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Die Erfindung hat ein integriertes optisches Monomode-
Raumfilter sowie sein Herstellungsverfahren zum Gegenstand. Sie
findet ihre Anwendung vor allem auf dem Gebiet der Echtzeit-
Radarsignalverarbeitung, z.B. in Korrelatoren,
Spektralanalysatoren oder interferometrischen Geräten, auf dem
Gebiet der Telekommunikationen auf optischem Wege und auf dem
Gebiet der Lichtleitfasersensoren.
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In der klassischen Optik ermöglicht ein Raumfilter, ein
Lichtbündel zu erhalten, das frei ist von Störeinflüssen wie
Beugungserscheinungen (Interferenzringen).
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In der integrierten Optik ist das Problem ein anderes. Es
handelt sich nämlich darum, in einer Wellenleiterstruktur eine
Mode und wirklich nur eine zu isolieren und dafür zu sorgen, daß
nur sie allein sich in der Leiterschicht der Struktur fortpflanzt
bzw. ausbreitet.
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Es sei daran erinnert, daß eine Leiterstruktur generell aus
einer Pufferschicht, einer Leiterschicht und einer Oberschicht
besteht, gestapelt auf einem Substrat, wobei die Leiterschicht eine
reale Brechzahl aufweist, die größer ist als die der Pufferschicht
und der Oberschicht. Die Oberschicht kann in bestimmten Fällen
durch Luft ersetzt werden.
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Man könnte annehmen, daß die Isolierung einer Mode in der
integrierten Optik ein einfaches Problem darstellt. Tatsächlich
weiß man, daß ein Lichtmikroleiter leicht so berechnet und
hergestellt werden kann, daß er nur eine einzige Mode leitet.
Jedoch hinkt diese Feststellung in in zwei Punkten.
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Erstens ist eine geleitete Mode theoretisch eine Mode mit
null Verlusten, wenn die Ausbreitungsmedien nicht absorbierend
sind.
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In der Praxis treten jedoch immer Verluste auf, bestenfalls
in der Größenordnung von 0,05 bis 0,2 dB/cm.
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Es existieren parallel zu dieser geleiteten Mode immer
andere Möglichkeiten für das Licht, sich in einer integrierten
optischen Struktur auszubreiten; es sind die Substratmoden, deren
theoretische Verluste nicht mehr null sind; sie werden dann in dem
Lichtleiter nur partiell reflektiert und aus diesem Grund
verflüchtigt sich ein Teil der Energie in dem Substrat und ist
folglich verloren.
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Diese Substratmoden existieren immer und ihre theoretischen
Verluste können variieren zwischen einem Bruchteil eines dB/cm und
mehreren zehn dB/cm. Dies bedeutet, daß über kurze Distanzen
(100µm bis einige Millimeter) ihre schwächung gering bleibt. Sie
erzeugen folglich parasitäres Licht, das bei bestimmten
Anwendungen sehr störend sein kann.
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Es kann auch vorkommen, daß bei bestimmten
Mikroleiterstrukturen, bei denen Form und Abmessungen des Mikroleiters durch
Ätzungen der Oberschicht festgelegt werden (in angelsächsischer
Terminologie bekannt unter der Bezeichnung "rib waveguide" oder
"rib channel guide"), das Licht auch außerhalb des Mikroleiters
geleitet werden kann, im Planarzustand. Dies ist der Fall der in
dem Elektroniklabor des Anmelders entwickelten Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2;-
Strukturen.
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Bei diesen Strukturen bleibt das Licht eingeschlossen in
dem Bereich mit einem hohem effektiven Index (d.h. unter der
geätzten Oberschicht), aber es kann auch in den angrenzenden Zonen
geleitet werden, insbesondere dann, wenn die Einführung des Lichts
in den Mikroleiter nicht einwandfrei ist.
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Dies führt uns zum zweiten problematischen Punkt.
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Es ist nämlich in der Praxis nicht möglich, das Licht in
eine Monomode-Leiterstruktur einzuspeisen und nur die in dieser
Struktur geleitete Mode anzuregen.
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Dazu müßte man eine Lichtamplitudenverteilung einspeisen
(z.B. dank einer optischen Monomodefaser oder einer Laserdiode),
die absolut identisch mit der der geleiteten Mode der Struktur und
dieser genau überlagert ist. Dies ist jedoch technisch unmöglich.
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Außerdem erzeugen bestimmte integrierte optische
Komponenten selbst Störlicht durch ihre eigenen Mängel bzw. Fehler
(Rauheit, punktuelle Fehler, etc.). Auch bei einwandfreier Einspeisung
des Lichts in den Mikroleiter bleiben diese zweiten Probleme
bestehen. Dies führt insbesondere zu folgenden Nachteilen:
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a) - Erhöhung des Störlichanteils,
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b) - Instabilität des optischen Signals, denn dieses
Störlicht kann mit dem geleiteten Licht interferieren. Aufgrund der
vorhandenen unterschiedlichen effektiven Indizes wirken die
äußeren Störungen nicht identisch auf die Phase der geleiteten
Mode und auf die des Störlichts, was permanente Fluktuationen
verursacht.
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Dieses Problem wird im allgemeinen bei ziemlich komplexen
und empfindlichen Vorrichtungen wie den interferometrischen
Einrichtungen (Bewegungssensoren, integrierten optischen Gyrometern)
festgestellt.
