DE69526003T2

DE69526003T2 - Optisches Gerät mit Substrat und Wellenleiterstruktur mit thermisch angepassten Grenzflächen

Info

Publication number: DE69526003T2
Application number: DE69526003T
Authority: DE
Inventors: Allan James Bruce; Herman Melvin Presby
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: DE69526003D1; EP0697605A3; EP0697605B1; JPH0862441A; US5483613A; JP2771131B2; EP0697605A2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

1. Erfindungsgebiet

Die Erfindung betrifft polarisationsunabhängig integrierte optische Bauelemente und insbesondere polarisationsunabhängig optische Bauelemente, die Substrate mit Wärmeausdehnungskoeffizienten verwenden, die denen von einen oder mehreren danach abgeschiedenen dotierten Glasschichten nahekommen.

2. Allgemeiner Stand der Technik

Da faseroptische Kommunikationskanäle Metallkabel und Funkübertragungsstrecken ersetzen, steigt die Bedeutung von integrierten optischen Bauelementen zur direkten Verarbeitung optischer Signale. Ein nützlicher Ansatz zur optischen Signalverarbeitung verwendet auf Siliziumsubstraten ausgebildete Glaswellenleiterstrukturen. Die Grundstruktur derartiger Bauelemente ist in C. H. Henry et al., "Glass Waveguides on Silicon for Hybrid Optical Packaging", 7 J. Lightwave Tech., S. 1530-1539 (1989) beschrieben. Integrierte Glaswellenleiterstrukturen werden in der Regel durch Abscheiden einer Basisschicht aus Siliziumdioxid auf einem Siliziumsubstrat mit nachfolgender Abscheidung einer dotierten Siliziumoxidschicht auf dem Siliziumdioxid zum Ausbilden eines Wellenleiterkerns ausgebildet. Die dotierte Siliziumoxidkernschicht ist zur Ausbildung einer gewünschten Wellenleiterstruktur mit standardmäßigen Lithographietechniken strukturiert. Bei Einmodenwellenleiterstrukturen ist die Kernschicht etwa 6-8 Mikrometer dick und 5-7 Mikrometer breit. Nach der Strukturierung der Kernschicht wird eine zusätzliche Schicht aus Siliziumoxid abgeschieden, die als ein oberes Cladding fungiert. Je nach der präzisen Konfiguration des Wellenleiters können derartige Bauelemente eine Vielfalt von Funktionen vollziehen, wie etwa Strahlteilung, Abgreifen, Multiplexieren, Demultiplexieren und Filtern.
Es sind auch andere optische Wellenleiteranordnungen bekannt. So offenbart beispielsweise die japanische Zusammenfassung JP-A-56 012604 einen optischen Wellenleiter, der ausgebildet wird, indem weichgemachte Gläser aus verschiedenen Kammern eines unterteilten Tiegels zusammengezogen werden.
Ein Nachteil der obigen Wellenleiterstrukturen ist eine durch Beanspruchung induzierte Doppelbrechung in dem Wellenleiterkern. Wegen verschiedener Wärmeausdehnung zwischen Silizium und Siliziumoxid wird während der Herstellung eine Druckbeanspruchung eingeführt. Wegen dieser Doppelbrechung liegen verschiedene Polarisationsmoden des transmittierten Lichts mit verschiedenen effektiven Brechungsindizes vor. Insbesondere trifft die transversale magnetische (TM) Mode auf einen größeren Brechungsindex als die transversale elektrische (TE) Mode, was die Übertragung des Lichts und die Leistung der Wellenleiterschaltung beeinträchtigt. Dieser Effekt, bei dem sich die beiden Komponenten der Polarisation mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausbreiten, wird durch Krümmungen in dem Wellenleiter noch weiter verstärkt, da sich optische Moden bei Durchquerung einer Krümmung radial nach außen verschieben. Eine locker an den Wellenleiterkern angekoppelte Mode (TM) wird stärker nach außen verschoben als eine fester angekoppelte Mode (TM). Folglich weist die locker angekoppelte Mode einen größeren optischen Weg und eine größere optische Phase auf.
Es ist schon vor langer Zeit erkannt worden, daß für optische Hochleistungsbauelemente die Doppelbrechung eliminiert werden muß. In der Technik gibt es eine Fülle an Vorgehensweisen zum Reduzieren oder Kompensieren der durch die thermische Fehlanpassung von Silizium und Siliziumoxid induzierte Druckbeanspruchung. Bei einem Ansatz wird eine dicke amorphe Siliziumschicht auf dem Wellenleiter abgeschieden, worauf ein Schneiden mit einem Hochleistungslaser folgt. Siehe M. Kawachi et al., "Laser Trimming Adjustment of Waveguide Birefringence in Silica Integrated Optic Ring Resonators", Proc. CLEO '89, Tu J. (17) (April 1989). Bei einem anderen Ansatz werden zum Lockern der Beanspruchung tiefe Nuten in der Größenordnung von 60 Mikrometern neben den Wellenleiter geätzt. Diese beiden Techniken erfordern eine extreme Präzision und erhöhen die Herstellungskosten wesentlich. Außerdem versuchen diese Techniken, die durch die Verarbeitung induzierte Beanspruchung zu korrigieren, ohne das grundlegende Problem zu lösen, die thermische Fehlanpassung zwischen den Materialien der Wellenleiterstruktur.
