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DE69826800T2 - Integriert-optischer Wellenleiter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Integriert-optischer Wellenleiter und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Lichtwellenleiter und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Kommunikationssysteme, die optische Systeme verwenden, sind in letzterer Zeit allgemein üblich geworden. Bei ihrer anfänglichen Einführung beruhten die optischen Systeme auf der Verwendung von Lichtleitfasern, die symmetrisch rund waren. In letzterer Zeit wurden jedoch integrierte Wellenleiter-Bauteile auf Grund der Einfachheit eingeführt, mit der unterschiedliche Arten von Bauteilen unter Verwendung von Techniken hergestellt werden können, die in der Halbleiterherstellung erlernt wurden. Integrierte Wellenleiter zeigen jedoch häufig unterschiedliche Brechungsindizes parallel und senkrecht zur Ebene des Substrates. Nicht polarisiertes Licht, das in einen doppelbrechenden integrierten Wellenleiter eintritt, wird in eine Komponente in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrates des Wellenleiters und eine Komponente in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrates des Wellenleiters aufgespalten, und diese Komponenten breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Dies macht die Konstruktion optischer Schaltungen schwieriger, weil wellenlängenselektive Elemente, wie z. B. Richtkoppler oder Wellenlängen-Multiplexer, die Reflexionsgitter enthalten, lediglich für eine Polarisationsrichtung optimal konstruiert werden können. Diese Erscheinung wird als Doppelbrechung bezeichnet und im Fall von kristallinen ebenen Substraten ergibt sich die Doppelbrechung aus der kristallinen Struktur und der ausgewählten Ausrichtung der Kristalle zu der Ebene. Amorphe transparente Materialien, wie z. B. Glas, zeigen keine Doppelbrechung, vorausgesetzt, dass sie spannungsfrei sind.
  • Große Aufmerksamkeit wurde daher der Herstellung von eine niedrige Doppelbrechung aufweisenden integrierten Lichtwellenleitern geschenkt, und die Technik, die normalerweise verwendet wird, besteht darin, die Wellenleiter aus Glas auf einem im Wesentlichen ebenen Siliziumkristallsubstrat herzustellen. Bei diesem Verfahren werden die Glasschichten bei erhöhter Temperatur hergestellt und/oder sie erfordern eine Hochtemperatur-Behandlung, um eine Homogenität sicherzustellen. Das Ergebnis der Hochtemperatur-Behandlung besteht darin, dass der Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates und den darauf aufgeschichteten Schichten zu erheblichen Spannungen beim Abkühlen und im Fall einer einseitigen Beschichtung sogar zu einem Biegen des Siliziumkristall-Substrates führt. Aufgrund des gut bekannten optischen Spannungseffektes rufen diese Spannungen eine Doppelbrechung in dem Licht führenden Kern des Wellenleiters hervor. Die Wirkung der Doppelbrechung ist in 3 gezeigt, in der die Spitzen-Einfügungsverluste in allen TE- und TM-Moden bei unterschiedlichen Wellenlängen auftreten.
  • Es wurde eine Anzahl von unterschiedlichen Vorschlägen gemacht, um dieses Problem zu überwinden, und obwohl einige Techniken in der Lage sind, eine sehr niedrige Polarisationsabhängigkeit zu erzielen (weniger als gleich 0,05 nm für in einer Gruppe angeordnete Wellenleiter-Demultiplexer), sind sie nicht für eine Produktion mit niedrigen Kosten/hohern Volumen geeignet. Die DE-A-4 433 738 offenbart eine Technik, die zu einer niedrigen Doppelbrechung führen soll und beinhaltet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizienten des optischen Kernmaterials gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Siliziumsubstrates gemacht wird. Dieses Dokument gibt an, dass dies zu einer Verringerung der Polarisationsabhängigkeit in dem Bereich von 0,1–0,2 nm führt, was für praktische Zwecke immer noch nicht ausreichend gut ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein integriertes Lichtwellenleiter-Bauteil zu schaffen, das eine niedrige Doppelbrechung zeigt, das heißt eine niedrige Polarisationsabhängigkeit in der Größenordnung von 0,05 nm.
  • Die vorliegende Erfindung ergibt einen integrierten Lichtwellenleiter, der zumindest zwei Überzug-Schichten auf einem Substrat und zumindest eine Kernschicht umfasst, die zwischen den Überzug-Schichten angeordnet ist, wobei die Kernschicht einen höheren Brechungsindex als der Brechungsindex der Überzug-Schichten hat, wobei das Material der oberen Überzug-Schicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen an den des Materials des Substrates angepasst ist, wobei dieser thermische Ausdehnungskoeffizient nicht an den des Materials der Kernschicht angepasst ist.
  • Die vorliegende Erfindung ergibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen integrierten Lichtwellenleiters.