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Die Erfindung hat genau ein integriertes optisches
Monomode-Raumfilter und dessen Herstellungsverfahren zum Gegenstand,
womit die verschiedenen oben erwähnten Nachteile beseitigt werden
können. Insbesondere ermöglicht dieses Filter, die Ausbreitung
jeglichen Störlichts in einer integrierten optischen
Monomodestruktur zu verhindern.
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Man kennt durch GB-A-2 209 844 einen integrierten optischen
Wellenleiter, der in einer Hauptebene eine Krümmung aufweist.
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Noch genauer hat die Erfindung ein optisches Filter nach
Anspruch 1 zum Gegenstand.
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Die Form des Mikroleiters ermöglicht zwangsläufig, jedes
Störlicht bzw. parasitäre Licht zu eliminieren. Tatsächlich ist
nur das in unmittelbarer Nähe des Mikroleiters erzeugte parasitäre
Licht störend. Außerdem kann jedes entweder in dem Substrat oder
als beiderseits des Mikroleiters an seinem Eingang als planare
geleitete Mode erzeugte Störlicht sich nur geradlinig ausbreiten.
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Auch gewährleistet der gekrümmte Teil des Mikroleiters eine
sehr große Selektivität, selbst wenn der Mikroleiter kein strikter
Monomode-Mikroleiter ist (z.B. wegen technischen Unsicherheiten
bzw. Unbestimmtheiten), da die Verluste in diesem gekrümmten Teil
zwischen den geleiteten Moden sehr unterschiedlich sind, wobei die
erste Mode immer diejenige ist, die am wenigsten Verluste
aufweist.
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Die Krümmungsradien und die Längen der verschiedenen
geraden Abschnitte des Mikroleiters werden vorteilhafterweise so
berechnet, daß man einen minimalen Abstand D zwischen dem Eingang
und dem Ausgang des Mikroleiters hat, gemessen in der zur
Oberfläche des Substrats parallelen Ebene.
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Für die Mikroleiter können verschiedene Formen vorgesehen
werden. Jedoch weisen die in integrierter Optik hergestellten
generell eine optische Achse auf, deren Richtung durch Probleme
der Form, der Kompaktheit und der Anordnung der Komponenten
bestimmt wird.
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Auch weist das erfindungsgemäße Filter in der zur
Oberfläche des Substrats parallelen Ebene eher eine "S"-Form auf. In
der Folge des Textes ist das, was über einen Mikroleiter mit "S"-
Form gesagt wird, selbstverständlich gültig für einen Mikroleiter
mit einer Krümmung, deren einziges Limit ist, einen
Krümmungsradius aufzuweisen, der den oben gegebenen Definitionen entspricht.
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Um eine gute Absorption des Störlichts durch die Absorber
sicherzustellen, erstrecken sich diese letzteren
vorteilhafterweise über die gesamte Länge des gekrümmten Teils und folglich des
"S".
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Außerdem, um an der Grenzfläche der Absorber jede Reflexion
von Störlicht zu vermeiden, das dann in den Mikroleiter
rückgekoppelt bzw. zurückgespeist werden könnte, ist die Oberfläche
jedes Absorbers dem Mikroleiter gegenüber gezahnt oder gerippt.
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Man muß nämlich betonen, daß ein Absorber den realen Teil
der Brechzahl der geleiteten Mode verändert und infolgedessen zu
einer Brechzahl-Diskontinuität führt und folglich zu potentiellen
parasitären Reflexionen. Die gezahnte oder gerippte Form dieser
Absorber verhindert, daß diese Reflexionen Störlicht in der
Ausbreitungsrichtung des geleiteten Lichts erzeugen können, d.h.
in der Richtung des Mikroleiters.
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Außerdem müssen die Absorber eine geometrische Form
aufweisen, die jedes störende Einfangen von Licht verhindert,
insbesondere eine geometrisch asymmetrische Form in bezug auf die
Ausbreitungsachse des Lichts (d.h. die optische Achse des
Filters). Die Zähne oder Kerben der Absorber sind außerdem
unregelmäßig beabstandet.
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Sie Verwendung eines "S"-Mikroleiters und eines minimalen
Abstands D zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang resultiert
u.a. aus der Tatsache, daß die Absorber nicht in unmittelbarer
Nähe des Mikroleiters angeordnet werden können, denn sie würden
auch das geleitete Licht absorbieren, das sich ausbreiten soll.
Auch muß man zwischen den Absorbern und den Rändern des
Mikroleiters
einen minimalen Abstand d einhalten, insbesondere im Falle
von gezahnten Absorbern, zwischen dem Ende der Sägezähne und den
Rändern des Mikroleiters.
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Dieser Mindestabstand hängt ab von der benutzten
Leiterstruktur und von der Tiefe der Zähne des Absorbers. Er muß so
klein wie möglich sein, wobei man die Absorption der Mode, die
sich ausbreiten soll, vermeidet. In der Praxis ist dieser
Mindestabstand 3 bis 10µm, gemessen in einer zur Oberfläche des Substrats
parallelen Ebene.
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Wenn b die Breite des Mikroleiters ist, kann manin erster
Annäherung sagen, daß D> 2d+b. In der Praxis nimmt man eine
ausreichende Sicherheitsmarge, so daß diese Ungleichung immer
bestätigt wird.
