WO1985004021A1 - Method for producing a phase delay element and phase delay element obtained thereby - Google Patents

Method for producing a phase delay element and phase delay element obtained thereby Download PDF

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WO1985004021A1
WO1985004021A1 PCT/EP1985/000072 EP8500072W WO8504021A1 WO 1985004021 A1 WO1985004021 A1 WO 1985004021A1 EP 8500072 W EP8500072 W EP 8500072W WO 8504021 A1 WO8504021 A1 WO 8504021A1
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diffusion barrier
substrate
titanium
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delay element
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PCT/EP1985/000072
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Hans Volz
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International Standard Electric Corporation, New Y
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    • G02F2201/066Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 integrated waveguide channel; buried

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an optical phase delay element, a narrow strip structure made of titanium being applied to a substrate made of a lithium niobate crystal and then diffused into a substrate, and an optical phase delay element produced by this method.
  • optical transmitters and receivers in which, like the electrical sowing elements, efforts are made to create them in the form of integrated circuits.
  • Delay elements are required for components with which the light intensity (amplitude) can be modulated and / or the frequency (or also the transit time) can be shifted.
  • This is e.g. B. achieved in that applied to a substrate of a lithium niobate single crystal 4 around wide strips of titanium and then diffused into the substrate.
  • the titanium is installed in the place of the nioo atoms and increases the refractive index of the substrate crystal, so that a license wave is fired in the channel formed by the diffused material.
  • the polarization state of the crystal and thus also the speed of propagation of the light in this medium can be changed by applying an elextriscne field.
  • a titanium scent is applied to a polished, polished and cleaned opera surface of a lithium niobate substrate in a sputtering system.
  • Sputtering is the bombardment of a solid or a melt in a vacuum with particle beams, where the particles can either be individual atoms, ions or molecules (see Maissel & Glang, Handbook of Tnin Film Technologie, Mc Graw Hill, 1970).
  • the titanium surface is covered with a
  • the manufacturing process described above is complex and it is also difficult to subsequently ram the contacts parallel to the edges of the channel.
  • the formation of a lithium dioxide layer during tempering causes a considerable dielectric loss when driving the optical channel.
  • the invention has for its object to provide a simplified manufacturing process, which in particular avoids a subsequent influence on the light channel.
  • An optical phase delay element according to the invention is characterized by claim 7.
  • the figure shows various stages A to E in the production of an optical phase delay element according to the invention.
  • a lithium niobate single crystal 1 is shown schematically, on the polished and cleaned surface of which an approximately 100 nm thick diffusion barrier 2 made of one mm oxygen inert material, e.g. B. has been deposited in the form of a platinum layer. This platinum layer is applied either by electron beam evaporation or by direct current or high frequency sputtering. From line B is one on the
  • Platinum layer applied negative photoresist 3 of the channel 4 to be formed can be seen.
  • This negative image is produced in a known manner by masking, exposing and developing a negative photoresist applied to the surface of the substrate 1.
  • the plate is then exposed again, so that the lithium niobate is exposed again at the location of a strip 6 along which the titanium is to be diffused (line C).
  • an approximately 30 nm thick titanium layer 7 is now etched by electron beam evaporation or by sputtering (line D).
  • the substrate is then etched in a diffusion furnace under an oxygen atmosphere.
  • the titanium diffuses in the region of the strip 6 into the LiNb03 of the substrate 2 and forms a strip-shaped light channel 8, while the titanium layer on its outer surface is oxidized and thus forms a TiO layer 9.
  • the light channel 8 is then delimited laterally by two parallel platinum strips 10 and 11 (row E).
  • the platinum strips 10, 11 already form the contacts required for applying an electrical field and thus for controlling the phase delay element. They then only have to be structured in each case to form a contact, which is also easily possible through the oxidized titanium layer, and connected with an electrical connection.
  • the invention reduces the manufacturing steps required to manufacture an optical phase retarder.
  • the platinum strips 10 and 11 form contacts which are flush with the edge of the light channel 8. They adjust themselves. During tempering, no lithium oxide with a low dielectric constant forms as a passivation layer under the contact. The applied elextric field can therefore work better on the license channel without dielectric losses.