  • Vorzugsweise ist die obere Überzug-Schicht mit Bor und Phosphor enthaltendem Material dotiert, um den gewünschten thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der oberen Überzug-Schicht zu erzeugen.
  • Wir haben festgestellt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der unteren Überzug-Schicht und des optischen Kernmaterials sich in weitem Umfang von zwischen 10 und 30 × 10–7°C–1 ändern kann, wobei das Bauteil immer noch eine niedrige Doppelbrechung zeigt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Damit die vorliegende Erfindung einfacher zu verstehen ist, wird nunmehr eine Ausführungsform der Erfindung lediglich in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine Querschnitts-Seitenansicht eines Wellenleiter-Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 schematisch einen in einer Gruppe angeordneten Gitter-Wellenlängen-Demultiplexer zeigt;
  • 3 ein Diagramm des Einfügungsverlustes gegenüber der Wellenlänge sowohl für die TE- als auch die TM-Moden zeigt;
  • 4 ein Diagramm des Einfügungsverlustes gegenüber der Wellenlänge sowohl für die TE- als auch die TM-Moden für ein Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 ein Diagramm des Einfügungsverlustes gegenüber der Wellenlänge für die TE-Mode eines 16-Kanal-Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
  • Ein integriertes Lichtwellenleiter-Bauteil gemäß 1 umfasst ein Substrat 1 üblicherweise in Form eines Silizium-Einkristalls, auf dem eine Überzug-Schicht 2 auf einer Seite gebildet ist. Die Schicht 2 enthält üblicherweise Siliziumdioxid (SiO2) und kann durch ein Verfahren thermisch aufgewachsen oder abgeschieden werden, wie z. B. PECVD, LPCVD, APCVD oder FAD. Die Schicht 2 weist normalerweise eine Dicke von mehr als 10 μm auf und wird durch Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb von 1100°C verdichtet. Ein oder mehrere optische Kernelemente werden in einer Schicht 3 gebildet. Die Schicht 3 enthält wiederum SiO2, doch ist der Brechungsindex der Schicht 3 höher als der Brechungsindex der Schicht 2. Typischerweise ist der Unterschied des Brechungsindex in der Größenordnung von 5-20 × 10–3 und wird durch Dotieren der Kernschicht mit Germanium, Phosphoroxid, Boroxid oder Kombinationen hiervon erzielt. Danach wird eine obere Überzug-Schicht 4 geschaffen, die in der gezeigten Weise drei Seiten der optischen Kernschicht bedeckt. Die obere Überzug-Schicht 4 weist den gleichen Brechungsindex auf, wie die untere Überzug-Schicht 2 und wird unter Verwendung einer der Techniken gebildet, die bezüglich der unteren Überzug-Schicht 2 beschrieben wurden.
  • Die vorstehende Struktur ist grundlegend üblich, doch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von der üblichen Struktur insoweit, als die obere Überzug-Schicht 4 mit einem geeigneten Material dotiert ist, um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erzielen, der sehr nahe an dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates 1 liegt. Wie das Dotiermaterial gewählt wird und wie die Dotierungsmenge bestimmt wird, wird nunmehr beschrieben.
  • Es ist bekannt, dass das Dotieren von Siliziumoxid mit einem Dotierungsmittel, wie z. B. Boroxid und Phosphoroxid, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des so dotierten Materials vergrößert. Es ist weiterhin bekannt, dass die Spannung in einer Schicht auf die Dicke T der Schicht und die Dicke D, dem Elastizitätsmodul E und den Poisson'schen Koeffizienten V des Substrates durch die Gleichung s = E × D2/[6(1–v) × R × T] bezogen ist, worin R die gemessene Krümmung der Kombination ist. Unter Verwendung des optischen Spannungskoeffizienten K kann die Doppelbrechung B gewonnen werden, weil B = K×s=nTE– nTM ist, worin nTE der Brechungsindex der TE-Mode und nTM ein Brechungsindex für die TM-Mode des optischen Kerns ist. Es ist bekannt, dass der optische Spannungskoeffizient K ungefähr 3,5 nm/cm/Bar für SiO2 ist.
  • Auf der Grundlage dieser Hintergrundinformation wurde ein Testbauteil mit der in 1 gezeigten grundlegenden Struktur hergestellt und in der in 2 gezeigten Konfiguration getestet. Die Krümmung R der oberen Überzug-Schicht wurde unter Verwendung eines Profilometers gemessen.
  • Eine obere Überzug-Schicht mit einer Dicke von 15 μm wurde verwendet. Das Ausmaß der Dotierung und das Dotierungsmaterial wurde in aufeinanderfolgenden Experimenten geändert, bis die gemessene Krümmung anzeigte, dass die Doppelbrechung auf ein Minimum verringert war. Es wurde bei einer Analyse eines befriedigenden Tests festgestellt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der oberen Überzug-Schicht für eine niedrige Doppelbrechung in der gleichen Größenordnung wie der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrates 1 war; das heißt mit anderen Worten in der Größenordnung von 35 × 10–7 °C–1. Vorzugsweise sollte sich die dotierte obere Überzug-Schicht in einem Zustand mit niedriger Kompressionsspannung verglichen mit dem Substrat befinden, um Spannungsbrüche auf Grund von Fehlern zu vermeiden.
