DE2423757A1 - Duennschicht-wellenleiter - Google Patents

Duennschicht-wellenleiter

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Albert Anthony Ballman
Ping King Tien
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/0632—Thin film lasers in which light propagates in the plane of the thin film

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen als Dünnschichtbauelement ausgebildeten Wellenleiter für elektromagnetische Strahlung des optischen Spektralbe reiches, mit einem ersten, als Substrat dienenden Körper aus optisch transparentem Material und einem hierauf angeordneten zweiten Körper aus optisch transparentem Material, dessen Brechungsindex größer als der des ersten Körpers ist und dessen Hauptflächen um einen Abstand in der Größenordnung einer Wellenlänge der hierin zu führenden Strahlung voneinander getrennt sind.
Wie von S. E. Miller in Band 48 von Bell System Technical Journal, Seite 2059 (1969) beschrieben, werden künftige optische Nachrichtenübertragungseysteme hoher Kapazität aus zahlreichen passiven und aktiven integrierten optischen Schaltungsbauelemen-
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ten bestehen, die informationstragende Lichtwellen führen und beeinflußen. Seit dem Zeitpunkt der vorstehend genannten Ver -öffentlichung wird in ausgedehnten Forschungen an zahlreichen optischen Dünnschicht-Wellenleitern und an zugeordneten optischen Bauelementen gearbeitet. Diese Wellenleiter und Vorrichtungen sind teilweise dem Rechteckhohlleiter und dessen zugeordneten Bauteilen analog, wie diese bei den üblichen niedrigeren Frequenzen verwendet werden. Die einschlägigen Untersuchungen haben ergeben, daß der mögliche Erfolg der vorgesehenen optischen Systeme hauptsächlich von der Entwicklung von Dünnschichtmaterialien abhängt, die geeignete optische Übertragungseigenschaften besitzen und die sich für die Herstellung von Vorrichtungen eignen, in denen die geführten Wellen beeinflußt und manipuliert werden können.
Einkristalline Dünnschichtmaterialien haben sich als besonders attraktiv für integrierte optische Anordnungen erwiesen, weil sie generell niedrige Verluste für die geführten Wellen haben, relativ einfach sind und billig in der gewünschten Qualität und
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Form hergestellt werden können. Oarüberhinaus eignen sie sich auch gut für die Herstellung aktiver optischer Bauelemente. Einkrietalline Galliumarsenid-Alumtaiumgalliumarsenid-Systeme waren beispielsweise der Gegenstand umfangreicher Untersuchungen und haben zur Herstellung zahlreicher potentiell brauchbarer Dünnschicht-Wellenleiter, -Laser und -Modulatoren geführt. Siehe beispielsweise Applied Physics Letters, Band 20, Seite 36 (1972).
Vor kurzem wurde gefunden, daß zahlreiche einkristalline synthetische Granatmaterialien eich für integrierte optische Zwecke gut eignen. In Applied Physics Letters, Band 22, Seite 394 (1972) wurde berichtet, daß eine lichtführende Dünnschicht aus magnetischem Granatmaterial bei der Herstellung eines wirksamen magnetooptischen Dünnschlchtechalters und -Modulators verwendet werden kann, dessen Grüße und Form mit den vorgesehenen integrierten optischen Systemen verträglich ist. Die ausgezeichneten magnetischen Granatfilme, die hier benutzt worden sind, haben neue Möglichkeiten für magnetooptische Dünnschichtvor-
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richtungen eröffnet.
Trotz dieser neueren Entwicklungen sind einkristalline Mate* rialien, die sich zur Verwendung bei optischen Dünnschichtbauelementen eignen, immer noch relativ spärlich. Galliumarsenid und die verschiedenen Granate sind zwei der sehr wenigen verfügbaren einkristallinen Schicht mate rialien, mit denen Dünnschichtbauelemente realisiert werden können. Es ist daher ein starkes Bedürfnis für neue hochqualitative einkristalline Materialien vorhanden, die sich als aktive und passive Elemente in künftigen optischen Systemen eignen.