Ein anderer Ansatz verwendet eine Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex, die versucht, die Wärmeausdehnungscharakteristik des Substrats und der darauf ausgebildeten Kern- und Claddingschicht anzupassen. Siehe z. B. das in EP-A-322 744 offenbarte optische Wellenleiterbauelement. Bei der Herstellung faseroptischer Preforms wird der Einsatz gradierter Dotierkonzentrationen dazu verwendet, die radiale Änderung bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu kompensieren, mit denen ein abgestufter Brechungsindex erhalten wird. Siehe z. B. GB-A-2 004 863.
In der Technik besteht ein Bedarf an integrierten optischen Wellenleiterstrukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung mit einer minimalen, durch die Beanspruchung induzierten Doppelbrechung. Mit derartigen Strukturen könnten polarisationsunabhängig integrierte optische Bauelemente hergestellt werden.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Die Erfindung stellt polarisationsunabhängig optische Bauelemente bereit, indem sie die mit Bauelementstrukturen nach dem Stand der Technik verbundene, durch Beanspruchung induzierte Doppelbrechung eliminiert. Bei den erfindungsgemäßen Bauelementen wird die wellenleitende Struktur aus dotiertem Siliziumoxid von Siliziumoxidsubstraten anstatt von Siliziumwafern getragen. Bei einer ersten Ausführungsform wird ein optisches Bauelement hergestellt, das ein Siliziumoxidsubstrat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 8 · 10&supmin;&sup7; C&supmin;¹ und 15 · 10&supmin;&sup7; C&supmin;¹ aufweist. Auf dem dotierten Siliziumoxidsubstrat ist eine dotierte wellenleitende Siliziumoxidstruktur mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 8 · 10&supmin;&sup7;ºC&supmin;¹ und 15 · 10&supmin;&sup7;ºC&supmin;¹ ausgebildet. Auf der dotierten wellenleitenden Siliziumoxidstruktur ist eine Claddingschicht ausgebildet. Alternativ wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des dotierten Siliziumoxidsubstrats so ausgewählt, daß er etwa 90% bis 110% des Wärmeausdehnungskoeffizienten der dotierten wellenleitenden Siliziumoxidstruktur beträgt.
Unter einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein optisches Bauelement bereit, das ein dotiertes Siliziumoxidsubstrat mit einem Dotiergradienten von einer unteren Fläche zu einer oberen Fläche umfaßt. Die untere Fläche besteht wahlweise aus reinem Siliziumoxid. Das Dotierniveau auf der oberen Fläche weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten einer darauf ausgebildeten dotierten wellenleitenden Siliziumoxidstruktur liegt. Eine Claddingschicht ist auf der dotierten wellenleitenden Siliziumoxidstruktur ausgebildet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist Fig. 1 eine schematische Ansicht eines optischen Bauelements 10 mit einem Substrat 20, einem wellenleitenden Element 30 und einer Claddingschicht 40. Bei herkömmlichen Anwendungen ist das Substrat 20 in der Regel ein Siliziumwafer mit einer thermisch oxidierten SiO&sub2;-Oberflächenschicht. In derartigen Bauelementen wirkt die SiO&sub2;-Schicht als eine erste Claddingschicht für das wellenleitende Element. Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Schicht 20 ein dotiertes Siliziumoxidsubstrat, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten der wellenleitenden Elementmaterialschicht liegt.
Unter "in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten liegen" bedeutet, daß der Wärmeausdehungskoeffizient des dotierten Siliziumoxidsubstrats etwa 90% bis 110% dessen der wellenleitenden Elementmaterialschicht beträgt. Bei einer wellenleitenden Elementmaterialschicht aus phosphordotiertem Siliziumoxid entspricht dies einem dotierten Siliziumoxidsubstrat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 8 · 10&supmin;&sup7;ºC&supmin;¹ und 15 · 10&supmin;&sup7;ºC&supmin;¹, je nach der präzisen Zusammensetzung des wellenleitenden Elementmaterials. Durch Annähern des Wärmeausdehnungskoeffizienten des wellenleitenden Elementmaterials wird die durch die Beanspruchung induzierte Doppelbrechung erheblich reduziert oder eliminiert. Wenn die wellenleitende Elementschicht, in der Regel bei Temperaturen von 1000-1300ºC, abgeschieden wird, ziehen sich das dotierte Siliziumoxidsubstrat und die Wellenleiterelementschicht bei ihrer Abkühlung gleich stark zusammen, woraus eine wesentliche Eliminierung der durch die verschiedenen Zusammenziehungsgrade verursachten, thermisch induzierten Beanspruchung resultiert.