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Description

Verfahren zum Herstellen eines o p t is c h e n Phasenverzögerungsgliedes und danach Hergestelltes Phasenverzögerungsglied
Die Erfindung oetrifft ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Phasenverzögerungsgliedes, wobei auf ein Substrat aus einem L i thiumniobat-Kristall eine scnmale Streifenstruktur aus Titan aufgebracht und anscnließend in aas Substrat eindiffundiert wird, sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes optisches Phasen verzögerungsglied.
Die Nachrichtenübermittlung mittels Lichtwellen gewinnt Zusehens an Bedeutung. Dazu werden Bauelemente benötigt - z.B. optische Sender und Empfänger -, bei denen man, ähnlich wie bei den elektrischen Sauelementen, bestrebt ist, sie in Form integrierter Schaltungen nerzustellen. Zum Herstellen optischer Phasen verzögerungslieder werden Bauelemente benötigt, mit denen sicn die Lichtintensität (Amplitude) modulieren und/oder die Frequenz (oder auch die Laufzeit) verschieben läßt. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß auf ein Substrat aus einem Lithiumniobat-Einkristall 4 um breite Titanstreifen aufgebracht und dann in das Substrat eindiffundiert werden. Dabei wird das Titan an die Stelle der Nioo-Atome eingebaut und erhöht den Brechungsindex des Substratkristalls, so daß eine Licntwelle in dem durch das eindiffundierte Material gebildeten Kanal gefünrt wird. Durch Anlegen eines elextriscnen Feldes läßt sich der Polarisationszustand des Kristalls und damit auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in diesem Medium verändern.
Bei einem in der Praxis oekannt gewordenen Verfahren wird auf eine geschliffene, polierte und gereinigte Operfläcne eines Litniumniobat-Substrats in einer Sputteranlage eine Titanscnicnt aufgeoracht. Unter Sputtern versteht man das Beschießen eines Festkörpers oder einer Scnmelze im Vakuum mit Teilchenstrahlen, wooei die Teilchen entweder einzelne Atome, Ionen oder Moleküle sein können (vgl. Maissel & Glang, Handbook of Tnin Film Technologie, Mc Graw Hill, 1970). Die Titanooerfläche wird mit einem
Pnotolack beschientet und diese Schicht entsprechend der gewünschten LichtkanaIstruktur maskiert und dann oelichtet. Nach dem Entwickeln werden die nicht belichteten Bereicπe der Titanschicht weggeätzt, so d a ß nur der oder die gewünschten Titanstreifen auf dem Suostrat verbleiben. Diese werden dann durch Erhitzen in das Substrat eindiffundiert, entlang der damit gebildeten optischen Kanälen müssen noch elektrische Kontakte angebracht werden, über die das zum Steuern erforderliche elektrische Feld angelegt werden kann.
Das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren ist aufwendig und außerdem ist es schwierig, die Kontakte nachträglich paralell auf die Kanten des Kanals aufzuoringen. Die Bildung einer Lithiumdioxidschicht beim Tempern verursacht einen erheblichen dielektrischen Verlust beim Ansteuern des optischen Kanals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren zu schaffen, das insoesondere ein nachträgliches Beeinflussen des Lichtkanals vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Ein erfindungsgemäßes optisches Phasenverzögerungsglied ist durch den Ansprucn 7 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsoeispieles erläutert.
Die Figur zeigt verschiedene Stadien A bis E bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines optischen Phasenverzögerungsgliedes.
In Zeile A der Figur ist schematisch ein Lithiumniobat-Einkristall 1 dargestellt, auf dessen polierter und gereinigter Ooerfläche eine etwa 100 nm dicke schicntförmige Diffusionssperre 2 aus einmm sauerstoff inerten Werkstoff, z. B. in Form einer Platinschicht, abgeschieden worden ist. Diese Platinschicht ist entweder durch ElektronenstrahIverdampfung oder durch Gleichstromoder Hochf requenz-Sputtern aufgebracht. Aus Zeile B ist ein auf die
Platinschicht aufgebrachtes negatives PhotolackbiId 3 des zu bildenden Kanals 4 ersichtlich. Dieses negative Bild wird in bekannter Weise durch Maskieren, Belichten und Entwickeln eines auf die oberfläcne des Substrats 1 aufgebrachten negativen Photolacks hergestellt.
Danach wird die P l a t ins c h ic h t d u r c h Sp u tte r n w eg g eä t zt , s o d a ß d as Lithiumniobat an der Stelle eines Streifens 6, entlang dem das Titan eindiffundiert werαen soll, wieder freiliegt (Zeile C).
Auf die nun teilweise mit Platin oedeckte und teilweise offenliegende Oberfläche des Substrats 2 wird nun eine etwa 30 nm starke Titanschicht 7 durch ElektronenstrahIverdampfen oder durch Sputtern aufgeoracht (Zeile D) .