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Wenn jedoch die Krümmungsradien für ein effizientes Filtern
vorgegeben sind, ist es wünschenswert, daß D nicht zu groß wird,
denn dies erhöht den allgemeinen Platzbedarf der mit solchen
Filtern ausgestatteten integrierten optischen Vorrichtung.
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In der Praxis wählt man D zwischen 20 und 50µm.
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Die Krümmungsradien des "5" hängen, wie vorhergehend
gesagt, von den Leiterstrukturen und hauptsächlich von der
Lateralindexdifferenz ab (real für die wirklichen Mikroleiter oder
effektiv für die "rib waveguides").
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Beispielsweise beträgt der minimale Krümmungsradius des "5"
für eine Indexdifferenz von 5.10&supmin;³ 5 bis 15mm, und für eine
Indexdifferenz von 5.10&supmin;² beträgt der minimale Krümmungsradius 0,2
bis 2mm, je nachdem, welche Formen benutzt werden. So verringert
sich der Krümmungsradius, wenn die Indexdifferenz zunimmt.
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Die Art der Absorber hängt im wesentlichen ab von der in
der Struktur auftretenden Indexdifferenz und von der
Arbeitswellenlänge.
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Wenn diese Indexdifferenz groß ist, d.h. größer als 0,1 und
typisch zwischen 0,1 und 0,5, können die Absorber aus Metall
hergestellt werden und insbesondere aus Aluminium, aus Titan, aus
Silber, aus einer Chrom- oder Goldlegierung, etc. und ihre Dicke
kann beliebig sein, z.B. zwischen 10 und 500nm.
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Wenn die in der Struktur vorhandene Indexdifferenz klein
ist, d.h. kleiner als 0,02 und typischerweise zwischen 5.10&supmin;³ und
2.10&supmin;²,
können zwei Herstellungsarten für die Absorber in Betracht
gezogen werden.
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Nach einer ersten Herstellungsart können diese Absorber aus
einem der vorhergehend genannten Metalle sein, mit einer Dicke,
gemessen in einer zur Oberfläche des Substrats senkrechten Ebene,
die gering ist, d.h. kleiner als die Eindringtiefe des Störlichts
in das verwendete Metall. Generell wird diese Dicke kleiner als
20nm gewählt, z.B. 5 bis 15nm.
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Dieses Metall von geringer Dicke ermöglicht eine sehr viel
stärkere Absorption als vorher, da die Mehrfachreflexionen im
Innern des Metalls möglich werden; die optimale Dicke des Metalls
hängt insbesondere ab vom Absorptionskoeffizienten dieses
letzteren.
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Beispielsweise beträgt diese Dicke für Aluminiumabsorber
5nm.
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Vorteilhafterweise kann diese Metallschicht geringer Dicke
überzogen sein von einem beliebigen Dielektrikum. Als ein zur
Bildung von Absorbern verwendbares Dielektrikum, zusammen mit
einer Metallschicht, kann man das Siliciumdioxid und optische
Klebstoffe oder Polymere wie das PMMA (Methylpolymethacrylat)
nennen.
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Nach einer zweiten Ausführungsart der Absorber für eine
Struktur mit schwachem Indexunterschied benutzt man ein
absorbierendes dielektrisches oder halbleitendes Material, dessen
realer Brechungsindex n dem realen Brechungsindex n' der
Oberschicht nahe kommt und dessen imaginärer Brechungsindex n" die
Gleichung n"²≤(n-n')² befriedigt.
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Dies ermöglicht, die Reflexion des Lichts an der Leiter-
Absorber-Grenzfläche zu minimieren und ihr Entweichen bzw. ihre
Streuung in Richtung absorbierendes Medium zu begünstigen.
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Die für die Herstellung des Raumfilters benutzten
Leiterstrukturen können von beliebiger Art sein. Insbesondere werden
diese letzteren gewählt in Abhängigkeit von der Leiterstruktur der
dem Filter in den komplexen integrierten optischen Vorrichtungen
zugeordneten optischen Komponenten.
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Insbesondere kann die Leiterstruktur aus Glas, aus
Lithiumniobat, aus Mehrschichten-Halbleiterstrukturen wie III-V- oder II-
VI-Strukturen hergestellt sein. Zum Beispiel kann man eine der
folgenden Strukturen benutzen:
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- Glas/Glas dotiert durch Ionenaustausch/SiO&sub2;
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- Si/SiO&sub2;/Sioxny/SiO&sub2;mit O(x< 2 und o(y< 4/3.
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- Si/SiO&sub2;/SiO&sub2; dotiert/SiO&sub2;, wobei die Dotierstoffe der
Leiterschicht so sind, daß diese eine höhere Brechzahl aufweist als
die der angrenzenden Schichten, z.B. Phosphor, Germanium, Titan
oder Stickstoff.
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Es ist außerdem möglich, die Leiterschicht aus Si&sub3;N&sub4; zu
ersetzen durch Aluminiumoxid und/oder das als Pufferschicht und
Oberschicht der Leiterschicht verwendete Siliciumdioxid mit einem
Dotierstoff zu dotieren, der den Brechungsindex des
Siliciumdioxids verringert, wie z.B. Fluor oder Bor. Selbstverständlich muß
die Leiterschicht immer eine höhere Brechzahl aufweisen als die
Pufferschicht und die Oberschicht.
