Atmosphäre
zwischen dem Sprudelapparat 112 und der Quarzröhre 102 ermöglicht.
Der Sprudelapparat 112, dargestellt als Glasbecher, enthält die zu
sprudelnde Lösung,
welche die feuchte Atmosphäre
in der Quarzröhre 102 bilden wird.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
der Sprudelapparat 112 die bevorzugte Komponente der feuchten
Atmosphäre,
Deuteriumoxid 114 (D2O). Flüssiges Deuteriumoxid
ist in reiner Konzentration bei der Alfa Aesar Corporation in Ward
Hill, Massachusetts und bei anderen Anbietern erhältlich.
Der Sprudelapparat 112 besitzt einen Auslass 116,
der mit einer röhrenartigen
Struktur 110 verbunden ist, und einen Einlass 118,
der dem Trägergas,
wie etwa Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder einem
anderen im Wesentlichen mit dem Titan und dem Substrat nicht reagierenden
Gas das Einströmen
in den Sprudelapparat 112 erlaubt. Die Röhre 102 umfasst
vorzugsweise einen Auslass 120 zum Abführen des verbrauchten Trägergases,
damit dieses durch frisches D2O-geladenes
Trägergas
ersetzt werden kann. Die Verwendung solcher Sprudelgeräte ist durchschnittlichen
Fachleuten gut bekannt, und auch andere Sprudelvorrichtungskonfigurationen können verwendet
werden, die eine strömende, feuchte
D2O-Umgebung in der Quarzröhre 102 ergeben.
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Die
Verwendung von D2O als Komponente zur Erzeugung
der feuchten Atmosphäre
wird gegenüber
Verfahren nach dem Stand der Technik bevorzugt, bei denen H2O zur Anwendung kommt. Bei der Herstellung
von optischen Ti-Eindiffundierungs-Wellenleitern
nach dem Stand der Technik wird H2O bevorzugt,
weil es dazu dient, die unerwünschte LiNB3O8-Phase anzugreifen
und diese zu LiNbO3 zerlegt. Wie erwähnt, kann
das Wachstum der LiNB3O8-Phase
stattfinden, wenn LiNbO3 bei Temperaturen über 300
Grad Celsius verarbeitet wird. Die LiNB3O8-Phase ist unerwünscht, weil sie dazu tendiert,
optisch nicht transparent zu sein und zu hohen Verlusten bei optischen
Wellenleitern führt.
Allerdings bringt die Verarbeitung in einer feuchten Atmosphäre aus H2O ein hohes Risikopotenzial zur Bildung
einer Proton-ausgetauschten Oberflächenschicht auf der Wellenleiterausführung mit
sich. Diese Protonen bleiben nach der Verarbeitung im Sample und
können die
Gleichstromvormagnetisierungsstabilität eines Modulators entweder
durch Mobilität
in der Kristallsubstratoberflächenschicht
oder entlang der Grenzfläche
Kristallsubstrat-/Pufferschicht nachteilig beeinflussen.
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Das
Deuterium-Atom besitzt in Anwesenheit eines Wasserstoffatoms ein
zusätzliches
Neutron und eine Masse, die annähernd
zweimal der eines normalen Wasserstoffatoms entspricht. Da das Deuterium
ein schwereres Atom ist, besitzt es eine höhere Aktivierungsenergie und
ist deshalb weniger geneigt, aus der Bindungsstelle auszubrechen
als ein leichteres Froton. Außerdem ähneln die
Deuterium-Atome in der Größe den Lithium-Atomen
stärker als
Protone. Protone, deren Größe sich
von den ersetzten Lithium-Atomen unterscheidet, tendieren zu größerer Mobilität im Kristallgitter.