Die Erfindung macht nun eine neue Materialklasse für die Dünnschichtbaueleznente der einleitend beschriebenen Art verfügbar, und die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien des ersten und zweiten Körpers im wesentlichen einkristalline Sillenit-Zusammeneetzungen sind, die im wesentlichen bestehen aus Bi3O3 und kombiniert mit Bi3O3 wenigstens einem Material, das aus der aus GeO3, SiO3, TiO3, ZnO, Ga3^)3, Al3O3, Fe3O3,
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B-O0 und P„C> bestehenden Gruppe ausgewählt ist. 2 ο ύ 5
Ein erfindungsgemäßes Wellenleiter-Bauelement für optische Wellen umfaßt eine Dünnschicht aus einem transparenten Wismuth-Oxyd-Sillenitmaterial, das auf einem Substrat aufgebracht ist. Das Substrat ist gleichfalls ein transparentes Wismuth-Oxyd-Sillenitmaterial, jedoch von niedrigerem Brechungsindex als der der Schicht. Die bei diesen Bauelementen benutzten Sillenit-Materialien sind ausgewählt von etwa zehn nichtzentrischen Verbindungen, die in kubisch raumzentrierter Struktur der Punktgruppe 23 kristallisieren und in der Zusammensetzung vom reinen Bi0O. bis zu Verbindungen von Bi0O in wechselnden Verhältnissen mit GeO2, SiO34 TiO3, ZnO, Ga3O3, Al3O3, Fe0O , B0O0 und P0O0 reichen. Wismuth-Germanat des Formeltype 6Bi0O0-GeO ist beispielhaft. Hochqualitative einkristalline Sillenitschichten mit ausgezeichneten resultierenden optischen Wellenleitereigenschaften sind auf Sillenit-Substraten mit niedrigerem Brechungsindex durch heteroepitaktische Züchtungsmethoden erhalten worden. Die Schichten hatten eine
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Dickendimension von annähernd der Wellenlänge der hierin zu übertragenen Strahlung in einem geführten Mode parallel zur Schichtebene.
Die hier interessierenden Sillenit-Materialien besitzen Eigenschaften, die sich bei der Herstellung zahlreicher aktiver optischer Dfinnechichtbauelemente nutzbringend ausnützen lassen. Im einzelnen wurde von den Sillenit-Materialien gefunden, daß sie brauchbare elektrooptische Koeffizienten und akkustische Oberflächenwellenkoeefizienten besitzen, ferner Faraday-Hotation zeigen und piezoelektrisch, optisch aktiv, optisch nicht linear und fotoleitend sind. Die Dünnschicht-Bauelemente, die mit diesen Sillenit-Materialien hergestellt worden sind, haben, soweit ersichtlich, sämtliche dieser wünschenswerten Eigenschaften.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung sei ein elektrooptischer Dünnschichtschalter und Modulator beschrieben. Die Vorrichtung verwendet eine lichtleitende Sillenitschicht, auf der ein
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Paar ineinandergreifender kammförmiger Elektroden niedergeschlagen sind. Durch richtige Auswahl des Abstandee zwischen den Elektroden und der angelegten Spaniuihg kann eine räumlich periodische Änderung des Brechungsindexes der Schicht induziert werden, die zur Umsetzung der TE-Polarisationsmoden in TM-Polarisationsmoden oder umgekehrt in der Schicht dienen. Das Hindurchschicken des geführten Strahlenbündels durch einen Dünnschichtpolarisator erlaubt, die Intensität des Strahles durch Ändern der an den Elektroden anstehenden Spannung zu modulieren.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine Schrägansicht einer Ausführungsform
der Erfindung, und
Fig. 2 eine Schrägansicht eines erfindungsgemäß
ausgebildeten elektrooptischen Dünnschicht* schalters und -Modulators.
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Ih Fig. 1 ist ein optischer Dünnschicht-Wellenleiter 10 dargestellt. Er ist aufgebaut aus einer Schicht 11 aus einem transparenten einkristallinen Wismuthoxyd-Sillenitmaterial, das auf einem Substrat 12 niedergeschlagen ist. Letzteres ist gleichfalls aus einem transparenten einkristallinen Wismuthoxyd-Sillenitmaterial« das aber kleineren Brechungsindex als die Schicht besitzt. Beispielshafte Materialien sind Wismuthgermanat des Formeltyps 6Bi0O-GeO für das Substrat 12
Cl O Ci
und Wismutgallat des Formeltyps 12Bi O -Ga O für die
ei A ti ο
Schicht 11. Die Schicht 11 hat eine Dicke, die etwa gleich der Wellenlänge der hierin zu übertragenden elektromagnetischen Strahlung ißt, so daß die Strahlung in dieser Dimensions richtung effektiv beschränkt ist durch die dielektrischen Diskontinuitäten an den Hauptflächen der Schicht , d.h. an den Grenzflächen zwischen Substrat und Schicht und zwischen Luft und Schicht. Für die vorliegenden Zwecke kann die Dicke der Schicht 11 zwischen dem 0,1 fachen und dem lOOfachen der Wellenlänge, vorzugsweise zwischen dem 1 fachen und dem 10fachen der Wellenlänge liegen. Die Übertragung der Strahlung in den beiden Brei-
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ten-Dimensionen der Schicht 11 ist üblicherweise unbeschränkt.
