DE2526117C2

DE2526117C2 - Integrierter elektrooptischer Schalter

Info

Publication number: DE2526117C2
Application number: DE2526117A
Authority: DE
Inventors: Michel Orsay Papuchon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-06-14
Filing date: 1975-06-11
Publication date: 1983-02-24
Also published as: US4035058A; FR2299662B1; FR2299662A1; JPS5194974A; DE2526117A1; JPS5738888B2; GB1507035A

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten elektrooptischen Schalter zur Übertragung von Strahlungsenergie von einem elertrooptischen Wellenleiter auf einen anderen elektrooptischen Wellenleiter, von denen Teile parallel zueinander auf einer vorbestimmten Länge, der Koppiungslänge, und in einem solchen Abstand angeordnet sinö, daß die Energieübertragung erfolgt, mit Elektroden, die in der Lage sind, die beiden

JO Wellenleiterteile unter der Einwirkung eines elektrischen Steuersignals einem zu der Längsrichtung der Wellenleiterteile senkrechten elektrischen Feld auszusetzen, welches in den Wellenleiterteilen Brechungsindexänderungen hervorruft, bei dem die beiden Wellen-

)5 leiterteile aus einem ferroelektrischen Material bestehen.

Ein solcher integrierter elektrooptischer Schalter ist aus IBM Techn. Disci. Bull. 14 (1971). 5.999-1000. bekannt. Bei diesem elektrooptischen Schalter werden die Wellenleiter in einem Substi,.t aus ferroelektrischcm Material durch Anlegen eines elektrischen Feldes erzeugt, das zur Substraloberfläche senkrecht ist. Bei Anlegen einer Polarisationsspannung an Elektroden, die auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des

A5 Substrates angeordnet sind, werden lokale Brechungsindexänderungen erzeugt, welche die Bildung der Wellenleiter zur Folge haben. Um die Kopplung zwischen den zueinander parallelen Wellenleitern zu verändern, kann der Brechungsindex im Bereich zwischen diesen Wellenleitern verändert werden.

Bei diesem bekannten elektrooptischen Schalter ist ungünstig, daß die Wellenleiter in dem Substrat nicht dauerhaft und nur unpräzise abgegrenzt sind, da sie erst durch das angelegte Polarisationsfeld entstehen. Die

γ, Erfindung befaßt sich hingegen mit integrierten elektrooptischen Schaltern, deren Wellenleiter körperlich getrennt voneinander ausgebildet und präzise begrenzt sind. Derartige elektrooptische Schalter sind insbesondere für das Gebiet der integrierten Optik bestimmt, wobei diese Bezeichnung in Analogie zu den integrierten elektronischen Schaltungen gewählt ist. d. h. monolithischen Strukturen, bei denen dünne Schichten verwendet werden.

Ein solcher Schalter kann nach dem Prinzip dvs

hi Richtkopplers hergestellt werdet), d. h. einer Vorrichtung, welche zwei Wellenleiter aufweist, deren Kopplung unter der Einwirkung einer äußeren Steuerung von 0% bis 100% veränderlich ist. Zu diesem Zweck werden

zwei Wellenleiter füi sii* Strahlungsenergie parallel zueinander auf einer als Kopplungslänge bezeichneten Länge angeordnet, die derart festgelegt ist, daß sich eine maximale Kopplung ergibt, d. h. daß am Ende der Länge L die gesamte Energie von einem Wellenleiter auf den anderen übertragen wird. Wenn die Wellenleiter oder das sie trennende Material aus einem elektrooptischen Material bestehen, ist es durch eine elektrische Steuerung möglich, einen der die Länge L bestimmenden Parameter, beispielsweise den optischen Brechungsindex, derart zu verändern, daß die Länge Ldann einem Kopplungsminimum entspricht. Es ergeben sich dann Probleme hinsichtlich des Wirkungsgrades der Steuerung - die Kopplung soll sich von 0% bis 100% ändern, damit ein wirklicher Schalter vorliegt — und is hinsichtlich der Größe der elektrischen Steuerleistungen, die erforderlich sind: Im Rahmen der integrierten Optik sollen diese nämlich mit den herkömmlichen integrierten elektronischen Schaltungen kompatibel sein. .

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines integrierten elektrooptischen Schalters der eingangs genannten Art, der durch elektrische Signale verhältnismäßig geringer Leistung steuerbar und für integrierte elektrooptisch^ Schaltungen verwendbar isL Diese Aufgabe wird durch einen integrierten elektrooptischen Schalter der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material in den beiden Weilenleiterteilen in entgegengesetzten Richtungen, aber jeweils senkrecht zu den to Längsrichtungen der Wellenleiter und parallel zu deren gemeinsamer Ebene vorpolarisiert ist und daß das an die beiden Wellenleiter anlegbare elektrische Feld in diesen beiden in gleicher Richtung und parallel bzw. antiparallel zu den Vorpolarisationsrichtungen verläuft, so daß die hierdurch in den beiden Wellenleiterteilen hervorgerufenen Brechungsindexänderungen einander entgegengesetztsind.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des integrierten elektrooptischen Schalters ist im Anspruch 8 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen integrierten elektrooptischen Schalters sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.