Als Folge dieser Mobilität
neigen die optischen Wellenleiter und der Brechungsindex zum Driften über die
Zeit, wozu es zu einer Änderung
der abgehenden Intensität
des Wellenleiters kommt. Wenn jedoch Deuterium-Ionen in die Lithiumniobat-Kristallstruktur
diffundieren und Lithium-Atome ersetzen, neigen sie dazu, sich im Kristallgitter
zu "verriegeln" und eine größere Gesamtstabilität im Gitter
zu erzeugen. Durch die Implantierung von Deuteron-Ionen anstelle
von Protonen im Ti-Eindiffundierungsprozess sollte eine Verringerung
der Gleichstromvormagnetisierungsstabilität von etwa √2 realisiert
werden. Diese Verringerung ist evident, da sich die Vormagnetisierungsdrift
als abhängig
von der Ionendiffundierung proportional zur Quadratwurzel der Ionenmasse
erweist. Zusätzlich bietet
D2O den selben Nutzen wie H2O,
insofern es dazu dient, die unerwünschte LiNB3O8-Phase chemisch anzugreifen und in LiNbO3 zu zerlegen. Es ist festzuhalten, dass
Tritium (T oder 3H) ebenfalls vorteilhaft
anstelle von Deuterium (D oder 2H) verwendet werden
kann und als Äquivalent
zu betrachten ist. Aufgrund militärischer Beschränkungen
ist Tritium jedoch zur Zeit auf dem Markt nicht in signifikanten Mengen
erhältlich.
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In 4 wird
eine gegenwärtig
bevorzugte Methode zur Herstellung Titan-eindiffundierter Substrate
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Die Ablagerung des Titans auf dem oben erörterten Substrat
findet in Kasten 124 statt. In Kasten 126 ist das
Trägergas
feucht von D2O, wie oben erörtert.
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Der
Ti-Eindiffundierungsprozess kann beginnen, sobald die Modulatorausführung in
der Eindiffundierungskammer richtig untergebracht wurde, entweder
in einer Quarzröhrenstruktur
(wie in 3 dargestellt) oder unmittelbar
in der Eindiffundierungskammer. Die strömende, feuchte Atmosphäre wird
in der Quarzröhrenstruktur
oder unmittelbar in der Eindiffundierungskammer erzeugt, indem die
Strömung des
Trägergases
durch den Sprudelapparat ausgelöst
wird (4, Bezugszeichen 128). Die Strömungsrate
des Trägergases
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 0,2 SCFH (Standard Cubic Feet
per Hour – Standard-Kubikzoll
pro Stunde) und etwa 5,0 SCFH, wobei gegenwärtig 1,2 SCFH bevorzugt werden.
Sobald das strömende
Trägergas
auf den Sprudelapparat trifft, erzeugt es ein Sprudeln im D2O und ermöglicht die Erzeugung der strömenden, feuchten
D2O-Atmosphäre, die in die Quarzröhrenstruktur
oder Eindiffundierungskammer geleitet wird. Da D2O
relativ teuer ist, sollte sein Gebrauch auf ein Minimum beschränkt sein.
Für den
Laborbetrieb könnten
einige ccs genügen.
In einer kommerziellen Produktionsanlage werden größere Mengen
benötigt.
In einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die strömende,
feuchte D2O-Umgebung während des gesamten Ti-Eindiffundierungsprozesses
geschaffen und aufrecht erhalten. Es ist zudem machbar und innerhalb
des hier offenbarten erfinderischen Konzepts, die strömende, feuchte
D2O-Umgebung an unterschiedlichen vorgegebenen
Stufen des Ti-Eindiffundierungsprozesses zu regulieren und zu begrenzen.
Zu beachten ist auch, dass das D2O durch
Hindurchführen
des verbrauchten, schweren feuchten Sauerstoffs durch einen Kühlschrank
zum Ausfrieren des schweren Wassers (D2O)
rezykliert werden kann. Es kann dann periodisch rückverflüssigt und
rezykliert werden. Da es nicht wünschenswert
ist, 1H-Atome einzuführen, muss darauf geachtet
werden, die Kontaminierung des D2O im Rezyklierungsprozess zu
vermeiden.