Kopplungsprismen 13 und 14 sind zum Einkoppeln und Auskoppeln eines Strahlenbündels 15 in die bzw. aus der Schicht 11 vorgesehen. Das Strahlenbündel 15 ist kohärent und hat eine Wellenlänge im optischen Bereich des Spektrums (das sowohl den sichtbaren Bereich als auch die hieran angrenzenden Bereiche umfaßt). Das Strahlenbündel kann beispielsweise mit Hilfe eines Lasers erzeugt werden. Der Verbraucher 19 empfängt die ausgekoppelte Strahlung. Nichtdargestellte Mittel dienen zur Polarißierung des ankommenden und abgehenden Strahlenbündels, falls dieses im Einzelfall erforderlich sein sollte.
Die gegebenenfalls dotierte aktive Zone 17 der Schicht 11 wird nachstehend noch erläutert werden. Es sei bemerkt, daß die Darstellung der Fig. 1 der besseren Klarheit halber nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sein muß.
Aufbau und Wirkungsweise der Kopplungspriemen 13 und 14
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sind im einzelnen beschrieben in Applied Physics Letters, Band 14, Seite 291 (1969). Andere Bauelemente zur Durchführung derselben Funktion sind gleichfalls verfügbar. Die optische Kopplung und Entkopplung kann beispielsweise bewerkstelligt werden mit Hilfe eines optischen Gitters, das auf einer der Hauptflächen der Schicht 11 gebildet ist. Gitterkopplungselemente sind wegen ihrer im wesentlichen zweidimensionalen Ausdehnung für integrierte optische Bauelemente wünschenswert, bei denen eine Miniaturisierung und EiniacKheit wichtig ist. Ein Gitter-Kopplungselement 1st beispielsweise scbematisch in der Anordnung nach Fig. 2 dargestellt. Einzelheiten hierüber siehe weiter unten. Dünnschicht-Gitterkopplungselemente sind in der US-Patentschrift 3. 674. 335 beschrieben.
Wie angegeben, sind die in der Anordnung nach Fig, I benutzten Materialien einkristalline Zusammensetzungen der Sillenit-Familie von Wismutoxyden. Die Sülenit- Familie enthalt annähernd 10 nichtzentrische Verbindungen, deren Zusammensetzung reicht vom reinen Bi0O0 bis zu Verbindungen von
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O0 in unterschiedlichen Verhältnissen mit GeO44 SiO., TiO2. ZnO, Ga2O3, Al3O3, Fe3O3, B3O3 und P3O5. Diese Materialien sind dafür bekannt, in kubisch raumzentrierter Struktur der Punktgruppe 23 zu kristallisieren.
Da die . chemischen und physikalischen Eigenschaften der Sillenit-Verbindungen abhängen von den speziellen Ionen und Ionenverhältnissen, aus denen diese Verbindungen zusammengesetzt sind, ist es möglich, auB zahlreichen möglichen SUlenit-Zueammensetzungen jene Dünnschicht- und Substratmaterialien herauszusuchen, die die erforderliche Brechungsindex-Beziehung dergestalt besitzen, daß eine Wellenleitung auftreten kann, wenn ein Strahlenbündel in der Schicht angeregt wird. Teilweise oder vollständige Substitution zahlreicher Ionen im Wismutoxyd-System ermöglicht es, den Brechungsindex der Schicht oder des Substrates genau und über vergleichsweise weite Bereiche hinweg zu ändern. Wenn nach geeigneten Methoden gezüchtet, erweisen sich, wie gefunden wurde, einkristalline Sillenit-Dünnscbichten als praktisch vollkommen transparent im sichtbaren und nahen infraroten
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Teil des Spektrums bei vergleichsweise geringer Streuung und AbBOi ption !Qr optisch geführte Wellen. Die SÜlenit-Materialien sind daher ideal zur Verwendung als passive Wellenleiter der in Fig. 1 dargestellten Art geeignet.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Eigenschaften besitzen SÜlenit-Materialien brauchbare eIektrooptische Koeffizienten und akkustische Oberflächenwellenkoeffizienten, ferner zeigen sie Faraday-Rotation, und sind piezoelektrisch, optisch aktiv, optisch nichtlinear und fotoleitend. Diese zahlreichen Eigenschaften in einem hochqualitativen einkristallinen Material sollte sich als ausgesprochen nützlich bei der Herstellung zahlreicher aktiver Dünnschicht-Bauelemente erweisen, wie diese für existierende und künftige optische Systeme benutzt werden. Von den mit den SÜlenit-Materialien hergestellten Dünnschicht-Wellenleiteranordnungen wird angenommen, daß diese überhaupt die ersten sind, die sämtliche der oben angeführten höchst nützlichen Eigenschaften besitzen.