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Als absorbierendes Dielektrikum, dazu bestimmt, allein bzw.
nur die in der Erfindung nutzbaren Absorber zu bilden, kann man
Polymere wie die photosensiblen Harze oder durch Farbstoffe
dotierte Polymere (z.B. PMMA) nennen. Bei einer Arbeitswellenlänge
von ungefähr 800nm verwendet man als Farbstoff Styryl-9 oder
Styryl-8, in den Handel gebracht durch die Firma Lambda Physik.
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Dieses absorbierende dielektrische Material kann auch
ersetzt werden durch einen absorbierenden Halbleiter wie z.B. Si,
CdTe, GaAs, entsprechend den Benutzungswellenlängen. Jedoch
entsprechen diese Halbleiter nicht genau der vorhergehend im Falle
einer Obeschicht aus Siliciumdioxid empfohlenen Gleichheit des
realen Index.
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Bei den vorhergehend erwähnten Leiterstrukturen kann der
Mikroleiter definiert werden durch Ätzung der Oberschicht oder der
Leiterschicht.
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Wenn die Oberschicht der Leiterstruktur geätzt wird, um die
Form des Mikroleiters festzulegen, ist es vorzuziehen, das
optische Filter durch ein Dielektrikum zu schützen, dessen Brechzahl
höchstens gleich der der Oberschicht ist.
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Jedoch wird die Erfindung auch auf ein optisches Filter
angewandt, dessen Mikroleiter nicht geschützt ist. Unter diesen
Bedingungen werden die Absorber gebildet durch eine absorbierende
Schicht, geätzt gemäß gewollten Mustern, direkt getragen durch die
Leiterschicht und beiderseits der geätzten Oberschicht angeordnet.
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Wenn der Schutz des Mikroleiters total ist, können die
Absorber aus einer absorbierenden Schicht bestehen, die den
Mikroleiter ganz bedeckt.
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Es ist außerdem möglich, ein Schutzdielektrikum
vorzusehen, das die den Schutz des Mikroleiters und der Absorber
sicherstellende äußerste Schicht des optischen Filters bildet.
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Die Erfindung hat auch ein Herstellungsverfahren eines wie
vorhergehend definierten optischen Monomodefilters zum Gegenstand.
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Dieses Verfahren entspricht dem Anspruch 16.
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Nach einer ersten Ausführungsart umfaßt das
erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:
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a) Abscheiden einer ersten Schicht auf dem Substrat,
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b) Ätzen dieser ersten Schicht, um den Mikroleiter zu bilden,
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c) Abscheiden einer zweiten Schicht auf der in b erhaltenen
Struktur, die eine Brechzahl aufweist, die höchstens gleich
groß ist wie die der ersten Schicht,
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d) Ätzen der zweiten Schicht beiderseits des Mikroleiters, um die
Form der Absorber festzulegen,
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e) Abscheiden einer absorbierenden Schicht auf der in d erhaltenen
Struktur und, eventuell,
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f) Ätzen der absorbierenden Schicht, um die Absorber zu
begrenzen.
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Nach einer ersten Variante dieser ersten Ausführungsart
umfaßt dieses Verfahren die folgenden Schritte:
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A) Aufeinanderfolgende Abscheidungen einer Pufferschicht und einer
Leiterschicht auf dem Substrat, wobei die Leiterschicht einen
höheren Brechungsindex hat als die Pufferschicht,
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B) Ätzen der Leiterschicht, um den Mikroleiter zu bilden,
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C) Abscheiden einer Oberschicht auf der in B erhaltenen Struktur,
die einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als die
Leiterschicht,
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D) Ätzen der Oberschicht beiderseits des Mikroleiters, um die Form
der Absorber festzulegen,
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E) Abscheiden einer absorbierenden Schicht auf der in D erhaltenen
Struktur und, eventuell,
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F) Ätzen der absorbierenden Schicht, um die Absorber zu begrenzen.
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Diese erste Variante wird vorzugsweise benutzt, wenn die
Leiterstruktur eine Struktur mit geringen Indexvariationen ist.
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Nach einer zweiten Variante umfaßt dieses Verfahren die
folgenden Schritte:
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a') Aufeinanderfolgende Abscheidungen einer Pufferschicht, einer
Leiterschicht und einer Oberschicht auf dem Substrat, wobei
die Leiterschicht einen höheren Brechungsindex aufweist als
die Pufferschicht und die Oberschicht,
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b') Ätzen der Oberschicht, um den Mikroleiter zu formen,
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c') Abscheiden einer Schutzschicht auf der in b erhaltenen
Struktur, die einen höheren Brechungsindex aufweist als die
Oberschicht,
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d') Ätzen der Schutzschicht beiderseits des Mikroleiters&sub1; um die
Form der Absorber festzulegen,
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e') Abscheiden einer absqrbierenden Schicht auf der in d
erhaltenen Struktur und, eventuell,
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f') Ätzen der absorbierenden Schicht, um die Absorber zu
begrenzen.
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Diese zweite Variante wird vorteilhafterweise für eine
Struktur mit starker Indexvariation benutzt.
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Nach einer zweiten Ausführungsart umfaßt das
erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:
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A') Aufeinanderfolgende Abscheidungen einer Pufferschicht, einer
Leiter schicht und einer Oberschicht auf dem Substrat, wobei
die Leiterschicht einen höheren Brechungsindex hat als die
Pufferschicht und die Oberschicht,
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B') Ätzen der Oberschicht, um den Mikroleiter zu bilden,
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C') Abscheiden einer absorbierenden Schicht auf der in B'
erhaltenen Struktur,
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D') Ätzen der absorbierenden Schicht, um die Form der Absorber
festzulegen, und
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E') eventuelles Abscheiden einer Schutzschicht auf der in D'
erhaltenen Struktur, die einen Brechungsindex aufweist, der
höchstens gleich dem der Oberschicht ist.
