DE69128045T2

DE69128045T2 - Vor Umwelteinflüssen geschützte integrierte optische Komponente und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69128045T2
Application number: DE69128045T
Authority: DE
Inventors: Adeline Fournier; Pierre Gidon; Serge Valette
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1990-04-03
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2011-04-03
Also published as: JPH04230708A; FR2660440B1; EP0451047B1; FR2660440A1; CA2039526A1; DE69128045D1; US5210801A; EP0451047A1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine aktiv oder passive optische Komponente in integrierter Optik sowie ihr Herstellungsverfahren zum Gegenstand. Ihre Anwendung findet sie auf dem Gebiet der Echtzeitverarbeitung von Radarsignalen, z.B. in Korrelatoren Spektralanalysatoren oder Interferometern, auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen, z.B. für das Multiplexing oder Demultiplexing von Lichtsignalen, und auf dem Gebiet der Lichtleitfasernsensoren.
Die erfindungsgemäße integrierte optische Komponente kann ein Spiegel, eine Teilerplatte bzw. ein Strahlteiler, ein Beugungsgitter, eine Fokussierlinse oder ein Mikroleiter sein, sowie alle Typen von integrierten optischen Komponenten, die ein Beugungsgitter umfassen, wie z.B. optische Koppler, wobei diese optischen Koppler insbesondere in Polarisationsseparatoren und Polarisationswandlern bzw. -umsetzern benutzt werden können.
Es ist generell immer sehr schwierig, in Lichtleitern integrierte optische Komponenten herzustellen, da die Änderungen der effektiven Brechzahl, die sich auf die geleiteten Lichtsignale auswirken, ziemlich schwach sind. Dies zwingt dazu, unter oft speziellen geometrischen Bedingungen zu arbeiten oder auch neue Typen von Komponenten zu definieren, die an die zu lösenden speziellen Probleme angepaßt sind.
Bei einem kompletten integrierten optischen System benutzt man sehr oft einen Strahlteiler. Ein Ausführungsbeispiel eines Strahlteiler in integrierter Optik, wie beschrieben in dem Dokument FR-A-2 613 826 desselben Anmelders, ist in Figur 1 dargestellt. Der Teil a der Figur 1 ist eine Schnittansicht des Strahlteiler und der Teil b eine Draufsicht.
Der Lichtleiter, in dem der Strahlteiler ausgebildet ist (Teil a), wird durch ein Substrat 2 aus Silicium gebildet, bedeckt von einer Puffer- oder Unterschicht 3 aus nichtdotiertem Siliciumdioxid, dann von einer Leiterschicht 4 aus Si&sub3;N&sub4; mit einer höheren Brechzahl als die Unterschicht 3. Eine Oberschicht 5 aus nichtdotiertem Siliciumdioxid, deren Brechzahl kleiner ist als die der Leitschicht 4, vervollständigt die Struktur des Leiters.
Der Strahlteiler 6 wird durch einen in der Oberschicht 5 vorgesehenen Graben gebildet, dessen Tiefe in dieser Darstellung gleich der Dicke der Oberschicht 5 ist.
Bei dieser Ausführung kann man zwei verschiedene Leiterstrukturen definieren: eine Struktur (1) Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2; mit der effektiven Brechzahl N1eff, und eine Struktur (2) Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/Luft mit der effektiven Brechzahl N2eff. Die effektive Brechzahl einer Struktur hängt ab von den Brechzahlen der sie bildenden Schichten und von ihrer Dicke.
Im Teil b der Figur 1 stellt 1 den einfallenden Lichtstrahl, R den reflektierten Lichtstrahl und T den vom Strahlteiler 6 durchgelassenen Lichtstrahl dar, und N stellt die Normale zum Strahlteiler 6 dar. Diese Strahlen werden durch die Leiterschicht 4 geleitet.
Man kann an der Grenzfläche der Strukturen (1) und (2) nur dann einen großen Reflexionskoeffizienten haben, wenn der Einfallwinkel A ähnlich wie oder größer als der Grenzwinkel Al ist.
Der Totalreflexions-Grenzwinkel Al, wie berechenbar in einem Modell einer ebenen Welle, wird definiert durch die Gleichung (1):
(1) Al = Arcsin N2eff/N1eff
Je größer die Differenz N1eff-N2eff ist, um so weiter entfernt sich der Winkel Al von n/2.
Bei der Ausführungsart der Figur 1 und für eine Wellenlänge des einfallenden Strahls bzw. Bündels von 800nm und einer Dicke der Leiterschicht 4 von 160nm erhält man N1eff ungefähr 1,69 und N2eff ungefähr 1,65 und Al beträgt folglich ungefähr 77º.
Indem man Luft durch MgF&sub2; ersetzt, das eine Brechzahl von 1,38 hat, die kleiner ist als die des undotierten Siliciumdioxids, welche ungefähr 1,45 betrgt, erhält man eine effektive Brechzahl N2eff von 1,68 und folglich einen Winkel Al von ungefähr 84º. Dieses Ersetzen der Luft durch MgF&sub2; wird durch das oben erwähnte Dokument gelehrt.
Die Verwendung von Luft als Oberschicht des Lichtleiters mit der Brechzahl 1 ermöglicht, große Unterschiede der effektiven Brechzahl zu erhalten und folglich mit kleinen Einfallwinkeln zu arbeiten.
Der Vorteil, mit kleinstmöglichen Winkeln Al zu arbeiten besteht darin, die übertragenen und reflektierten Strahlen bzw. Bündel durch Vergrößerung des sie trennenden Winkels besser trennen zu können.
Leider ist ein solcher Strahlteiler, der als Oberschicht Luft benutzt, überhaupt nicht gegen Außenverschmutzung geschützt.
Diese Probleme existieren auch bei anderen Leiterstrukturen, d.h. bei anderen als den oben angegebenen Materialien sowie bei Gräben 6, die sich in der Schicht 4 und sogar der Schicht 3 fortsetzen.
So bestehen diese Nachteile auch bei Beugungsgittern, gebildet nur durch eine Aufeinanderfolge voneinander abstandsgleicher Strahlteiler, die als Komponenten sehr verbreitet sind in der integrierten Optik sowie bei Spiegeln und Fokussierlinsen.
Außerdem kennt man gegenwärtig nicht viele Festkörpermaterialien, die eine Brechzahl aufweisen, die niedriger als die von Siliciumdioxid ist und die erlauben würde, die Luft in der Leitstruktur zu ersetzen, was die Herstellung der integrierten optischen Komponenten in diesem Material sehr begrenzt.
Man kennt gegenwärtig nur das MgF&sub2;, um die Luft in den Leitstrukturen (1) und (2) zu ersetzen. Leider ist die Anwendung dieses Materials nicht einfach, da es bei einer Dicke von über 200-300nm rissig wird und die Differenzen der effektiven Brechzahlen, die es bewirkt, im allgemeinen zu klein sind.
Außerdem ist es nicht möglich, Monomodestrukturen herzustellen, die einerseits mit den Laserdioden und andererseits mit optischen Fasern kompatibel sind. Die Laserdioden benutzen nämlich Leitstrukturen, die zwischen dem Kern und dem Umgebungsmedium sehr große Brechzahländerungen aufweisen, während die optischen Fasern kleine Brechzahländerungen haben (in der Größenordnung 4.10&supmin;³ bis 10&supmin;²). Die Lichteinschließung ist folglich sehr unterschiedlich: 1µm oder weniger (in Richtung des Übergangs) für die Laserdiode und 5 bis 9µm für die optischen Fasern.