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Die
Ti-Eindiffundierung wird durch Anheben der Temperatur (4,
Bezugszeichen 130) auf das adäquate Niveau vorangetrieben,
das sich auf das erforderliche Ausmaß der erwünschten Ti-Eindiffundierung
auswirkt. Im Allgemeinen kann die Temperatur auf einen Wert von
etwa 900 Grad Celsius bis etwa 1100 Grad Celsius angehoben werden.
Eine bevorzugte Eindiffundierungstemperatur von etwa 1050 Grad Celsius
ermöglicht
allgemein das Stattfinden der benötigten Titaneindiffundierung.
Die Steigerungsrate zur Erhöhung
der Temperatur im Ofen kann im Bereich von etwa 0,5 Grad Celsius
pro Minute bis etwa 20,0 Grad Celsius pro Minute liegen. Eine gegenwärtig bevorzugte
Steigerungsrate beträgt etwa
10,0 Grad Celsius pro Minute.
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Die
erforderliche Dauer des Eindiffundierungsprozesses ist von der Dicke
des Kristallsubstrats und der Tiefe der verlangten Ti-Eindiffundierung abhängig. Die
Eindiffundierungsperiode (4, Bezugszeichen 132)
wird ab dem Zeitpunkt gemessen, zu dem die erwünschte erhöhte Temperatur erreicht ist.
Im Allgemeinen wird das Substrat über einen Zeitraum im Bereich
von etwa 1 Stunde bis etwa 5 Stunden auf erhöhter Temperatur gehalten, wobei
gegenwärtig
3 bis 4 Stunden meistbevorzugt sind. Die gewünschte erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck müssen über diesen
Zeitraum hinweg gehalten werden.
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Der
Eindiffundierungsprozess wird abgeschlossen, indem die Modulatorausführungsstruktur auf
annähernd
Raumtemperatur abgekühlt
wird (4, Bezugszeichen 134). Die Absenkungsrate zur
Kühlung
der Ti-Eindiffundierungsumgebung
kann im Bereich von 0,5 Grad Celsius pro Minute bis etwa 40,0 Grad
Celsius pro Minute liegen. Eine gegenwärtig bevorzugte Absenkungstemperatur
liegt bei etwa 10,0 Grad Celsius pro Minute.
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Erneut
auf die Modulatorausführung 10 Bezug
nehmend, zeigt 1E die Modulatorausführung 10 nach
Abschluss des TI-Eindiffundierungsprozesses. Titan ist in das Kristallgitter
eindiffundiert und hat die Diffundierungszone oder Wellenleiterzone 18 geschaffen.
Titanatome werden interstitiell in der Wellenleiterzone 18 zerstreut
oder ersetzen in manchen Fällen
Niob-Atome in der Kristallstruktur.
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Wie
in 1F dargestellt, wird nach Abschluss des Eindiffundierungsprozesses
eine Pufferschicht 22 über
die gesamte Modulatorausführung 10 gelegt.
Die Pufferschicht 22 dient als Isolierung und ist im Allgemeinen
zwischen etwa 500 bis etwa 10.000 Angstrom dick, vorzugsweise etwa
3000 Angstrom. Die Pufferschicht 22 kann Siliziumdioxid (SiO2), Siliciumnitrid (Si3N4 oder andere Phasen), eine Kombination aus
Siliziumdioxid und Siliciumnitrid, Indiumzinnoxid (ITO) oder ein
anderes geeignetes Isoliermaterial umfassen. Zur Anbringung der Pufferschicht 22 über der
Modulatorausführung 10 kann
eine herkömmliche
Ablagerungstechnik angewendet werden, wie etwa das Sputtern. Es
ist festzuhalten, dass die Anwendung von chemischen Abscheidungstechniken
aus der Gasphase (CVD-Verfahren)
allgemein zu vermeiden ist, da eine solche Verarbeitung zur Erzeugung
unerwünschter
freier Protonen neigt, wie oben mit Bezug auf Nassätzverfahren
erörtert.