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Diese zweite Ausführungsart ist insbesondere im Falle einer
Struktur mit einer starken Indexvariation verwendbar.
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Weitere Charakteristika und Vorzüge der Erfindung gehen
besser aus der nachfolgenden, erläuternden und nicht
einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
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- die Figur 1 zeigt schematisch als Draufsicht ein
erfindungsgemäßes optisches Raumfilter,
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- die Figur 2 zeigt schematisch im Schnitt entsprechend der Linie
II der Figur 1 eine erste Ausführungsvariante des
erfindungsgemäßen optischen Filters,
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- die Figur 3 zeigt schematisch als Draufsicht eine bevorzugte
Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Raumfilters,
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- die Figur 4 zeigt schematisch im Schnitt die
Herstellungsschritte eines optischen Filters nach einem ersten erfindungsgemäßen
Verfahren,
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- die Figur 5 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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- die Figur 6 zeigt die verschiedenen Herstellungsschritte des
optischen Filters gemäß einer zweiten Ausführungsart,
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- die Figur 7 zeigt im Schnitt eine Herstellungsvariante eines
erfindungsgemäßen optischen Filters,
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- die Figur 8 zeigt im Schnitt eine Herstellungsvariante des
erfindungsgemäßen Filters, und
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- die Figur 9 zeigt die Herstellungsschritte eines optischen
Filters gemäß einer Herstellungsvariante.
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Das erfindungsgemäße integrierte optische Monomode-
Raumfilter, dargestellt in den Figuren 1 ünd 2, umfaßt auf einem
Substrat 2 einen optischen Mikroleiter 4, der in der zur
Oberfläche 3 des Substrats parallelen Ebene P einen gekrümmten
Teil 6 aufweist, längs dem sich zwei Absorber 8 und 10 erstrecken.
Diese Absorber sind beiderseits des Mikroleiter in der Ebene P
angeordnet, und ihre dem Mikroleiter gegenüberstehende Seite
umfaßt Zähne 16 beziehungsweise 18. Die Zähne 16 und 18 sind
unregelmäßig beabstandet und/oder gegenseitig versetzt, so daß es
bezüglich der optischen Achse 17 des Filters keine geometrische
Symmetrie gibt.
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Der seitliche Abstand D, gemessen in der Ebene P, zwischen
dem Eingang E und dem Ausgang S des Mikroleiters, wird zwischen 20
und 50µm gewählt. Außerdem wird die Tiefe h der Zähne jedes
Absorbers zwischen 5 und 20µm gewählt, entsprechend der seitlichen
Einschließung
der in Betracht gezogenen geleiteten Moden. Schließlich
beträgt der Mindestabstand d, der jeden Absorber von den Rändern
des Mikroleiters trennt, also der Abstand, der das Ende der Zähne
von den Rändern des Mikroleiters trennt, 3 bis 10µm.
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In seiner einfachsten Ausführung, z.B. dargestellt in der
Figur 2, wird der Mikroleiter 4 gebildet durch eine Leiterschicht
20, eingefügt zwischen eine Pufferschicht 22 und eine Oberschicht
24, generell Superstrat genannt, wobei die Pufferschicht 22 sich
zwischen der Leiterschicht 20 und dem Substrat 2 befindet. Die
Pufferschicht 22 und das Superstrat 24 weisen kleinere Brechzahlen
als die der Leiterschicht 20 auf.
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Die in Figur 2 dargestellte Ausführung ist im wesentlichen
bestimmt für eine Leiterstruktur mit starker Indexvariation, d.h.
einer Indexvariation größer als 0,1 zwischen der Leiterschicht und
der Ober- und der Pufferschicht.
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In der Folge des Textes werden die Brechzahlen für eine
Arbeitswellenlänge von 800nm angegeben.
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Zum Beispiel ist das Substrat 2 aus monokristallinem
Silicium; die Pufferschicht 22 aus nicht absichtlich dotiertem
Siliciumoxid von 1 bis 12µm Dicke; erhalten durch thermische
Hochdruckoxidation des Substrats oder durch plasmaunterstützte
chemische Gasphasenabscheidung (PECVD); die Leiterschicht (20) ist
eine Siliciumnitridschicht von 100 bis 400nm Dicke, erhalten durch
Niederdruck-CVD oder Plasma-CVD; das Superstrat 24 ist eine nicht
absichtlich dotierte Siliciumoxidschicht von 1 bis 6µm,
abgeschieden durch PECVD. Das nicht absichtlich dotierte Siliciumdioxid hat
eine reale Brechzahl von 1,45 und das Siliciumnitrid eine
Brechzahl von annähernd 2.
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Es ist möglich, die Leiterschicht aus Siliciumnitrid zu
ersetzen durch Siliciumoxinitrid der Formel SiO N mit 0< x< 2 und
0< y< 4/3, deren Brechzahl enthalten ist zwischen 1,46 und 2, je
nach x und y-Zusammensetzung. Man kann als Leiterschicht auch
Aluminiumoxid verwenden, dessen reale Brechzahl 1,65 ist, oder ein
organisches Material wie etwa PMMA und die Polyimide, deren
Brechzahlen zwischen 1,45 und 1,7 enthalten sind.