Um diese Elemente an ein und denselben Lichtleiter anzuschließen, ist es auch nötig, daß dieser letztere zugleich je nach dem Typs des anzuschließenden Elements ein Leiter mit kleiner Brechzahländerung und ein Leiter mit großer Brechzahländerung ist. Nun ist dies mit einer einzigen Leiterstruktur nicht möglich, sondern nur mit zwei gekoppelten Leiterstrukturen.
Leider ist es sehr schwierig, Lichtenergie zwischen zwei Lichtleitern mit sehr unterschiedlichen Modenleitprofilen auszutauschen und die erzielten Wirkungsgrade sind sehr gering. Dieser Energietransfer kann nämlich auf bekannte Weise durch eine Ende-zu-Ende-Kopplung erfolgen, bei der die Gesamtheit der Überlagerung zwischen den Lichtamplituden der beiden geleiteten Moden sehr gering ist (daher kleiner Wirkungsgrad), oder durch eine Gleichrichtungs-Kopplung, wobei dann aber die Fortpflanzungs- bzw. Ausbreitungskonstanten (insbesondere die Phasengeschwindigkeit) der in den beiden Lichtleitern geleiteten Moden sehr verschieden sind, was keine Kopplung ermöglicht.
Bei einer Gleichrichtungs-Kopplung sind die beiden Strukturen gestapelt.
Bekanntlich kann man die Gleichrichtungs-Kopplung von zwei Leiterstrukturen verbessern, indem man eine periodische Struktur des Gittertyps benutzt, die die Anpassung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten zwischen den zu koppelnden Moden gewährleistet. Eine solche Kopplung wird insbesondere in dem Dokument FR-A-2 579 044 desselben Anmelders beschrieben. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß sie zu einer Wellenlängen-Empfindlichkeit führt, die bei ihrer Anwendung in einem realen optischen System störend sein kann.
Die genaue Aufgabe der Erfindung ist eine integrierte optische Komponente und deren Herstellungsverfahren, wobei die oben erwähnten Nachteile beseitigt werden. Insbesondere ist diese optische Komponente gegen die Umgebung geschützt und gewährleistete dabei große Änderungen der effektiven Brechzahl.
Außerdem, wenn diese Komponente ein Gitter ist, kann sie für eine effiziente Gleichrichtungs-Kopplung zweier gestapelter optischer Leiter benutzt werden, die sehr unterschiedliche Modenleitprofile haben.
Zudem kann die erfindungsgemäße Komponente aus einer größeren Anzahl von Materialien hergestellt werden als diejenigen der vorhergehendenen Technik, und ihre Herstellung ist sehr viel weniger kritisch.
Man kennt durch "Patent Abstracts of Japan", Bd. 11, Nr. 303, Oktober 1987, und JP-A-6294823 einen optischen Modulator des Typs Wellenleiter, der einen mit einem Flüssigkristall gefüllten und durch eine Elektrode überdeckten Zwischenraum aufweist.
Weiters kennt man durch EP-A-0207725 einen optischen Schalter, der einen Wellenleiter umfaßt, der einen Kanal enthält, der mit einem Schaltmaterial gefüllt und ebenfalls durch eine Elektrode überdeckt ist.
Noch genauer hat die Erfindung eine integrierte optische Komponente nach Anspruch 1 zum Gegenstand.
Die Isolation der Komponenten gegenüber dem Außenmedium ermöglicht die Durchführung weiterer technologischer Schritte, unabhängig vom Vorhandensein dieser Komponenten.
Das in dem Hohlraum eingeschlossene Gas ermöglicht eine größere lokale Modifikation der effektiven Brechzahl des Lichtleiters als bei den Komponenten der vorhergehenden Technik. Außerdem wird diese lokale Modifikation der effektiven Brechzahl nur durch das Gas des Hohlraums bestimmt und ist keinen durch die Umgebung verursachten Störungen ausgesetzt.
Die Verwendung eines Gases mit einer niedrigeren Brechzahl, niedriger als die der Einschließungsschicht, hat den Vorteil, die Anzahl der geleiteten Moden der Anfangsstruktur des Lichtleiters nicht zu modifizieren. Dies bedeutet, daß eine Monomode struktur gegenüber dem Hohlraum eine Monomodestruktur bleibt.
Da die durch den Hohlraum erzeugte Brechzahldifferenz negativ ist, existiert das Licht in den Komponenten des Typs Gitter oder Koppler nur in gedämpfter bzw. abklingender Form. Dies sichert eine gute Wiederholbarkeit der angestrebten Leistungen infolge einer Verringerung z.B. der Empfindlichkeit gegenüber der Dicke des Hohlraums.
Als Gas kann man ein neutrales oder inertes Gas wie z.B. Argon, Neon, Hehum oder Stickstoff verwenden; man kann aber auch Luft benutzen oder sogar Vakuum. Die Gase haben alle eine niedrigere Brechzahl als Siliciumdioxid, gleich oder nahezu 1. Die Gase haben außerdem den Vorteil, langfristig keine chemischen Reaktionen mit den Materialien der integrierten Struktur einzugehen und folglich nicht die für die Struktur angestrebten physikalischen Eigenschaften zu modifizieren.
Vorteilhafterweise benutzt man Luft als Füllstoff Ihre Brechzahl gleich 1 ermöglicht, sie mit einer großen Anzahl von Materialien zusammenzubringen und eine große Differenz der effektiven Brechzahl sicherzustellen.
Es ist auch möglich, als Füllstoff Gase oder Dämpfe zu benutzen, die spezielle Absorptionslinien aufweisen, die man z.B. optisch sättigen kann (Anregung der diesen Absorptionslinien entsprechenden Energieniveaus) wie z.B. Helium, Neon, Natrium- oder Rubidiumdämpfe.
Die Werte der während der gesamten Beschreibung erwähnten Brechzahlen entsprechen eine Wellenlänge von 800nm.
Die erfindungsgemäße optische Komponente kann ein Spiegel sein. In diesem Fall erstreckt sich der Hohlraum vorteilhafterweise von der Oberschicht zur Unterschicht des Lichtleiters.
Die erfindungsgemäße optische Komponente kann auch ein Strahlteiler oder eine Fokussierlinse sein.
Die Abmessungen und die Form des Hohlraums definieren die optischen Eigenschaften der Komponente.
Bei einer Linse und einem Strahlteiler befindet sich der Hohlraum in wenigstens einer der Schichten der Leiterstruktur.
Die optische Komponente kann auch ein zur seitlichen Einschließung des Lichts bestimmter Mikroleiter sein.
Wenn die optische Komponente ein Beugungsgitter ist, umfaßt dieses letztere mehrere vorzugsweise parallel zueinander angeordnete Hohlräume, von denen jeder mit einem Stoff mit jeweils einer anderen Brechzahl gefüllt ist; diese Hohlräume bilden die Gitterlinien und sind in irgendeiner der Schichten der Struktur ausgebildet.
Dieser letztere Komponententyp kann vorteilhafterweise benutzt werden, um zwei übereinanderliegende Lichtleiter mit einem durchaus zufriedenstellenden Energietransfer-Wirkungsgrad zu koppeln.
Die Kopplungsstärke eines Gitters ist proportional zur Brechzahldifferenz zwischen dem Gas, das vor allem in den Hohlräumen enthalten ist, und dem Material, in dem diese Hohlräume ausgebildet sind. Zudem gilt, daß die Anzahl der Linien um so kleiner sein kann, je größer diese Brechzahldifferenz ist.
Ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter mit starkem Kopplungskoeffizienten ermöglicht die Kopplung von zwei übereinanderliegenden Lichtleitern mit sehr unterschiedlichem Modenleitprofil, wobei ein erster Leiter aus einer ersten Oberschicht und einer ersten Unterschicht besteht, angeordnet beiderseits einer ersten Leiterschicht mit einer höheren Brechzahl als die der ersten Unter- und Oberschicht, und ein zweiter Leiter aus einer zweiten Oberschicht und einer zweiten Unterschicht besteht, angeordnet beiderseits einer zweiten Leiterschicht mit einer höheren Brechzahl als die der zweiten Unter- und Oberschicht, und dabei die erste Oberschicht und die zweite Unterschicht ein und dieselbe Schicht bilden, die sogenannte Kopplungsschicht, und das Gitter sich in dieser Kopplungsschicht befindet.
Ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter ermöglicht auch die Kopplung von zwei Leitern mit sehr unterschiedlichem Modenleitprofil, die gestapelt eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Schicht umfassen, wobei die zweite und die dritte Schicht jeweils die Leiterschichten des ersten und des zweiten Leiters bilden und höhere Brechzahlen aufweisen als die erste und die vierte Schicht, und die Brechzahl der zweiten Schicht sich außerdem unterscheidet von der der dritten Schicht, wobei diese dritte Schicht Hohlräume umfaßt, die mit einem Gas gefüllt sind, dessen Brechzahl niedriger ist als die der dritten Schicht.
Bei einer Leiterstruktur mit einem kleinem Brechzahisprung beträgt der typische Brechzahlunterschied zwischen der Leiterschicht und den angrenzenden Schichten 5.10&supmin;³ bis 2.10&supmin;², und bei einer Leiterstruktur mit einem großen Brechzahlsprung beträgt dieser typische Brechzahlunterschied zwischen 10&supmin;¹ und 5.10&supmin;¹.
Ein Leiter mit einer großen Brechzahländerung besteht z.B aus Unter- und Oberschicht aus undotiertem Siliciumdioxid der Brechzahl 1,45 oder mit Phosphor und/oder Bor dotiert und der Brechzahl 1,46, und aus einer Leiterschicht aus Siliciumnitrid der Brechzahl 2,01 oder auch aus Siliciumoxinitrid (SiOxNy mit 0< x< 2 und 0< y< 4/3) der Brechzahl 1,45 bis 2, aus Aluminiumoxid der Brechzahl 1,65 oder aus organischen Materialien wie z.B. PMMA (Polymethylmethacrylat) oder den Polyimiden, deren Brechzahl von 1,45 bis 1,7 variiert.
Ein Lichtleiter mit geringer Brechzahländerung wird insbesondere durch Unter- und Oberschicht aus Siliciumdioxid gebildet, undotiert oder mit Fluor und/oder Bor dotiert, und einer Leiterschicht aus Siliciumdioxid, mit Germanium, Titan, Stickstoff oder Phosphor dotiert.
Die Dotierung des Siliciumdioxids durch Bor oder Fluor verkleinert seine Brechzahl, während die Dotierung durch Germanium, Phosphor, Stickstoff oder Titan die Brechzahl des Siliciumdioxids vergrößert.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Beugungsgitters mit einem sehr starken Kopplungskoeffizienten und folglich einer geringen Anzahl Linien (5 bis 25 Linien) ermöglicht die Kopplung zwischen dem optischen Leiter mit großer Brechzahländerung und dem optischen Leiter mit kleiner Brechzahländerung mit einer wesentlich geringeren Wellenlängenempfindlichkeit als diejenigen der vorhergehenden Technik und auf jeden Fall kompatibel mit den Lichtquellen, deren Emissionsspektrum Breiten von 10 bis 20 nm hat.
Vorteilhafterweise können die Gitter im Reflexionsmodus arbeiten, was den Vorteil hat, sie wenig empfindlich für die technischen Fehler zu machen (Gitterteilung, Breite der Hohlräume, effektive Brechzahlen der geleiteten Moden).
Außerdem arbeiten die Spiegel und Strahlteiler der Erfindung vorteilhafterweise nahe dem Grenzwinkel der Totalreflexion Al.
Die Erfindung hat auch ein Herstellungsverfahren einer wie oben definierten optischen Komponente zum Gegenstand.
Nach einer ersten Durchführungsart umfaßt dieses Verfahren die folgenden Schritte:
- Abscheidung von wenigstens einer ersten Schicht auf der Gesamtheit eines Substrats,
- Herstellung von wenigstens einem Graben in dieser ersten Schicht, dessen Verhältnis Höhe/Länge ≥0,5 ist, und
- chemische Gasphasenabscheidung (CVD) einer zweiten Schicht auf der Gesamtheit der geätzten Schicht, die infolgedessen in dem Graben einen mit Luft gefüllten Hohlraum bildet.
Die zweite Schicht kann eine LPCVD-Schicht oder eine PECVD-Schicht sein.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß diese Technik der isotropen Abscheidung einer Materialschicht in dem Graben zwangsläufig zur Bildung einer Gasblase, im allgemeinen einer Luftblase führte, wenn das Verhältnis Länge/Breite wenigstens gleich 0,5 betrug. Die genaue Zusammensetzung dieser Luft wird selbstverständlich durch die Atmosphäre bestimmt, die in dem Abscheidungsrezipienten herrscht.
Volumen und Form der Luftblase hängen ab dem Verhältnis Höhe/Breite sowie von den Eigenschaften der ersten Schicht.
Außerdem ist es möglich, die Form und das Volumen dieser Luftblase zu verändern, indem man Oberflächenbehandlungen der abgeschiedenen Schichten durchführt. Insbesondere kann man eine Wärmebehandlung der ersten und zweiten Schicht durchführen, um sie zum Fließen zu bringen. Dieses plastische Fließen ist insbesondere bei Siliciumdioxidschichten möglich, die vorteilhafterweise mit Bor, Phospor oder beidern dotiert wurden, um die Behandlungstemperatur abzusenken, bezogen auf die Fließtemperatur des undotierten Siliciumdioxids.
Da es relativ einfach ist, Ätzungen herzustellen, deren Höhe/Breite-Verhälnis die Größenordnung 1 bis 5 aufweisen, stellt man fest, daß die Erzeugung dieser Luftblase absolut unkritisch ist.
Nach einer zweiten Durchführungsart umfaßt das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen optischen Komponente die folgenden Schritte:
(a)- Abscheiden von wenigstens einer ersten Schicht auf der Gesamtheit eines Substrats,
(b)- Herstellen wenigstens eines Grabens in dieser ersten Schicht,
(c)- Abscheiden eines Temporärmaterials in dem Graben und über diesem, das man selektiv eliminieren kann in bezug auf das Substrat, die erste Schicht und eine zweite Schicht,
(d)- Abscheiden der zweiten Schicht auf der in (c) erhaltenen Struktur, und
(e)- Entfernen des Temporärmaterials, infolgedessen sich in dem Graben ein mit Luft gefüllter geschlossener Hohlraum bildet.
Diese zweite Durchführungsart ist viel allgemeiner anwendbar als die erste Durchführungsart, denn sie ermöglicht im Gegensatz zur ersten Durchführungsart die Erzeugung einer Luftblase, deren Verhältnis Höhe/Breite kleiner als 0,5 ist und z.B. von 0,1 bis 0,3 geht.