Der Erfindungsgegenstand wild im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen die

Fig. I und 2 in Draufsicht bzw. im Schnitt eine Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung, und die

Fig. 3 bis 6 die verschiedenen Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Schalters nach der Erfindung. In den verschiedenen Figuren tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.

F i g. I zeigt einen Teil eines isolierenden Substrats 6. v, welches einen Scha'ter nach der Erfindung trägt, der aus zwei Wellenleitern 1 und 2 für die Strahlungsenergie und zwei metallischen Elektroden 4 und 5 besteht, die auf das Substrat 6 aufgetragen sind. Die Wellenleiter 1 und 2 sind auf einer Länge L der Knpplungslänge, w) parallel zueinander, wobei der Wellenleiter 2 sich von dem Wellenleiter 1 beiderseits der Kopplungslänge L in einer im wesentlichen normalen Richtung entfernt. Die Wellenleiter haben vorzugsweise denselben optischen Brechungsindex /(!.dieselbe Breite <f und dieselbe Dicke tv, b. Sie sind auf der Kopplungsliingc durch einen kleinen Abstand c voneinander getrennt, der in der Größenordnung der Breite 11 liegt oder kleiner als die Breite ;; ist.

damit die Kopplung über die Entfernung L mit einem Wirkungsgrad von etwa 100% erfolgt, wie weiter unten ausführlicher erläutert. Die Elektroden 4 und 5 sind auf der Kopplungslänge L beiderseits der Wellenleiter 1 und 2 angeordnet, die Elektrode 4 längs des Wellenleiters 1 und die Elektrode 5 längs des Wellenleiters 2. Die Elektroden 4 und 5 können entweder von den Wellenleitern 1 und 2 durch eine Strecke dgetrennt, wie in Fig. 1 dargestellt, oder mit den Wellenleitern in Berührung sein.

F i g. 2 ist eine Schnittansicht längs der Achse AA der oben beschriebenen Einrichtung. Sie zeigt das Substrat 6, auf welchem die Wellenleiter t und 2, die die Breite a und die Dicke b haben, und die Elektroden 4 und 5 angeordnet sind, die von den Wellenleitern 1 und 2 durch eine Strecke c/geirennt sind.

Der optische Brechungsindex des Substrats 6 wird mit πι und der des Mediums 3, welches die beiden Wellenleiter trennt und beispielsweise aus Luft besteht, mit ^bezeichnet.

Es ist begannt, daß im Betrieb, wenn sich Strahlungsenergie in einem Wellenleiter, b' .,pielsweise dem Wellenleiter 1, ausbreitet und wc-.in ein zweiter Wellenleiter, beispielsweise der Wellenleiter 2, in einem ausreichend kleinen Abstand c von dem ersten Wellenleiter angeordnet ist, zwischen den beiden Wellenleitern eine Kopplung aufgrund einer Erscheinung vorhanden ist. die man als quergedämpfte Wellen bezeichnet, d. h. Wellen, deren Intensität in der zu den Waden des Wellenleiters senkrechten Richtung seht schnell abnimmt. Diese Kopplung ist mrximal. wenn die beiden Wellenleiter einander genügend nahe, höchstens in der Größenordnung von e'nigen Wellenlängen der geführten Energie, und gleich sind, nämlich dieselbe Abmessung (hier a und b) und denselben Brechungsindex (ti]) haben, d. h. daß eine totale Energieübertragung abwechselnd von einem Wellenleiter zum anderen erfolgt: Man kann deshalb eine Kopplungslänge L definieren, für welche die gesamte Energie, die in dem ersten Wellenleiter 1 zugeführt wird, in den zweiten Wellenleiter 2 übertragen und darin aufrechterhalten wird, wenn die beiden Wellenleiter nach der Strecke L ge-.ennt werden, wie es Fig. I zeigt. Die Strecke L hängt von den optischen und geometrischen Parametern der Struktur und insbesondere von den Brechungsindizes η\.Πι und rii ab.