Der gewünschte Wärmeausdehnungskoeffizient wird in der Regel durch Dotieren von Siliziumoxid mit 1-2 Mol-% Fluor, 1-2 Mol-% Phosphor, 1-2 Mol-% Titan oder einer Kombination aus Fluor- und Titan-Dotierung erzielt. Während die obigen Dotierungssubstanzen beispielhaft sind, wird angemerkt, daß alle Dotierungssubstanzen oder Kombinationen von Dotierungssubstanzen, die Koeffizienten in dem obigen Bereich bereitstellen, im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen. Dotierniveaus sollten ausreichend gering sein, so daß das dotierte Siliziumoxidsubstrat eine Erweichungstemperatur aufweist, die der von reinem Siliziumoxid (d. h. etwa 1150ºC) nahekommt, wodurch das Substrat spätere Verarbeitungstemperaturen aushalten kann, mit denen die wellenleitende und die Claddingschicht abgeschieden werden, d. h. in der Größenordnung von 1000ºC zur chemischen Dampfabscheidung oder 1300ºC zur Abscheidung durch Flammenhydrolyse.
In dieser Ausführungsform wirkt das Substrat sowohl als das Substrat als auch als die erste Claddingschicht des wellenleitenden Bauelements. Da das dotierte Siliziumoxidsubstrat auch als die untere Claddingschicht wirkt, sollte der Brechungsindex zwischen etwa 1,45 und 1,46 liegen, um die Übertragungsstrahlung in dem wellenleitenden Element 30 effektiv zu beschränken. Für die obigen Dotierungssubstanzen und Dotierniveaus liegt der Brechungsindex des Substrats 20 zwischen 1,458 und 1,459.
Das dotierte Siliziumoxidsubstrat 20 ist in der Regel 0,5-1,0 mm dick. Durch diese Dicke erhält man eine ausreichende darunterliegende Stütze für das fertiggestellte Bauelement sowie mechanische Stabilität für das Bauelement während der Verarbeitung. Das dotierte Siliziumoxid wird durch eine beliebige bekannte Glasbildungstechnik ausgebildet, einschließlich unter anderem chemische Dampfabscheidung, Flammenhydrolyse, Sol-Gel-Techniken und chargenbildende Schmelzprozesse.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Substrat 20 ein abgestuftes dotiertes Siliziumoxid mit einem Dotiergradienten von einer unteren Fläche zu einer oberen Fläche, die das wellenleitende Element berührt. Das Dotierniveau an der oberen Fläche ist so ausgewählt, daß sein Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 90% bis 110% des Wärmeausdehnungskoeffizienten des wellenleitenden Elements 30 beträgt. Indem ein Substrat mit abgestuften Dotierniveaus verwendet wird, wird eine höhere Erweichungstemperatur erhalten, was zu einer größeren mechanischen Integrität des Substrats während der Verarbeitung führt.
Die in dem abgestuft dotierten Substrat verwendeten Dotierungssubstanzen sind die gleichen, wie sie oben erörtert wurden, d. h. Fluor, Phosphor und Titan. Das Substrat wird durch einen Dampfphasenprozeß, wie etwa chemische Dampfabscheidung oder Flammenhydrolyse, hergestellt, während die gewünschte Dotierungssubstanz mit zunehmender Dicke des Substrats allmählich zunimmt.
Die auf den dotierten Siliziumoxidsubstraten der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Wellenleiter werden in zahlreichen optischen Bauelementen eingesetzt. Zu diesen Bauelementen gehören beispielsweise unter anderem optische Filter, Multiplexer, Demultiplexer, Strahlteiler und optische Abgriffe. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden in allen planaren optischen Wellenleitern Verwendung, die eine auf einer Claddingschicht angeordnete wellenleitende Schicht umfassen.
Während die obige Erfindung im Hinblick auf die oben detaillierten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für den Fachmann ohne weiteres klar, daß zahlreiche Hinzufügungen und Änderungen vorgenommen werden können. Dementsprechend wird davon ausgegangen, daß Modifikationen, wie etwa die oben vorgeschlagenen, aber nicht nur diese, innerhalb des Schutzbereichs der beanspruchten Erfindung liegen.