Außerdem ist diese zweite Methode bezüglich der Form der Blasen viel besser reproduzierbar.
Nach einer dritten Durchführungsart umfaßt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen optischen Komponente die folgenden Schritte:
(A)- Abscheiden einer ersten Schicht auf der Gesamtheit eines Substrats,
(B)- Abscheiden einer Schicht aus Temporärmaterial auf der Gesamtheit der ersten Schicht, die man selektiv ätzen kann in bezugauf diese erste Schicht, eine zweite Schicht und das Substrat,
(C)- Ätzen dieser Temporärschicht, um wenigstens ein Klötzchen aus Temporärmaterial zu bilden,
(D)- Abscheiden der zweiten Schicht auf der in (C) erhaltenen Struktur, und
(E)- Eliminieren des Klötzchens aus Temporärmaterial, infolgedessen sich in dem Graben ein mit Luft gefüllter Hohlraum anstelle des Klötzchens bildet.
Die drei Durchführungsarten sind anwendbar auf die verschiedenen oben erwähnten Typen von optischen Komponenten.
Je nach vorgesehener Anwendung kann man die Luft in dieser Blase nach Abscheidung der zweiten Schicht durch ein Gas ersetzen.
Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, erläuternden und nicht einschränkenden Beschreibung hervor.
Diese Beschreibung bezieht sich auffolgende beigefügte Figuren:
- die Figur 1, schon beschrieben, stellt schematisch einen Strahlteiler in integrierter Optik nach der vorhergehenden Technik dar,
- die Figur 2 zeigt schematisch die verschiedenen Herstellungsschritte eines erfindungsgemäßen Strahlteilers in integrierter Optik,
- die Figuren 3A und 3B zeigen Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Strahlteilers,
- die Figur 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Spiegel in integrierter Optik,
- die Figur 5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter,
- die Figur 7 zeigt schematisch die einer zweiten Ausführungsart entsprechenden verschiedenen Herstellungsschritte eines erfindungsgemäßen Strahlteilers,
- die Figuren 8 bis 11 zeigen schematisch die verschiedenen, vier verschiedenen Ausführungen entsprechenden Herstellungsschritte eines Beugungsgitters für die Gleichrichtungs-Kopplung von zwei übereinanderliegenden Leitern mit unterschiedlichem Modenleitprofil, und
- die Figur 12 zeigt stellt schematisch einen erfindungsgemäßen Mikroleiter dar.
In den Figuren 2 und 3A ist die Herstellung eines erfindungsgemäßen Strahlteilers schematisch dargestellt. In diesen Figuren sieht man ein monokristallines Substrat 14 aus Silicium, auf dem eine nicht absichtlich dotierte Siliciumoxidschicht 16 von 8 bis 12µm erzeugt wurde, z.B. durch thermische Oxidation des Substrats zwischen 800 und 1200ºC unter hohem Druck in Sauerstoffatmosphäre. Die Brechzahl dieser Oxidschicht 16 beträgt ungefähr 1,45.
Durch chemische Gasphasenabscheidung, plasmaunterstützt oder nicht, scheidet man die Leiterschicht 18 aus Siliciumoxid ab, mit Phosphor, Germanium, Stickstoff oder Titan dotiert und eine Dicke von 3,2 bis 10µm aufweisend. Die Phosphordotierung wird sichergestellt durch 10²¹ bis 10²² Atome/cm³. Die Brechzahl dieser Schicht 18 liegt bei 1,46.
Durch die klassischen Lithographieverfahren bildet man eine Maske 19 aus photosensiblem Harz (Teil a, Figur 2) mit einer Öffnung 21, die den Ort des Strahlteilers sowie seine Abmessungen festlegt. Mit Hilfe dieser Maske führt man dann eine anisotrope Ätzung der Schicht 18 in Form eines Graben 22 durch, in der Zone der Schicht 18, die der Öffnung 21 der Maske gegenübersteht. Diese Ätzung ist z.B. eine reaktive Ionenätzung (RIE) mit CHF&sub3; oder CF&sub4; als Angriffs- bzw. Aufschlußmittel.
Sie kann über die gesamte Dicke oder einen Teil der Dicke der Schicht 18 erfolgen oder, wie in Figur 3A dargestellt, sogar die Unterschicht 16 des Leiters erreichen, jedoch ohne bis zum Substrat 14 zu gehen. Der so gebildete Graben trägt das Bezugszeichen 22a.
Mit h ist die Höhe des Grabens bezeichnet und mit w seine Breite. Nach dieser Methode ist das Verhältnis h/w wenigstens gleich 0,5.
Vorzugsweise weist ein Strahlteiler einen zwischen 30 und 70% enthaltenen Reflexionskoeffizienten auf. Grob gesagt genügt es, wenn h in der Größenordnung der Hälfte der räumlichen Ausdehnung (oder räumlichen Breite der geleiteten Mode) ist.
In Figur 2 kann h gleich 3,4p.m sein und w gleich 2,5µm, und in Figur 3A kann h für denselben Wert von w gleich 5µm sein.
Nach der Entfernung der Ätzmaske 19 durch ein Sauerstoffplasma scheidet man eine Siliciumoxidschicht 24 von 1 bis 6µm Dicke ab, nicht absichtlich dotiert oder eventuell dotiert mit einem Dotierstoff, der die Brechzahl des Oxids verringert, z.B. Bor oder Fluor mit Konzentrationen von 10²¹ bis 10²² Atome/cm³.
Diese Schicht wird abgeschieden mittel plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) bei Temperaturen von 300 bis 500ºC durch thermische Zersetzung von Silan und Sauerstoff, oder durch die Niederdruck-CVD-Technik (130 Pa) mit denselben Gasen (LPCVD). Diese Schicht 24 bildet die Oberschicht des Lichtleiters und gewährleistet einen Schutz gegen die Umgebung des Strahlteilers.
Wie im Teil b der Figur 2 und in Figur 3A dargestellt, führt die Abscheidung mittels PECVD oder LPCVD einer Siliciumdioxidschicht zwangsläufig für h/w≥0,5 zu der Bildung eines Hohlraums 26 oder 26a, der die Luft in dem Graben 22 bzw. 22a einschließt. Das Vorhandensein dieser Luftblase hat eine große lokale Veränderung der effektiven Brechzahl der geleiteten Mode zur Folge.
Für h/w< 0,5 ist es sehr schwierig, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Luftblase durch diese Methode zu bestimmen.
Es ist möglich, die Reproduzierbarkeit der Form der Blase zu verbessern, indem man die den Hohlraum enthaltenden Schichten einem plastischen Fließen unterzieht, bestehend aus einer thermischen Behandlung im Ofen bei einer Temperatur zwischen 900 und 1100ºC.
Bei einem geleiteten Lichtbündel von 800nm geht der Reflexionskoeffizient R (Figur 1b) des einmal gebildeten Strahlteilers von 0 auf 95%, wenn h zwischen 0 und 5µm variiert und w auf 2,5µm festgelegt ist. Wenn h=3,4µm, liegen der Transmissions- und der Reflexionskoeffizient des Strahlteilers bei 50% und der Reflexionsgrenzwinkel Al liegt bei 45º.
Es ist auch möglich, wie dargestellt in Figur 3B, den Graben 22c über die gesamte den Leiter bedeckende Oberschicht 24 oder einen Teil von ihr auszubilden. In diesem Fall folgt auf die Ätzung der Schicht 24 die Abscheidung einer nichtdotierten Schicht 28 aus SiO&sub2; von 1 bis 10µm Dicke mittels PECVD oder LPCVD unter denselben Bedingungen wie mit Bezug auf die Figur 2 für die Schicht 24 beschrieben. Es bildet sich so ein mit Luft gefüllter Hohlraum 26e, dessen Form durch das Verhältnis Höhe/Breite des Grabens 22c bestimmt wird.