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Bei der Ausführung der Figur 2 wird die Form des
Mikroleiters festgelegt durch eine Ätzung des Superstrats 24 nach einem
gewünschten Muster. Diese Ätzung erfolgt über die gesamte Breite
der Oberschicht 24.
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Sie wird ausgeführt durch reaktives lonenätzen mit einem
CHF&sub3;-Plasma für reines Siliciumdioxid.
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Die Absorber 8 und 10 werden gebildet durch eine Schicht
aus Metall und insbesondere Aluminium mit ungefähr 100nm Dicke,
durch Sputtern abgeschieden auf der Gesamtheit der Struktur. Die
Form der Absorber erhält man durch Trockenätzen der absorbierenden
Schicht entsprechend dem gewünschten Muster; diese Ätzung ist vom
Typ Reaktives Ionenätzen mit einem CCl&sub4;-Plasma (generell Chlorgas)
für Aluminium. Man kann für Aluminium ebenfalls eine Naßätzung
benutzen, indern man eine H&sub3;PO&sub4;-Lösung verwendet.
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Der Krümmungsradius des gekrümmten Teils 6 des Mikroleiters
4 sowie die Längen L und L' der geradlinigen Teile des
Mikroleiters werden so gewählt, daß die Verluste der ersten geleiteten
Mode minimal sind und daß die Verluste der anderen Moden maximal
sind.
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In der Praxis weist der Mikroleiter 4 eine S-Form auf, wie
in Figur 3 als Draufsicht dargestellt. In dieser Figur trägt das 5
das Bezugszeichen 6a und die Absorber 8 und 10 passen sich der
Form des 5 an.
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Jegliches Störlicht, erzeugt entweder in dem Substrat 2
oder als planare geleitete Mode beiderseits des Mikroleiters,
insbesondere in dem den Mikroleiter von den Absorbern trennenden
Zwischenraum d (Figur 2), am Eingang E des Mikroleiters, kann sich
nur geradlinig ausbreiten. Aufgrund der S-Form des Mikroleiters
wird es unvermeidlich von den Absorbern eliminiert.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführung sind der
Mikroleiter und folglich das optische Filter nicht gegen die Umgebung
geschützt. Um die Wirksamkeit des Filters zu verbessern, verwendet
man generell einen durch ein Dielektrikum geschützten Mikroleiter.
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In Figur 4 ist schematisch ein erstes Herstellungsverfahren
eines optischen Filters mit geschütztem Mikroleiter dargestellt.
Diese Herstellung betrifft einen Mikroleiter mit starker
Indexvariation. Die verwendeten Materialien sind die in bezug auf die
Figur 2 beschriebenen.
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Nach aufeinanderfolgenden Abscheidungen der Pufferschicht
22, der Leiterschicht 20 und der Oberschicht 24 durch die
vorhergehend
genannten Techniken führt man eine anisotrope Ätzung der
Oberschicht 24 entsprechend der gewünschten S-Form nach den
klassischen Photolithographieverfahren durch.
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Anschließend scheidet man auf der gesamten Struktur ein
Dielektrikum 26 ab, wie dargestellt in dem Teil a der Figur 4. Das
Dielektrikum 26 muß eine reale Brechzahl aufweisen, die höchstens
gleich der der Oberschicht 24 ist. Zum Beispiel kann das
Dielektrikum aus Siliciumdioxid sein, das nicht absichtlich dotiert ist
oder mit Fluor dotiert ist, um so die Brechzahl des
Siliciumdioxids kleiner zu machen. Die Dotierung erfolgt mit 10²¹ bis 10²²
Dotierstoffatomen pro cm³.
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Die Dicke der Schicht 26 muß größer als die der Schicht 24
sein und beispielsweise gleich 1 bis 10µm.
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Diese Schicht aus Dielektrikum 26 erhält man mittels LPCVD
oder PECVD.
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Der folgende Schritt des Verfahrens besteht darin, die
Schutzschicht 26 beiderseits des Mikroleiters 4 zu ätzen
entsprechend der für die Absorber gewünschten gezahnten Form. Zu diesem
Zweck bildet man durch Photolithographie auf der Schicht 26 eine
Harzmaske 27, die die zu bewahrende Zone der Schicht 26 schützt.
Diese Maske weist an den Flanken Zähne auf, die man durch
anisotropes Ätzen in die Schicht 26 überträgt.
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Diese Ätzung ist ein reaktives Ionenätzen mit Fluorgasen
wie z.B. CHF&sub3; als Angriffsmittel.
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Nach dem Eliminieren der Maske 27 erhält man die Struktur
der Figur 4-b. Man scheidet dann auf isotrope Weise eine
absorbierende Metallschicht 28 von 100nm Dicke auf der gesamten
Struktur ab, die zur Bildung der Absorber bestimmt ist. Die
isotrope Abscheidung ermöglicht dieser Schicht 28, sich der
gezahnten Form der geätzten Schicht 26 anzupassen und so die Zähne
der Absorber zu bilden.
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Die Ätzung der Schutzschicht 26 beiderseits des
Mikroleiters 4 ermöglicht dem geleiteten Störlicht "die Absorber zu sehen"
und ist folglich unverzichtbar.