  • Der Test zeigte weiterhin, dass eine obere Überzug-Schicht 4 mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 28 × 10–7 °C–1 eine Wellenlängen- Verschiebung aufgrund der Polarisation in der Größenordnung von 0,2–0,25 nm ergab, was für praktisches Bauteil als nicht befriedigend angesehen wird. Dies ist in 3 gezeigt. Es wurde weiterhin festgestellt, dass ein Dotieren der unteren Überzug-Schicht 2 mit Bor- oder Phosphormaterial zur Erzeugung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 22 × 10–7 °C–1 und ein Dotieren der Kernschicht 3 mit Bor, Phosphor oder Germanium enthaltendem Material zur Erzeugung thermischer Ausdehnungskoeffizienten, die von 13–30 × 10–7 °C–1 reichten, zeigte, dass es ohne die korrekte Dotierung der oberen Überzug-Schicht 4 zur Anpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates nicht möglich war, eine Polarisationsabhängigkeit unterhalb von 0,1 nm zu erzielen.
  • Die Ergebnisse des Tests wurden dann notiert und praktische Bauteile wurden unter Verwendung der gleichen Ausgangsmaterialien wie beim Test, jedoch durch Dotieren der oberen Überzug-Schicht 4 mit der geeigneten Dotierungsmenge erzeugt, um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 35 × 10–7°C–1 zu erzeugen, was nahe an dem des Siliziumsubstrates liegt. Die Wirkung des Einfügungsverlustes für die TE- und TM-Moden als Funktion der Wellenlänge ist in den grafischen Darstellungen in 4 gezeigt.
  • Weitere Tests haben gezeigt, dass ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von 33 × 10–7 °C–1 befriedigende Ergebnisse ebenso ergab, wie ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von 37,3 × 10–7 °C–1. Es wird als ratsam angesehen, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der oberen Überzug-Schicht 4 kleiner als der oder gleich dem des Substrates 1 zu halten, damit die Schicht 4 in einem Zustand einer Kompressionsspannung bleibt.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass 16-Kanal-Wellenlängen-Demultiplexer hergestellt werden können, die Einfügungsverluste haben, wie sie in 5 gezeigt sind. Die Kurven des Einfügungsverlustes in dieser Figur gelten sowohl für die TE- als auch die TM-Moden.

Claims (8)

  1. Integrierter Lichtwellenleiter mit zumindest zwei Überzug-Schichten (2, 4) auf einem Substrat (1) und zumindest einer Kernschicht (3), die zwischen den Überzug-Schichten angeordnet ist, wobei die Kernschicht (3) einen höheren Brechungsindex als der Brechungsindex der Überzug-Schichten hat, wobei das Material der oberen Überzug-Schicht (4) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen an den des Materials des Substrats (1) angepasst ist, wobei dieser thermische Ausdehnungskoeffizient nicht an den des Materials der Kernschicht (3) angepasst ist.
  2. Verfahren zur Herstellung eines integrierten Lichtwellenleiters, das die Bildung einer unteren Überzug-Schicht (2) auf einer Hauptfläche eines Substrates (1), die Bildung eines Wellenleiter-Kerns (3) auf der unteren Überzug-Schicht (2), wobei der Kern einen höheren Brechungsindex als der Brechungsindex der unteren Überzug-Schicht (2) aufweist, und die Bildung einer oberen Überzug-Schicht (4) umfasst, wobei das Material der oberen Überzug-Schicht (4) dotiert ist, um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erzeugen, der im Wesentlichen an den des Materials des Substrates (1) angepasst ist, wobei dieser thermische Ausdehnungskoeffizient nicht an den des Materials der Kernschicht (3) angepasst ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Substrat aus Silizium gebildet ist und die darauf angeordneten Schichten Siliziumdioxid enthalten.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die obere Überzug-Schicht (4) mit einem Material dotiert ist, das Germanium, Bor und/oder Phosphor enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die untere Überzug-Schicht mit einem Material dotiert ist, das Germanium, Bor und/oder Phosphor enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem jede der Schichten durch einen Prozess, wie z. B. PECVD, LPCVD, APCVD oder FHD gebildet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient der oberen Überzug-Schicht im Wesentlichen gleich, jedoch nicht größer als der des Substrates ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Substrat aus Silizium gebildet ist und der thermische Ausdehnungskoeffizient der oberen Überzug-Schicht in dem Bereich von 30–35 × 10–7 °C–1 liegt.
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