Bei der in der Figur 3B dargestellten Variante ist die mit 17 bezeichnete Leiterschicht aus Siliciumnitrid mit einer Dicke von 100 bis 400nm, abgeschieden mittels LPCVD.
In Figur 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßer integrierter Spiegel dargestellt. Wie vorhergehend ist dieser Spiegel in einem Si/SiO&sub2;/SiO&sub2; p-dotiert/SiO&sub2;-Wellenleiter ausgebildet. Die Abscheidungstechniken und die Dicken dieser Schichten sind identisch mit den mit Bezug auf Figur 2 beschriebenen.
Nach der sukzessiven Abscheidung der Schichten 16, 18 und 24 (Teil a) führt man mit Hilfe einer geeigneten Maske (s. Figur 2a) eine anisotrope Ätzung des Stapels der Schichten 16, 18 und 24 durch. Man bezeichnet mit h' die Tiefe des gebildeten Grabens 22b und mit w' seine Breite. Diese Ätzung erfolgt über die gesamte Dicke der Schichten 24 und 18 und über die ganze oder einen Teil der Dicke der Schicht 16; die Angriffs- bzw. Aufschlußmittel sind z.B. CHF&sub3; oder CHF&sub4;.
Nach dieser Ätzung erfolgt die Abscheidung einer nichtdotierten Siliciumoxidschicht von 1 bis 10µm durch PECVD oder LPCVD unter denselben Bedingungen, wie beschrieben mit Bezug auf die Figur 2 hinsichtlich der Schicht 24. Es bildet sich also eine Luftblase 26b, deren Form durch das Verhältnis h'/w' des Grabens 22b bestimmt wird.
Die Breite w' des Grabens 22b muß größer sein als ein Minimalwert wo, um jede Rückkopplung der geleiteten Mode in die Leiterstruktur zu vermeiden. Im Teil b der Figur 4 stellen I und R jeweils das einfallende beziehungsweise das reflektierte Bündel dar und N stellt die Normale zum Spiegel dar, definiert durch den Graben 22b.
Der Winkel A zwischen der Normalen und dem einfallenden Lichtbündel muß größer als der Totalreflexionswinkel Al sein, definiert in der Gleichung (2):
Al = ArcsinN2/N1eff (2)
wo N1eff die effektive Brechzahl der geleiteten Mode ist und N2 die Brechzahl der Luftblase, also 1.
In dem dargestellten Beispiel ist N1eff in der Größenordnung von 1,47 und Al in der Größenordnung von 43º. A muß also größer als 43º sein.
Die obige Formel (2) ist insbesondere auf den Spiegel anwendbar; sie entspricht dem Fall, wo die geleitete Mode in dem das Fluid enthaltenden Hohlraum nicht mehr existiert. Auf jeden Fall kann sie für die Strahlteiler anstelle der Formel 1 benutzt werden, je nach dem Wert des gesuchten bzw. angestrebten Reflexionskoeffiz ienten.
Wenn N1effsinA größer als N2 ist, hat man es nicht mehr mit einem Spiegel zu tun sondern nur mit einem Strahlteiler.
Wenn man die SiO&sub2;-Schicht, dotiert mit Ti, Ge, N&sub2; oder P, ersetzt durch eine Si&sub3;N&sub4;-Schicht von 165nm, abgeschieden mittels LPCVD durch Zersetzung von Silan und Ammoniak, erhält man eine Brechzahl N1eff der geleiteten Mode um 1,73. Unter diesen Bedingungen muß A größer als 35,3º sein, um einen Spiegel zu bekommen.
Die gedämpfte bzw. abkimgende Welle in Verbindung mit der Totalreflexion auf dem Spiegel 22b hat eine durch die folgende Funktion bestimmte Eindringtiefe:
Diese Funktion hat einen Wert gleich 1/e, wenn
Für N1eff=1,47 und A=45º erhält man:
exp(-2,2x)=1/e und folglich x=450nm für λ =800nm.
Wenn die Breite w' sehr viel größer ist als 450nm und z.B. gleich 3 oder 4µm, kann praktisch keine Lichtenergie die Luftblase 26b passieren. Der so gebildete Spiegel ist sehr effizient.
Wenn A zunimmt, kann man die Breite w' reduzieren.
Um zu vermeiden, daß die mit der Totalreflexion verbundene gedµmpfte bzw. abklingende Welle die Rückseite 23 des Spiegeis erreicht, muß der Ausdruck:
sehr viel größer als 1 sein, mit wm als Minimalwert von w'.
Für N1eff=1,47, A=45º, N2=1 (Fall der Luft) und λ=800nm bekommt man wm in der Größenordnung von 2µm, was einer Dämpfung der abklingenden Welle um einen Faktor 100 entspricht. Je mehr A zunimmt (und sich π/2 nähert), um so eher kann obige Bedingung mit einem kleinen wm-Wert erfüllt werden.
Die Tiefe h' ist nicht kritisch; es genügt, wenn sie größer ist als ein Minimaiwert ho, der ungefähr der räumlichen Breite der geleiteten Mode entspricht. Die räumliche Breite der geleiteten Mode stellt die Breite der Lichtintensität der sich in dem Leiter fortpflanzenden Welle auf halber Höhe des Profils dar.
Auf dieselbe Weise wie die semireflektierende Platte und den Spiegel kann man ein Beugungsgitter herstellen, wie z.B. dargestellt in Figur 5. Der Wellenleiter ist identisch mit dem mit Bezug auf die Figuren 2 und 3A beschriebenen.
Nach Abscheidung der Leiterschicht 18 auf der Unterschicht 16 des Leiters (Teil a) stellt man mehrere zueinander parallele und abstandsgleiche Gräben 30 her; w ist die Breite der Gräben 30 und p die Gitterteilung.
Die Gitterteilung p wird durch den im Teil b der Figur 5 dargestellten Betriebswinkel A bestimmt, den der einfallende Strahl mit den Gitterlinien 30 bildet.
Wie vorhergehend führt die Abscheidung der SiO&sub2;-Schicht 24 mittels LPCVD oder PECVD auf der Leiterschicht 18 zur Bildung von Blasen und folglich zu mit Luft 27 gefüllten Hohlräumen 26c in jedem der Gräben 30.
Die Tiefe der Gräben h und die Brechzahl des Materials, das diese Gräben füllt, hier Luft, bestimmen den Kopplungskoeffizienten K zwischen dem Gitter und dem einfallenden Strahl und folglich die Kopplungslänge Lc=π/2K der geleiteten Mode mit dem Gitter. Die Erzeugung von Luftblasen 26c mit der Brechzahl 1 erhöht den Wert von K und reduziert infolgedessen die Kopplungslänge Lc. Dies ermöglicht, das Gitter unempfindlicher bezüglich der Wellenlängen zu machen.
Da es schwierig ist, den Wert des Kopplungskoeffizienten K zu kontrollieren, der stark von h und der Form der Blasen 26c abhängig ist, läßt man das Reflexionsgitter systematisch arbeiten. Dies ermöglicht außerdem, das Gitter unempfindlicher gegenüber technischen Fehlern zu machen, insbesondere bezüglich der Teilung, der Breite der Gräben oder der effektiven Brechzahlen der geleiteten Moden.
In dem Maße also, wie die Wechselwirkungslänge des Gitters mit der einfallenden Welle L sehr viel größer als 1/K ist, also als Lc, ist der Wert der Reflexion, im Falle eines mit Reflexion arbeitenden Gitters, unabhängig von Lc und folglich von K. In der Praxis nimmt man L=21c.
Erfindungsgemäß ist es möglich, Luft durch ein anderes Gas zu ersetzen und so ein Gitter von Komponenten zu bilden, miteinander verbunden durch Kanäle. So kann man die vorhergehend mit Bezug auf die Figuren 2 bis 5 beschriebenen Komponenten aktiv machen bzw. aktivieren.
In Figur 7 ist eine andere Herstellungsart der erfindungsgemäßen Komponenten dargestellt und insbesondere die Herstellung einer Teilerplatte oder semireflektierenden Platte.