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Die Tatsache, daß die Sillenit-Materialien von kubischer Kristallstruktur sind, ermöglicht es, hochqualitative Dünnschichten der Materialien nach heteroepitaktischen Züchtungsmethoden herzustellen. Heteroepitaktische Züchtungsmethoden sind hauptsächlich für die Herstellung hochqudLitativer synthetischer Granatschichten für magnetische Einwanddomänen-Bauelemente entwickelt worden. Eine solche heteroepitaktische Züchtungemethode, die sich für die vorliegenden Zwecke eignet, ist im einzelnen beschrieben in Applied Physics Letters, Band 19, Seite 486 (1911). Das kubisch kristallierende System ist für Heteroepitaxy am günstigsten, da nur eine einzige Gitter konstante zwischen Schicht und Substrat beimZüchtungsprozeß anzupassen ist. Epitaktisches Wachstum aus flüssiges Phase ist, wie gefunden wurde, für die Herstellung von den erfindungsgemäßen Vierrichtungen vorzuziehen. Mit Vorteil können die verschiedenen Schmelzpunkte der einzelnen Mitglieder der Sillenitgruppe (siehe Tabelle I unten) dazu benutzt werden, daß einkristalline Sillenit-Substrate direkt in Schmelzen der gewünschten Schichtzusammensetzung eingetaucht werden können, um die einzelnen Bauelemente
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herzustellen. Die nachstehende Tabelle I gibt in der Spalte 1 eine Liste der Zusammensetzungen wieder, die die Sillenit-Familie von Wismutoxyden bilden. Die Molekularverhältnisee, die in Spalte 2 der Tabelle I angegeben sind, sind lediglich beispielhaft und können über weite Bereiche hinweg geändert werden. Die Brechungsindexwerte sind in Spalte 4 nur für jene Materialien angegeben, für die detaillierte Messungen gemacht worden sind. Wie weiter unten erläutert, können die Brechungsindex-Werte ebenfalls über weite Bereiche geändert werden. In der Tabelle I sind des weiteren noch andere physikalische und chemische Eigenschaften der einzelnen Verbindungen angegeben, die hier von Interesse sind.
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TABELLE I Zusammensetzung Verhältnis Gitterkonstante (R) Brechungsindex Schmelzpunkt (0C)
B12O3-B2°3 12:1 10.12 2.5424 700
■Ρ- Bi2°3-SiO2 6:1 10.10 2.5476 900
O
CD
/*v\ 		Bi2O3-GeO2 6:1 10.14 2.5619 935
cn Bi2°3-TiO2 6:1 10.17 2.5798 930
/07 Bi2O3-Ga2O3 12:1 10.17 - 825
K) T)J m\ Al f*\ 12:1 10.16 - 930
Bi2°3-Fe2°3 19:1 10.18 - 825
Bi2O3-ZnO 6:1 10.20 - 800
Bi2°3"P2°5 12:1 10. !β 900
Der Brechungsindex einer bestimmten Sillenit-Verbindung hangt vom speziell verwendeten Material ab, das mit Bi3O3 kombiniert ist und vom Verhältnis oder relativen Anteil dieses Materials in der Zusammensetzung. Für Zusammensetzungen mit denselben Verhältnissen wird, je höher der Brechungsindex des mit dem BiqOQ kombinierten Materials ist, der Brechungsindex der Zusammensetzung umso höher. Sonach hat 6Bi0O0-TiO0 einen
Cl 6 Cl
höheren Brechungsindex als 6Bi3O3-SiO2, weil TiO einen höheren Brechungsindex als SiO0 hat. Auch wirkt ein Erhöhen
des Verhältnisses des optisch dichteren Materials (oder eine Verringerung des Verhältnisses des optisch dünneren Materials) bei jeder betrachteten Sillenit-Zusammensetzung eine Erhöhung des BrechungsIndexes dieser Zusammensetzung. Sonach hat 12Bi3O3-ZnO einen höheren Brechungsindex als 6Bi2O3-ZnO, weil Bi3O3 einen Brechungsindex (rund 2, 6) hat, der höher ist als der von ZnO (rund 2, o).