Zur Herstellung eines elektrooptischen Schalters oder, anders ausgedrückt, eines Richtkopplers. der auf eine elektrische Steuerung hin die Energie eines Wellenleiters in den anderen überträgt, werden die Wellenleiter 1 und 2 aus elektrooptischen! Material gebildet, dessen Brechungsindex lh sich unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes verändern kann, das zwischen den Elektroden 4 und 5 gebildet wild. Genfer gesagt, die Wellenleiter 1 und 2 werden aur, einem ferroclektrischcn Material hergestellt, welches vorher in der Richtung der Schnittachse AA. aber für jeden der Wellenleiter in entgegengesetzter Richtung polarisiert worden ist. wie beispielsweise durch die Pfeile 11 und 12 in F i g. 2 angegeben. Das Anlegen einer Potentialdifferen.. an die Elektroden 4 und 5. beispielsweise + a:i der Elektrode 4 und — an der Elektrode 5. bewirkt eine Änderung ,Jn. des Brechungsindex m des Materials: --Jn. für den Wellenleiter 1 und +.Wi, finden Wellenleiter 2. Die verschiedenen Parameter werden derart gewühlt, daß die auf diese Weise /wischen den beide,-. Wellenleitern gebildete Asyimv; trie für die Länge /. eine minimale Kopplung bewirkt.

die praktisch gleich Null ist.

Auf diese Weise wird eine Vorrichtung geschliffen, welche die Strahlungsenergie in ihrer Gesamtheit von dem einen Wellenleiter auf den anderen umschaltet oder nicht, je nachdem, ob ein elektrisches Steuersignal an sie nicht angelegt ist oder an sie angelegt ist.

Die umgekehrte Arbeitsweise ist selbstverständlich möglich: Γs genügt, eine Länge /. /u wühlen, die einem Kopplungsminimum bei nicht vorhandenem elektrischen Feld entspricht.

F.s ist zu bemerken, daß die elektrischen Stcuerspannungen. die bei dieser Vorrichtung verwendet werden, klein sind. d. h. in der Größenordnung von einigen Volt liegen und mit den von integrierten elektronischen Schaltungen gelieferten Amplituden vollkommen kompatibel sind.

Übrigens können die F.lektroden 4 und 5 in einem Abstand d von den Wellenleitern angeordnet werden, um Verluste durch metallische Absorption der Strahlungsenergie bei ihrer Reflexion an der Trennfläche /wischen Wellenleiter und Elektrode /u vermeiden. Dieser Abstand braucht nicht genau festgelegt zu werden und kann auf der gesamten Länge /. sogar nicht völlig konstant sein.

Schließlich besteht bei der in den F i g. I und 2 dargestellten Aui'ührungsform das Material 3. welches sich /wischen den Wellenleitern befindet und irgendein Material sein kann, aus Luft. Bei dem im folgenden besciiriebenen bevorzugten Herstellungsverfahren besteht es aus dem Substrat.

F i g. 3 zeigt den ersten Schritt des Verfahrens nach der Erfindung. Sie zeigt das Substrat 6. das einen Brechungsindex n₂ hat. aus ferroelektrischem Lithiumtantalat besieht und mit einer metallischen Schicht 10. beispielsweise aus Platin, bedeckt ist.

F i g. 4 zeigt das Substrat b und die Schicht 10. die in drei Elektroden unterteilt ist: die Elektroden 4 und 5 und eine Mmelelcktrode H. Diese Unterteilung kann mit Hilfe aller bei integrierten Schaltungen bekannten Maskierungsverfahren erfolgen. Auf die Anordnung wird eine Schicht 14 aus Niobium aufgebracht, das man in die kanalförmigen Zonen des Substrats 6 diffundieren IaIU. welche durch die Schicht 10 freigelassen sind. Man erhalt nach der Diffusion und einer gegebenenfalK vorgenommenen Keinigiini: der I lektroden 4, I t und 5 von dem mc bedeckenden \iobmm zwei /oiien.

welche Niobium enthalten und infolgedessen einen Brechungsindex η haben, der großer isi ,ils der

■'> Brechungsindex n> des Substrats. Diese beiden Zonen bilden du Wellenleiter I und 2. wie in F ι g. ö dargestellt.

Die Anordnung wird auf eine Temperatur oberhalb der C'urie-Teinperaliir des Materials, die hier in der Größenordnung von I IHO C liegt, erhitzt und anschhe-

Ki Bend werden an die F.lektroden zwei elekt ische Felder angelegt, wie sie beispielsweise in Fig.·) durch die !'feile 21 und 22 dargestellt sind, ti. h. K-UUt. welche die gleiche Amp ude und die genau emgi-gcngeserzte

Richtung haben. Schließlich lallt man die Anordnung

r> langsam abkühlen, um die oben erwähnte Polarisation der Wellenleiter I und 2 /w erhalten.