Nach Bildung des Grabens 22 durch partielle Ätzung der Schicht 18, scheidet man auf der gesamten Struktur (Teil a) eine Schicht 38 aus einem Material ab, das man bezüglich der Schicht 18 und der Schicht 24 des optischen Leiters selektiv ätzen kann. Im Falle der Schichten 18 und 24 aus Siliciumdioxid kann man eine Metalischicht verwenden und insbesondere eine Aluminium- oder Chromschicht.
Diese Schicht 38 kann mittels irgendeiner der bekannten Abscheidungstechniken erzeugt werden und bei einer Metallschicht insbesondere durch Sputtern oder elektrolytische Abscheidung. Diese Schicht weist eine größere Dicke als die des Grabens 22 auf. Für eine Höhe h des Grabens 22 von 3,4µm weist die Schicht 38 z.B. eine Dicke von 10µm auf.
Diese Schicht wird anschließend selektiv so geätzt, daß Metall wenigstens gegenüber dem Graben 22 stehenbleibt, d.h. in und über dem Graben (wobei auch beiderseits des Grabens Metall stehenbleiben kann). Diese Ätzung wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Photolithographie-Maske durchgeführt. Das erhaltene Metallklötzchen ist mit 38a bezeichnet (Teil b).
Es ist auch möglich, das Metallklötzchen 38a direkt herzustellen, indem man den Graben 22 mittels der dem Fachmann bestens bekannten "Lift-Öff"-Technik füllt, wenn der Graben eine Breite ≤ 1,5 µm hat.
Anschließend erfolgt die Abscheidung der Siliciumdioxidschicht 24. Diese Abscheidung kann durch irgendeines der bekannten Abscheidungsverfahren erfolgen und insbesondere mittels CVD unter Verwendung von Silan und von Sauerstoff als Abscheidungsgas.
Anschließend führt man, wie dargestellt in Figur 7, einen selektiven Angriff des Metallklötzchens 38a durch, um es vollständig zu entfernen. Diese Entfernung kann mit Hilfe einer chemischen Lösung durchgeführt werden, z.B. durch ein Loch in der Schicht 24, und ist abhängig vom Metall. Für Aluminium benutzt man eine Phosphorsäurelösung und für Chrom eine Ceriumsalzlösung.
Auf diese Weise erhält man einen Strahlteiler mit einem Luft enthaltenden Hohlraum 26d, dessen Form identisch ist mit der des Klötzchens 38a.
Diese Methode ermöglicht die Anwendung aller Abscheidungstechniken zum Bilden der Schicht 24. Außerdem wird sie bei allen h/w-Werten größer als 0,1 angewandt, während die Methode der Figur 2 nur bei h/w-Verhältnissen größer als 0,5 anwendbar ist.
In Figur 8 sind schematisch zwei übereinanderliegende Leiter dargestellt, gekoppelt durch ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter 40 von hoher Kopplungsstärke.
Die Leiterstruktur mit starker Brechzahländerung, mit A bezeichnet, wird z.B. gebildet durch eine Unterschicht 44 mit der Brechzahl nl, abgeschieden auf einem Substrat 46, einer Leiterschicht 48 mit der Brechzahl n2 und einer Oberschicht 50 mit der Brechzahl n3, wobei die Schicht 48 eingefügt ist zwischen die Schichten 44 und 50 und n2 höher ist als n1 und n3.
Die Leiterstruktur mit geringer Brechzahländerung, mit B bezeichnet, wird z.B. gebildet durch die Schicht 50, eine Schicht 52 mit der Brechzahl n4 und eine Oberschicht 54 mit der Brechzahl nS, wobei die Schicht 52 eingefügt ist zwischen die Schichten 50 und 54 und n4 höher ist als n3 und n5. Außerdem muß n4 höher sein als n1, und n2 muß höher sein als n4 (wobei die Strukturen A und B selbstverständlich auch umgekehrt übereinanderliegen können).
Bei einem Siliciumsubstrat 46 können die Schichten 44, 50 und 54 hergestßllt werden aus Siliciumdioxid, nicht absichtlich dotiert oder mit Fluor oder Bor dotiert; Die Schicht 48 kann aus Siliciumnitrid, Siliciumoxinitrid oder Aluminiumoxid hergestellt werden und die Schicht 52 aus Siliciumoxid, dotiert mit Phosphor, Germanium, Stickstoff oder Titan. Die Schichten 48, 50, 52 und 54 können mittels LPCVD oder PECVD abgeschieden werden und die Schicht 44 kann durch thermische Oxidation des Substrats erzeugt werden, um gute optische Qualitäten aufzuweisen.
Die in der Figur 8 dargestellte Struktur hat praktisch zwei sehr unterschiedliche Ausbreitungs- bzw. Fortpflanzungsarten bzw. -moden.
Damit diese Struktur funktioniert, muß die Dicke der Schicht 48, um "einmodig" zu sein, kleiner als ein Maximalwert in der Größenordnung von 0,05 bis 0,4 sein, je nach Wellenlängen bei einer Siliciumnitridschicht, und auch die Dicke der Schicht 52 muß, um "einmodig" zu sein, kleiner als ein Maximalwert sein, in der Größenordnung von 1 bis 8µm, je nach den benutzten Wellenlängen und den zwischen den verschiedenen Schichten gewählten Brechzahlunterschieden.
Außerdem muß die Dicke ei der Schicht 44 die Trennung der beiden Ausbreitungs- bzw. Fortpflanzungsarten bzw. -moden der Leiter A und B des Substrats 46 sicherstellen. Auch muß diese Dicke größer sein als die Eindringtiefe der abklingenden bzw. gedämpften Welle der am wenigsten eingeschlossenen geleiteten Mode, die sich in der Schicht 52 fortpflanzt bzw. ausbreitet. Typischerweise ist ei größer als 12-15µm.
Die Dicke der Schicht 50 bedingt die Kopplungsstärke des Gitters. Sie kann null sein (Figur 11). Die Kopplung zwischen den beiden geleiteten Moden nimmt mit der Dicke der Schicht 50 ab. Jenseits von 3i£m für Siliciumdioxidschichten und für eine Schicht 48 aus Siliciumnitrid einer Dicke der Größenordnung Sonm gibt es keine Kopplung mehr.
Die Dicke der Schicht 54 ist nicht kritisch.
Insbesondere die Schichten 44, 48, 50, 52 und 54 haben jeweils eine Dicke von 8 bis 15µm, von 50 bis 200nm, von 0,3 bis 2µm, von 1 bis 8µm und von 2 bis 10µm.
Wie vorhergehend werden die Teilung des Gitters und der Einfallwinkel in das Gitter so gewählt, daß das Gitter 40 im Reflexionsbetrieb arbeitet, um zu vermeiden, daß die von der Struktur mit starker Brechzahländerung in die Struktur mit schwacher Brechzahländerung eingekoppelte Lichtenergie nicht in die Struktur mit starker Brechzahländerung zurückgelangen kann.
Die Kopplung zwischen den Strukturen A und B über das Gitter ist möglich, wenn + = mit kA =(2π/λ )nA, kB =(2π/λ )nB und kR =(2π/p, wo nA und nB die effektiven Brechzahlen der Leiterstrukturen A und B sind, λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, p die Gitterteilung ist und , und die Wellenvektoren der Strukturen A, B und des Gitters sind.
In bestimmten Sonderfällen ist es möglich, das Gitter 40 mit einer anderen Ordnung als der Ordnung +1 und -1 arbeiten zu lassen, um seine Teilung p zu vergrößern und so seine Herstellung zu vereinfachen. Dies ist nur mit einem besonderen Einfallwinkel möglich, für den niedrigere Ordnungen als die benutzte nicht existieren können.