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Das Ätzen der Schutzschicht kann partiell sein, d.h. es
bleibt ein Dicke H aus Dielektrikum über der Leiterschicht 20, wie
dargestellt im Teil c der Figur 4, oder auch total sein, was H=0
entspricht. In der Praxis wird H kleiner gewählt als die
Penetrationsdistanz
der abklingenden bzw. schwindenden Welle der in der
Schicht 26 geleiteten Mode. Insbesondere muß für eine geleitete
Wellenlänge von 800nm H kleiner sein als 100nm für eine
Leiterschicht 20 aus Si&sub3;N&sub4; von 150nm Dicke und eine Schicht 26 aus SiO&sub2;.
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Wenn der Schutz des Mikroleiters 4 total ist, d.h. wenn das
geleitete Licht vollkommen von der Außenseite isoliert ist, was
einer ausreichenden Dicke der Schicht 26 über dem Mikroleiter 24
entspricht, kann die absorbierende Schicht 28 nicht geätzt werden,
um zwei verschiedene bzw. getrennte Absorber zu bilden. In diesem
Fall ist die Struktur des optischen Filters die der Figur 4-b.
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Im gegenteiligen Fall führt man eine anisotrope Ätzung der
absorbierenden Schicht 28 durch, um das absorbierende Material nur
auf den "Füßen" des Dielektrikums 26 zu behalten, wie dargestellt
in Figur 4-c, und so zwei getrennte Absorber 8 und 10 zu bilden.
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Ein vorteilhaftes Verfahren, dargestellt in Figur 5,
besteht darin, die Absorber 8 und 10 beiderseits des Mikroleiters
4 unmittelbar nach der Ätzung der die Form des Mikroleiters 4
definierenden Oberschicht 24 zu bilden. Nach Abscheidung einer
absorbierenden Schicht auf der gesamten Struktur und dann Ätzung
entsprechend den gewünschten gezahnten Mustern zum Herstellen der
Absorber 8 und 10, scheidet man auf der gesamten Struktur die
Schutzschicht 26 ab.
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Dieses Verfahren ist nur anwendbar, wenn das Dielektrikum
der Schicht 26 nach dem absorbierenden Material abgeschieden
werden kann, was vor allem der Fall ist für eine Schicht 26 aus
SiO&sub2;, abgeschieden durch PECVD, und eine absorbierende Schicht aus
Aluminium. Generell ist dieses Verfahren nicht anwendbar auf
Dielektrika, deren Abscheidungstemperaturen höher sind als die
Schmelztemperatur des Metalls.
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Das erfindungsgemäße optische Filter, dargestellt als
Draufsicht in den Figuren 1 und 3, kann auch in einer Struktur mit
schwacher Indexvariation hergestellt werden, d.h. mit
Indexdifferenzen kleiner als 0,02 zwischen der Leiterschicht und der
Puffer- und der Oberschicht.
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Obwohl das mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 beschriebene
Verfahren auf Strukturen mit schwacher Indexvariation angewandt
werden kann, werden die anschließend mit Bezug auf die Figuren 6
bis 9 beschriebenen Verfahren bevorzugt.
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Die Herstellung der Strukturen mit schwacher Indexvariation
unterscheidet sich wesentlich von der der Strukturen mit starker
Indexvariation, da die Form und die Dimensionen des Mikroleiters
nicht mehr durch Ätzen der Oberschicht bzw. des Superstrats
definiert werden, sondern durch Ätzen der Leiterschicht.
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Die Figur 6 stellt schematisch die verschiedenen Schritte
eines ersten Herstellungsverfahrens eines optischen Raumfilters in
einer Struktur mit schwacher Indexvariation dar.
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Dieses Verfahren, wie dargestellt im Teil a, besteht darin,
nacheinander die Pufferschicht 22 und die Leiterschicht auf dem
Substrat 2 abzuscheiden und die Leiterschicht zu ätzen, um die S-
Form und die Dimensionen des Mikroleiters 4a festzulegen. Die
geätzte Leiterschicht trägt das Bezugszeichen 20a. Man scheidet
anschließend auf der gesamten Struktur die Oberschicht 24a ab.
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Die Leiterschicht kann über ihre ganze Dicke geätzt werden,
wie dargestellt in Figur 6, oder auch nur teilweise, wie
dargestellt in Figur 75 Die geätzte Leiterschicht der Figur 7
trägt das Bezugszeichen 20b und der Mikroleiter entspricht dem
Bezugszeichen 4b. Die Dicke h' der Leiterschicht beiderseits des
Mikroleiters 4b muß kleiner sein als ein Wert h'max, so daß die
Planarleitungsverluste bei den Störmoden so hoch wie möglich sind.
Zum Beispiel wird für eine Pufferschicht von 8µm Dicke, eine
Schicht 20b von 2µm Dicke und einer Indexdifferenz von 10&supmin;² die
Dicke h' kleiner als 500nm gewählt.
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Der folgende Schritt des Verfahrens, dargestellt im Teil b
der Figur 6 besteht darin, das Superstrat beiderseits des
Mikroleiters 4a zu ätzen entsprechend der für die Ausführung der
Absorber gewünschten gezahnten Form. Die geätzte Oberschicht trägt
das Bezugszeichen 24a.
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Die gezahnte Form erhält man dank einer Maske 27, welche
die Zone der Schicht 24 maskiert, deren Ränder gezahnt sind, und
dank einer anisotropen Ätzung der Schicht 24, um diese Zähne in
diese letztere zu übertragen.