Das Substrat wirα danach in einem Diffusionsofen unter Sauerstoffatmospnäre ernitzt. Dabei diffundiert das Titan im Bereich des Streifens 6 in das LiNb03 des Substrats 2 ein und bildet einen streifenförmigen Lιchtκanal 8, während die Titanschicht an ihrer Obeifläcne oxidiert wird und somit eine TiO-Schicht 9 oildet. Der Lichtkanal 8 ist dann seitlich durch zwei parallele Platinstreifen 10 und 11 begrenzt (Zeile E). Die Platinstreifen 10, 11 Dilden bereits die zum Anlegen eines elektrischen Feldes und damit zum Steuern des Phasenverzögerungsgliedes erforderlichen Kontakte. Sie müssen dann lediglich noch jeweils zu einem Kontakt strukturiert werden, was auch durch die oxidierte Titanschicht hindurch einfach möglich ist, und rnit einem elektrischen Anschluß verbunden werden.
Durch die Erfindung werden die zum Herstellen eines optischen Pnasenverzögerungsgliedes erforderlichen Fertigungsschritte verringert. Die Platinstreifen 10 und 11 bilden Kontakte, die mit der Kante des Lichtkanals 8 bündig sind. Sie justieren sich von selbst. Beim Tempern bildet sich unter dem Kontakt kein Litniumoxid mit niederer Dielektrizitätskonstante als Passivierungsschicnt, das angelegte elextrische Feld kann deshalb ohne dielektrische Verluste besser am Licntkanal wirκen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines optischen Phasenverzögerungsgliedes, wobei auf ein Substrat aus einem Lithiumniobat-Kristall eine schmale Streifenstruktur aus Titan aufgebracht und anschließend in das Substrat eindiffundiert wird, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Verfahrensschritte: auf die Oberfläche des Substrats wird eine schichtförmige sauerstoffinerte Diffusionssperre aufgeb rächt, der gewünschten Streifenstruktur entsprechende Streifen werden aus der Diffusionssperre herausgeätzt, - auf die Oberfläche wird eine Titanschicht aufgebracht, - die Diffusionssperre wird durch Erhitzen in Sauerstoffatmosphäre oxidiert und an den freiliegenden Substratstellen in das Substrat eindiffundiert, und - die Diffusionssperre wird durch die oxidierte Titanschicht hindurch zu einem Kontakt strukturiert und mit einem elektrischen Anschluß verbunden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffinerte Diffusionssperre eine P l a t in s c h i c h t aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperre durch Elektronenstranlverdampfen aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperre durch Gleichstromoder Hochfrequenz-Sputtern aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanschicnt durch Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern aufgebracht wird.
6. Verfahren nacn Ansprucn 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanschicht nach dem Aufbringen in einem Diffusionsofen unter Sauerstoffatmosphäre erhitzt wird.
7. Optisches Phasenverzögerungsglied mit einem optischen Kanal, der aus einem Titanstreifen, der in ein Substrat aus Lithiumniobat eindiffundiert ist, und aus parallel zu dem Kanal angeordneten Kontakten zum Anlegen eines elektrischen Feldes besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (10,11) aus einer auf die Oberfläche des Substrats (1) aufgebrachten schichtförmigen sauerstoffinerten Diffusionssperre
(2) bestehen, aus der ein dem optischen Kanal (8) entsprechender Streifen (6) herausgeätzt worden ist.
8. Phasenverzögerungsglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperre (2) eine Platinschicht ist.
PCT/EP1985/000072 1984-03-01 1985-02-28 Method for producing a phase delay element and phase delay element obtained thereby WO1985004021A1 (en)

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DE19843407558 DE3407558A1 (de) 1984-03-01 1984-03-01 Verfahren zum herstellen eines optischen phasenverzoegerungsgliedes und danach hergestelltes phasenverzoegerungsglied

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WO (1) WO1985004021A1 (de)

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The Transactions of the IECE of Japan, Band E60, No 10, October 1977, Tokyo (JP) M. NUNOSHITA et al.: "Fabricating and Waveguiding Properties of Ti-Diffused LiNbO3, Optical Waveguides", page 586 see right hand column, lines 4-6 *

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Also Published As

Publication number Publication date
EP0174352A1 (de) 1986-03-19
CH666969A5 (de) 1988-08-31
DE3407558A1 (de) 1985-09-05

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