Wie dargestellt in Figur 8, kann das Kopplungsgitter 40 hergestellt werden durch Ätzen der Schicht 40 unmittelbar vor Abscheidung der Leiterschicht 52, um zueinander parallele Gräben 42 zu bilden, deren Verhältnis Höhe/Breite wenigstens gleich 0,5 ist, sodann durch Abscheiden der Schicht 52 mittels LPCVD oder PECVD, wie oben mit Bezug auf die Figur 2 beschrieben.
Die mit Luft 27 gefüllten Hohlräume 41, gebildet während der Abscheidung der Schicht 52 in den Gräben 42, bewirken die Kopplung der beiden Strukturen. In der Praxis sind es 10 bis 30 Hohlräume 41 und die Gitterteilung beträgt 0,3 bis 3µm.
In Figur 9 ist eine andere Herstellungsart des Beugungsgitters dargestellt, das die Kopplung der beiden Leiterstrukturen gewährleistet. Bei dieser Ausführungsart scheidet man auf der geätzten Schicht 50 (Teil a) eine Metallschicht ab, die man selektiv ätzen kann in bezug auf das Substrat 46 und die Schichten 44, 48, 50, 52 und eventuell 54, wenn das Metall nach dem Abscheiden der Schicht 54 entfernt wird. Dann ätzt man diese Schicht und läßt dabei Metall 38b nur gegenüber den Gräben 43 stehen, die in die Schichten 50 geätzt sind. Auf das Ätzen dieser Metalischicht folgt die Abscheidung der Schichten 52 und 54, wie vorhergehend beschrieben mit bezug auf die Figuren 2 und 7. (Selbstverständlich kann die Abscheidung dieser Schicht 54 auch nach der vollständigen Entfernung des Metalls erfolgen).
Schließlich entfernt man das Metall 38b mit Hilfe von Orthophosphorsäure im Falle einer Aluminiumschicht und Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2;/SiO&sub2; p-dotiert/SiO&sub2;-Leiterstrukturen durch wenigstens ein Loch, das z.B. die Schichten durchquert, die das Metall 38b überdecken. Der anfänglich durch das Metall 38b eingenommene Raum und insbesondere die Gräben 43 füllen sich dann mit Luft (Teil b der Figur 9).
Das Kopplungsgitter kann auch hergestellt werden wie in Figur 10 gezeigt. Bei dieser Herstellungsart erfolgt die Abscheidung der Metallschicht 38 direkt auf der Leiterschicht 48 (Teil a der Figur 10). Man führt dann eine im wesentlichen anisotrope Ätzung der Schicht 38 durch, um Metallklötzchen 38c zu bilden, parallel zueinander und abstandsgleich. Bei einer Aluminiumschicht erfolgt diese Ätzung entweder trocken mit einem Chlorgas oder durch ein Naßverfahren mit Orthophosphorsäure als Angriffs- bzw. Auf schlußmittel. Dann führt man nacheinander die Abscheidung der Schichten 50, 52, 54 (Teil b) durch, wie vorhergehend beschrieben. Anschließend entfernt man die geätzten Metallklötzchen 38c mittels Naßverfahren, wodurch man mit Luft gefüllte Hohlräume 45 erhält.
Die Schichten 52 und 54 können in diesem Fall vor oder nach Entfernung der Metallklötzchen abgeschieden werden. Um sie zu entfernen, werden diese Metallklötzchen in der Schicht 50 miteinander verbunden, außerhalb der Nutzzone der Komponente, wobei wenigstens ein Loch in der Schicht 50 den Zugang zum Metall 38 ermöglicht.
Diese Methode kann im Gegensatz zu dem Verfahren der Figur 9 bezüglich der Entfernung der Metallklötzchen 38c einige Schwierigkeiten verursachen, wenn die Gitterteilung sehr klein ist, kleiner als 1µm.
Bei der in Figur 10 dargestellten Herstellungsart kann die Schicht 50 die Dicke Null aufweisen, wie in Figur 11 dargestellt. In diesem Fall scheidet man die Schicht 52 direkt auf den Metallklötzchen 38d ab. Vor oder nach Abscheidung der Schicht 54 entfernt man die Klötzchen wie vorhergehend.
Bei der Ausführungsart der Figur 9 ist es auch möglich, die Schicht 50 zu entfernen. In diesem Fall erfolgt die Abscheidung der Metalischicht auf der Schicht 48, in der die parallelen Gräben 42 realisiert wurden.
In den Figuren 5 und 8 bis 11 sind Gitter mit konstanter Teilung dargestellt, die folglich mit kollimatierten einfallenden Bündeln arbeiten.
Bei nicht-kollimatierten und folglich Quellenpunkten zugeordneten einfallenden Bündeln kann man Gitter benutzen, die den in Verbindungung mit erfindungsgemäßen integrierten Kollimationsoptiken des Typs Spiegel oder Linse dargestellten entsprechen, oder ein Gitter, dessen Linien elliptisch oder parabolisch sind, oder auch ein Gitter mit variabler Teilung, das zugleich die Funktion der Kopplung und der optischen Abbildung erfüllt. Dies ermöglicht, in bestimmten Fällen die Anzahl der Komponenten einer kompletten optischen Schaltung zu reduzieren.
Dank eines erfindungsgemäßen Kopplungsgitters ist es möglich, Polarisationsseparatoren bzw. -trenner und Polarisationswandler bzw. -umsetzer herzustellen.
Die Leiterstruktüren mit schwacher Brechzahländerung sind unempfindlich für die Polarisation des einfallenden Bündels im Gegensatz zu den Leiterstrukturen mit starker Brechzahländerung. Auch ist es sehr schwierig, eine der elektrischen oder magnetischen Transversalpolarisationen TE oder TM der Leitermode in einer Struktur mit schwacher Brechzahländerung räumlich zu trennen oder, noch einfacher, zu selektionieren.
Hingegen ist dies dank der übereinanderliegenden Anordnung der beiden Leiter, gekoppelt durch erfindungsgemäße Gitter wie vorhergehend beschrieben, möglich.
Es ist auch möglich, einen Polarisationswandler bzw. - umsetzer für mit einem magnetischen Lese-/Schreibkopf verbundene optische Leseschaltungen herzustellen, wie beschrieben in dem Dokument FR-A-2 606 921.
Selbstverständlich kann die in den Hohlräumen der Gitter enthaltene Luft durch ein anderes Gas ersetzt werden.
Zudem sind die Herstellungsverfahren eines oben beschriebenen Gitters auch bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Spiegel, Strahlteiler und Linsen anwendbar.
Schließlich können die erfindungsgemäßen Komponenten aus anderen Materialien als den oben genannten hergestellt werden, insbesondere aus Niobat oder Lithiumtantalat.
In Figur 12 ist ein erfindungsgemäßer Lichtleiter dargestellt, ausgeführt in einer Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2;-Leiterstruktur. Dieser Mikroleiter umfaßt in seiner Oberschicht 50 aus SiO&sub2; zwei mit Luft gefüllte Hohlräume 26f, 26g. Der Brechzahlunterschied zwischen der Luft und dem Siliciumdioxid der Schicht 50 gewährleistet eine gute seitliche Einschließung des Lichts. Die Hohlräume erhält man, indem man in der Schicht 50 zwei parallele Gräben 22d und 22e herstellt und dann mittels LPCVD oder PECVD eine nicht-dotierte SiO&sub2;-Schicht 28 abscheidet.
Es ist auch möglich, die seitliche Einschließung des Lichts sicherzustellen, indem man die beiden luftgefüllten Hohlräume in der Unterschicht 44 des Leiters herstellt, durch das mit Bezug auf die Figuren 9 und 10 beschriebene Verfahren.
Die Gräben können in der gesamten oder einem Teil der Schicht 50 oder 44 ausgebildet sein, aber nicht in der Leiterschicht 48.