Claims

1. Optisches Bauelement, das folgendes umfaßt:

a) ein Substrat (20) mit einem zugeordneten ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten;

b) eine auf der oberen Fläche des Substrats ausgebildete dotierte wellenleitende Siliziumoxidstruktur (30), die einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist; und

c) eine auf der dotierten wellenleitenden Siliziumoxidstruktur ausgebildete Claddingschicht (40);

dadurch gekennzeichnet, daß

das Substrat (20) ein dotiertes Siliziumoxidsubstrat mit einem Dotiergradienten von einer unteren Fläche zu einer oberen Fläche ist, wobei dem Dotierniveau auf der oberen Fläche der erste Wärmeausdehnungskoeffizient zugeordnet ist, der in der Nähe des zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt.

2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der erste Wärmeausdehnungskoeffizient des dotierten Siliziumoxidsubstrats (20) etwa 90% bis 110% des zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten beträgt.

3. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient der dotierten wellenleitenden Siliziumoxidstruktur (30) zwischen 8 · 10&supmin;&sup7;ºC&supmin;¹ und 15 · 10&supmin;&sup7;ºC&supmin;¹ liegt.

4. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das dotierte Siliziumoxid eine Dotierungssubstanz ausgewählt aus Fluor, Phosphor, Titan und Mischungen davon enthält.

5. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, das unter optischen Filtern, Multiplexern, Demultiplexern, Strahlteilern und optischen Abgriffen ausgewählt ist.

6. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des dotierten Siliziumoxidsubstrats (20) so ausgewählt ist, daß das dotierte Siliziumoxidsubstrat eine untere Claddingschicht für die wellenleitende Struktur ist.

7. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das dotierte Siliziumoxidsubstrat (20) eine Dicke von etwa 0,5-1,0 mm aufweist.