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Wie für die Schutzschicht 26 der Figur 4-a kann die Ätzung
der Oberschicht partiell oder total durchgeführt werden, wobei die
Höhe H' des auf der Pufferschicht 22 verbleibenden Materials
kleiner ist als die Eindringtiefe der abklingenden bzw. schwindenden
Welle der in dem Mikroleiter 4a geleiteten Mode in die Schicht
24a. Man beseitigt anschließend die Maske 27.
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Wie dargestellt im Teil c scheidet man anschließend auf
isotrope Weise insbesondere aus Metall eine absorbierende Schicht
von 5 bis 15nm ab, die sich an die gezahnte Form der geätzten
Schicht 24a anpaßt, die man ätzt, um beiderseits des Mikroleiters
14a die Absorber 8 und 10 zu bilden.
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Anschließend, wie dargestellt im Teil d, scheidet man auf
der gesamten Struktur ein Dielektrikum 26a ab, dessen realer
Brechungsindex kleiner ist oder gleich dem des Superstrats 24a.
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Beispielsweise umfaßt eine Struktur mit schwacher
Indexvariation eine Schicht 22 aus nicht absichtlich dotiertem
Siliciumoxid mit dem Index 1,45 von 8 bis 10µm Dicke, erzeugt
durch thermische Oxidation eines Substrats 2 aus Silicium oder
PECVD; eine geätzte Leiterschicht 20a aus Siliciumoxid, dotiert
mit Phosphor, Germanium, Stickstoff oder Titan, von 1 bis 10µm mit
einem realen Brechungsindex von 1,46; eine geätzte Oberschicht 24a
aus nicht absichtlich dotierem Silicium von 2 bis 10µm.
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Die Schichten aus reinem oder dotiertem Siliciumdioxid
erhält man durch PECVD oder LPCVD. Die Absorber 8 und 10 sind z.B.
aus Aluminium von 5nm Dicke und das Dielektrikum 26a ist
insbesondere ein nicht absichtlich dotiertes Siliciumoxid, abgeschieden
durch LPCVD oder PECVD und hat eine Dicke von 2 bis 15µm.
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Wenn die Oberschicht 24a eine ausreichende Dicke aufweist,
um das geleitete Licht vollkommen von der Außenseite zu isolieren,
kann das zur Absorption des Störlichts bestimmte Metall die
Struktur ganz überdecken, wie dargestellt in Figur 8. Diese
durchgehende Metallschicht trägt das Bezugszeichen 28a. Dies
vermeidet den technologischen Schritt des Ätzens der
Metallschicht. Dies ist insbesondere der Fall für ein Superstrat 24a von
10µm Dicke für eine Benutzungswellenlänge von 800nm und einer
Indexvariation zwischen der Leiterschicht und der Ober- und der
Pufferschicht von mehr als 7.10&supmin;³.
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Bei der im Teil d der Figur 6 und der Figur 8 dargestellten
Ausführungsart werden die Absorber gebildet durch die geätzte oder
nicht-geätzte Metallschicht, bedeckt vom Dielektrikum 26a; dieses
letztere ermöglicht, die Absorption des Störlichts durch das
Metall zu verstärken.
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Ein zweites Herstellungsverfahren eines optischen Filters
auf einer erfindungsgemäßen Leiterstruktur mit schwacher
Indexvariation ist in Figur 9 dargestellt. Dieses Verfahren
unterscheidet sich von dem in den Figuren 6 und 8 dargestellten durch die
Art der verwendeten Absorber.
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Ebenfalls scheidet man nach dem Ätzen der Superstratschicht
24a (partiell oder total) entsprechend dem gewünschten Muster
(Maske 27) zum Festlegen der Form der Absorber auf der gesamten
Struktur eine dicke absorbierende Schicht 30 aus Dielektrikum oder
Halbleitermaterial ab, deren realer Brechungsindex n dem
Brechungsindex n' der Oberschicht 24a nahekommt, und der imaginäre
Brechungsindex n" dieses Materials 30 ist derart, daß
um die Lichtreflexionen an der Grenzfläche Mikroleiter-Absorber zu
minimieren und somit ihre Streuung bzw. ihr Entweichen in Richtung
absorbierendes Medium zu begünstigen.
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Für eine nicht absichtlich dotierte Superstratschicht 24a
aus SiO&sub2; ist das Dielektrikum 30 z.B. ein absorbierendes Polymer
von 10 bis 20µm Dicke und insbesondere lichtempfindliche Harze,
dotiert mit Farbstoffen, die das Licht mit den
Benutzungswellenlängen absorbieren.
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Wenn die Schicht 24a ausreichend dick ist für ein optische
Isolierung des Mikroleiters, muß die Dielektikurnsschicht 30 nicht
geätzt werden. Im gegenteiligen Fall, dargestellt im Teil b der
Figur 9, wird diese Schicht 30 geätzt, um beiderseits des
Mikroleiters 4a Absorber 8 und 10 zu bilden.
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Die Ätzung der dielektrischen Schicht 30 muß durchgeführt
werden bei einer Superstratschicht 24a aus reinem Siliciumdioxid,
deren Dicke kleiner ist als 10µm für eine Wellenlänge von 800nm
und einer Indexvariation kleiner als 7.10&supmin;³.