Claims

1. Vor Umwelteinflüssen geschützte optische Komponente, auf einem Substrat (14;46) integriert und einem Lichtleiter (16,18,24; 16,17,24; 44,48,50; 44,48,40,52) zugeordnet, ebenfalls auf demselben Substrat integriert, wobei besagte Komponente wenigstens einen geschlossenen Hohlraum (26; 26a; 26b; 26e; 26c; 26d; 26f,26g; 41; 43; 45) umfaßt, isoliert von der Umgebung, gebildet in einem Graben (22; 22a; 22b;22c; 22d,22e; 30; 42), vorgesehen in wenigstens einer Schicht (16, 18, 24, 50, 52) des besagten Lichtleiters, wobei dieser genannte Hohlraum mit einem Gas (27) gefüllt ist, das eine Brechzahl hat, die kleiner ist als die Brechzahl der besagten Schicht.

2. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft ist.

3. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben ein Verhältnis Höhe/Länge ≥0,1 hat.

4. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben ein Verhältnis Höhe/Länge hat, das von 1 bis 5 geht.

5. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Leiter eine Unterschicht (16), eine Leiterschicht (18, 17), eine Oberschicht (24) und eine Deckschicht (28) umfaßt, nacheinander auf das Substrat (14) gestapelt, wobei die Leiterschicht eine Brechzahl hat, die größer ist als die der Unter-, der Ober- und der Deckschicht, und dadurch, daß der den Hohlraum enthaltende Graben sich in wenigstens einer der Schichten Unter-, Leiter- und Oberschicht befindet.

6. Optische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Leiter eine Oberschicht (24, 50, 54) und eine Unterschichte aus Siliciumdioxid (16, 44, 50) umfaßt, angeordnet auf beiden Seiten einer Leiterschicht (17, 18, 48, 52) aus Siliciumnitrid, aus Siliciumdioxid, dotiert mit einem seine Brechzahl erhöhenden Dotierstoff, oder aus SiOxNy mit 0< x< 2 und 0< y< 4/3.

7. Optische Komponente des Typs Beugungsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Gräben (40;42) umfaßt, parallel zueinander angeordnet und jeder mit einem Hohlraum (26c,41,43,45) versehen, gefüllt mit dem genannten Gas, wobei die verschiedenen Hohlräume die Linien des Gitters bilden.

8. Optische Komponente des Typs Beugungsgitter nach Anspruch 7, wenn dieser von den Ansprüchen 5 oder 6 abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben (40;42) in der Leiterschicht (18,52) oder der Oberschicht (50) vorgesehen sind.

9. Optische Komponente des Typs Spiegel nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (22b) sich von der Oberschicht (24) bis zur Unterschicht (16) des Lichtleiters erstreckt.

10. Optische Komponente des Typs Trenner nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (22) im wesentlichen in der Oberschicht (18) des Lichtleiters vorgesehen ist.

11. Optische Komponente des Typs Mikroleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Gräben (22d,22e) umfaßt, parallel angeordnet und jeder versehen mit einem ein Gas enthaltenden Hohlraum (26f,26g).

12. Optische Komponente des Typs Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dazu bestimmt, übereinanderliegende integrierte Lichtleiter, einen ersten und einen zweiten, mit sehr unterschiedlichen Brechzahländerungen zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtleiter gebildet wird durch eine erste Oberschicht (50) und eine erste Unterschicht (44), angeordnet auf beiden Seiten einer ersten Leiterschicht (48) mit einer Brechzahl, die höher ist als die der ersten Ober- und Unterschichten, und eine zweite Schicht, gebildet durch eine zweite Oberschicht (54) und eine zweite Unterschicht (50), angeordnet auf beiden Seiten einer zweiten Leiterschicht (52) mit einer Brechzahl, die höher ist als die der zweiten Ober- und Unterschichten, wobei die erste Oberschicht und die zweite Unterschicht ein und dieselbe Schicht bilden, Kopplungsschicht genannt, in der mehrere Gräben (42) vorgesehen sind, von denen jeder Hohlräume (45, 43, 41) enthält, die das genannte Gas einschließen.

13. Komponente nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Unter- und Oberschichten aus Siliciumdioxid sind, die erste Leiterschicht aus Si&sub3;N&sub4; oder SiPxNy ist mit 0< x< 2 und 0< y< 4/3, die zweite Leiterschicht aus Siliciumdioxid ist, dotiert mit einem seine Brechzahl erhöhenden Dotierstoff, und die Hohlräume mit Luft gefüllt sind.

14. Optische Komponente des Typs Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dazu bestimmt, übereinanderliegende integrierte Lichtleiter, einen ersten und einen zweiten mit sehr unterschiedlichen Brechzahländerungen, zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter gestapelt eine erste (46), eine zweite (48), eine dritte (52) und eine vierte (54) Schicht umfassen, wobei die zweite und die dritte Schicht jeweils die Leiterschichten des ersten und des zweiten Leiters bilden und Brechzahlen aufweisen, die höher sind als die der ersten und der vierten Schicht, wobei die Brechzahl der zweiten Schicht sich außerdem unterscheidet von der der dritten Schicht und diese dritte Schicht Hohlräume enthält, die mit dem genannten Gas gefüllt sind.

15. Komponente nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die vierte Schicht aus Siliciumdioxid sind, die zweite Schicht aus Si&sub3;N&sub4; ist und die dritte Schicht aus Siliciumdioxid, dotiert mit einem Dotierstoff, der ihre Brechzahl erhöht, und dadurch, daß die Hohlräume mit Luft gefüllt sind.

16. Herstellungsverfahren einer optischen Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Abscheidung von wenigstens einer ersten Schicht (16, 18, 24, 50) auf der Gesamtheit eines Substrats (14, 46),

- Herstellung wenigstens eines Grabens (22, 22a, 22b, 42) in dieser ersten Schicht, dessen Verhältnis Höhe/Länge ≥0,5 ist, und

- chemische Gasphasenabscheidung (CVD) einer zweiten Schicht (24, 28, 52) auf der Gesamtheit der so geätzten ersten Schicht, die infolgedessen in dem Graben einen mit Luft gefüllten Hohlraum bildet.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht mittels LPCVD-oder PECVD-Technik abgeschieden wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Wärmebehandlung der ersten und/oder zweiten Schicht durchführt, um sie verfließen zu lassen.

19. Herstellungsverfahren einer optischen Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

(a)- Abscheiden von wenigstens einer ersten Schicht (18, 50) auf der Gesamtheit eines Substrats (14, 16),

(b)- Herstellen wenigstens eines Grabens (22, 42) in dieser ersten Schicht,

(c)- Abscheiden eines Temporärmaterials (38a, 38b) in dem Graben und über diesem, das man selektiv eliminieren kann in bezug auf das Substrat, die erste Schicht und eine zweite Schicht,

(d)- Abscheiden der zweiten Schicht auf der in (c) erhaltenen Struktur, und

(e)- Entfernen des Temporärmatenais, infolgedessen sich in dem Graben ein mit Luft gefüllter geschlossener Hohlraum (43) bildet.

20. Herstellungsverfahren einer optischen Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

(A)- Abscheiden einer ersten Schicht (48) auf der Gesamtheit eines Substrats (14, 16),

(B)- Abscheiden einer Schicht aus Temporärmaterial (38) auf der Gesamtheit der ersten Schicht (48), die man selektiv ätzen kann in bezug auf diese erste Schicht, eine zweite Schicht (50, 52) und das Substrat,

(C)- Ätzen dieser Temporärschicht, um wenigstens ein Klötzchen aus Temporärmaterial (38c) zu bilden,

(D)- Abscheiden der zweiten Schicht (50, 52) auf der in (C) erhaltenen Struktur, und

(E)- Eliminieren des Klötzchens aus Temporärmaterial, infolgedessen sich in dem Graben ein mit Luft gefüllter Hohlraum (45) anstelle des Klötzchens bildet.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß man in besagten Hohlraum ein anderes Gas als Luft injiziert.