In einem in F i g. b dargestellten letzten Schutt μ ud die Mittelelektrode U beseitigt, tieren Vorhandensein vor allem Verluste durch metallische Abiorpiion .'» hervorrulen würde, und l-s werden die l.lektroden 4 und 5 auf einen Abstand d von den Wellenleitern 1 und 2 gebracht. Diese letztgenannte Operation, die in der oben beschriebenen Weise ebenfalls mit Hilfe herkömmlicher Ma,kierungsverfahren ausgeführt werden 2Ί kann, erfordert nicht die Genauigkeit der vorhergehenden Operationen.

Auf diese Weise ist der Schalter nach der Erfindung geschaffen worden, der aus den beiden Wellenleitern I und 2 für die Strahlungsenergie und den beiden ρ Elektroden 4 und 5 besteht, wobei die beiden Wellenleiter bei dieser Ausführungsform durch eine mit der Be/ugszahi 10 bezeichnete .Substratdicke voneinander getrennt sind.

Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt insbesondere i". darm, daß durch dieselbe Operation die Elektroden 4 und 5 hergestellt und das Substrat für die Diffusion maskiert werden kann.

Als Beispiel wird angegeben, daß ein Schalter mit diffundierten Zonen der Breite a in der Größenordnung ;■' von 5 μιη, die auf einer Strecke L parallel zueinander und durch einen Abstand c von ungefähr 2 iim getrennt sind, hergestellt worden ist. wobei die Steuerspanning unter 5 Volt liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierter elektrooptischer Schalter zur Übertragung von Strahlungsenergie von einem elektrooptischen Wellenleiter auf einen anderen elektrooptischen Wellenleiter, von denen Teile parallel zueinander auf einer vorbestimmten Länge, der Kopplungslänge, und in einem solchen Abstand angeordnet sind, daß die Energieübertragung erfolgt, mit Elektroden, die in der Lage sind, die beiden Wellenleiterteile unter der Einwirkung eines elektrischen Steuersignals einem zu der Längsrichtung der Wellenleiterteile senkrechten elektrischen Feld auszusetzen, welches in den Wellenleiterteilen Brechungsindexänderungen hervorruft, bei dem die beiden Wellenleiterteile aus einem ferroelektrischen Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in den beiden Wellenleiterteilen in entgegengesetzten Richtungen, aber jeweils senkrecht, zu den Längsrichtungen der Wellenleiter und para^el zu deren gemeinsamer Ebene vorpolarisiert ist und daß das an die beiden Wellenleiter anlegbare elektrische Feld in diesen beiden in gleicher Richtung und parallel bzw. antiparallel zu den Vorpolarisationsrichtungen verläuft, so daß die hierdurch in den beiden Wellenleiterteilen hervorgerufenen Brechungsindexänderungen einander entgegengesetzt sind.

2. Schalter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterteile auf einem Substrat vereinigt sind und daß die Elektroden auf dem Subu.rat beiderseits der durch die Wellenleitertcile gebildeten Anordnung und im wesentlichen auf der Koppiungslänge angeordnet sind.

3. Schalter nach Ansprv-h I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Welienleiterteile im wesentlichen die gleichen Abmessungen und in Abwesenheit des Steuersignals denselben Brechungsindex haben.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterteile auf der Kopplungslänge durch Luft getrennt sind.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 Hs 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter durch einen Teil des Substrats getrennt sind.

6. Schalter nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf dem Substrat ohne Berührung mit den Wellenleitern angeordnet sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines elektrooptischen Schalters nach einem der Ansprüche I bis 3 und 5 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

— Auftragen einer metallischen Schicht auf ein Substrat aus ferroelcktrischem Material,

— Angreifen der metallischen Schicht, um das Substrat in Form von zwei parallelen Kanälen auf einer vorbestimmten Länge (L), der Kopplungslänge, freizulegen, wobei die Kanäle durch einen metallischen Mittelstreifen getrennt und von metallischen Randstreifen eingerahmt sind,

— Auftragen einer zweiten Schicht aus einem Material auf die metallische Schicht und auf die Kanäle, das man auf der Höhe der Kanäle in das Substrat ciiuliffundicrcn läßt, um zwei Zonen zu bilden, welche als Wellenleiter dienen, deren optischer Brechungsindex größer als der des Substrats ist,

— Erzeugen von einander entgegenwirkenden

remanenten elektrischen Polarisationen in den Zonen, indem die Anordnung auf eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur gebracht wird und indem eine Polarisationsspannung an den Mittelstreifen und die Randstreifen angelegt wird,

— Abkühlen der Anordnung und anschließend Abschalten der Polarisationsspannung, und

— Beseitigen des metallischen Mittelstreifens, wobei die beiden metallischen Randstreifen zurückbleiben, welche als Elektroden dienen, die auf der Länge (L) beiderseits der Wellenleiter liegen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Lithiumtantalat besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus Niobium besteht.