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Bezug
nehmend auf 1G wird die Modulatorausführung 10 abgeschlossen
durch Anbringen von Elektroden 24 über der Pufferschicht 22.
Wie dargestellt, können
die Elektroden 24 unmittelbar über den Wellenleiterzonen 18 oder
auch an anderen Stellen auf der Pufferschicht 22 platziert
werden. Wie durchschnittlichen Fachleuten bekannt, haben Modulatoren
mit "Z"-Ausrichtung Elektroden,
die unmittelbar über
den Wellenleitern ausgebildet sind, und Modulatoren mit "X"- oder "Y"-Ausrichtung haben
Elektroden, die versetzt von den Wellenleitern ausgebildet sind.
Zur Ausbildung der Elektroden 24 über der Pufferschicht 22 werden
Standardablagerungstechniken verwendet. Eine Standardablagerungstechnik kann
ein Photorestistverfahren, eine herkömmliche Plasmaablagerung, Sputtern
oder ein thermisches Verdampfungsverfahren, ein Plasmaätzverfahren und
ein Abstreif- und Aceton- oder Propenylwaschverfahren zur Eliminierung
des Photoresist umfassen. 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 reine Dünnschicht
zwischen Pufferschicht 22 und Elektrode 24 dient
dem Zweck einer zunehmenden Adhäsion
zwischen der Gold- und der Pufferschicht. Die Elektroden sind typischerweise
etwa 0,1 Mikron bis etwa 4 Mikron dick.
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Nach
Herstellung der Elektroden wird die Modulatorausführung 10 einem
Post-Ausführungs-Temperverfahren
unterzogen, um die Spannung im Kristall, in den Elektroden und/oder
in der Pufferschicht zu lösen.
In manchen Fällen
kann dieser Temperschritt auch nach Ausbildung der Pufferschicht 22 erfolgen.
Dieses Temperverfahren kann in einer strömenden, feuchten D2O-Umgebung
durchgeführt
werden, um die Wahrscheinlichkeit zu eliminieren, dass freie Protonen
die Modulatorausführung kontaminieren.
Lithiumniobat hat inhärent
hohe Spannungskoeffizienten, und das Lösen der Spannung ist wesentlich,
um sicherzustellen, dass es in den Modulatoren zu keiner Ausgangsdrift
kommt. Die bevorzugte Tempertemperatur liegt bei etwa 300 Grad Celsius.
Mögliche
Trägergase
umfassen Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder ein anderes
Gas, das im Wesentlichen mit dem Substrat, das – wie oben beschrieben – in den
Sprudelapparat 112 strömen
soll, nicht reagiert. Die Strömungsrate
des Trägergases
kann vorzugsweise im Bereich von 0,2 SCFH bis etwa 5,0 SCFH liegen,
wobei gegenwärtig etwa
1,2 SCFH bevorzugt werden, wie oben festgestellt. Die bevorzugte
Temperdauer liegt zwischen etwa 4 Stunden und etwa 6 Stunden.
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4 ist
ein Prozessfließdiagramm
zur Zusammenfassung der Methode der vorliegenden Erfindung. Bei
Bezugszeichen 124 wird Titan auf dem Substrat abgelagert.
Bei Bezugszeichen 126 ist das Trägergas feucht mit D2O. Bei Bezugszeichen 128 strömt das Trägergas am
Substrat vorbei. Bei Bezugszeichen 130 wird das Substrat
erhitzt. Bei Bezugszeichen 132 wird das Titan in das Substrat
eindiffundiert. Bei Bezugszeichen 134 wird das Substrat abgekühlt.
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Alternative Ausführungsbeispiele
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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.