Als Beispiel sei nun die Verwendung von Wismutgermanat 6Bi0O0-GeO0 für das Substrat in einer Dünnschicht-Vorrichtung
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entsprechend der in Fig. 1 dargestellten betrachtet. Wismutgermanat ist ein bevorzugtes Substratmaterial für die vorliegenden Zwecke aus verschiedenen Gründen. Wie in Tabelle I angegeben, hat es eine Gitterkonstante, die nahezu gleich dem Mittelwert der ganzen Sülenit-Gruppe ist, und erlaubt folglich eine vergleichsweise enge Anpassung mit den anderen Mitgliedern der Gruppe bezüglich dieses Parameters. Dieser Paktor ist für Epitaxyverfahren wichtig. Wismutgermanat ist bisher auch als ein Kristall nach üblichen Methoden in Größen und mit einem kristallinen Vollkommenheitsgrad gezüchtet worden, die für die vorliegenden Zwecke ausreichend sind. Des weiteren hat Wismutgermanat den höchsten Schmelzpunkt sämtlicher der in der Tabelle ί angeführten Sillenit-Verbindungen. Beim hier bevorzugten Epitaxy verfahr en aus flüssiger Phase kann demgemäß ein Wismutgermanium-Substrat direkt in sämtliche Zusammensetzungen eingetaucht werden, deren Schmelzpunkte niedriger liegen.
Die Atuswahl geeigneter Schichtzusammensetzungen für die
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vorliegenden Zwecke bestimmt sich hauptsächlich daraus, daß die Schicht den höheren Brechungsindex als das Substrat besitzen soll. Eine enge Anpassung bezüglich der Gitterkonstanten und des Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen Schichtzusammensfetzung und Substratzusammensetzung stellt gleichfalls sicher, daß hochqualitative kristalline Epitaxy im Züchtungsprozeß erhalten wird. Verschiedene in der Tabelle I angegebene Zusammensetzungen haben diese Bedingungen bei Versuchen erfüllt, in denen Wismutgermanat als Substrat benutzt wurde. Speziell seien 12Bi2O3-Ga2O3, 6Bi2O3-TiO2, 19Bi3O3-Fe3O3 und 6Bi O -ZnO genannt.
Wie angegeben, sind Verfahren und Vorrichtungen, die für epitaktisches Züchten von Sillenit-Schichten zu bevorzugen sind, im wesentlichen identisch mit denen, wie sie in Zusammenhang mit der Züchtung synthetischer Granatschichten beschrieben worden sind in Applied Physics Letters, Band 19, Seite 486 (1971). Einige Modifikationen seien jedoch angegeben. Für die vorliegenden Zwecke wird das Sillenit-Substrat vorzugsweise direkt
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in eine leicht unterkühlte Schmelze der tätsächlichen Schichtzusammensetzung eingetaucht und nicht in eine Lösung, die zur Erhöhung der Löslichkeit ein Flußmittel enthält, wie dieses typischerweise bei den erwähnten Granatzüchtungsmethoden der Fall ist. Dieser Schritt ist mit den Sillenit-Materialien möglich, v/eil der Schmelzpunkt der Sillenit-Schichtzusammensetzung typischerweise so ausgewählt werden kann, daß er niedriger liegt als der des Sillenit-Substrates.
Dieser Schritt hat auch den Vorteil, daß keine Fremdionen in die Schmelze eingeführt werden, die schädlichen Einfluß auf die kristallinen Eigenschaften der Schicht haben könnten, wenn sie während des Wachstumsprozesses In die Schicht mit eingebaut würden.
Die bei typischen Züchtungsversuchen benutzten einkristallen Substrate können nach üblichen Czochralski-Kr istallEiehmethoden hergestellt werden. Die Rohkristallgrößen liegen im Regelfall bei etwa 2 cm Breite und 7, 5 cm Länge. Die Kristalle
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werden dabei zunächst in etwa ein Millimeter dicke Plättchen geschnitten. Sodann werden die Plättchen sorgfältig poliert, um glatte, ebene und parallele Flächen zu erhalten. Wie bei den meisten Epitaxyverfahren ist eine sorgfältige mechanische und chemische Polierung des Substrates wichtig bei der Herstellung hochqualitativer Epitaxy schichten, die glatt sind, gleichförmige Zusammensetzung und Dicke haben sowie frei von Verunreinigungen sind.
Das polierte Substrat wird dann beispielsweise dreißig Minuten lang direkt in die unterkühlte Schmelze der gewünschten Schichtzusammensetzung eingetaucht und dabei mit etwa 40 Umdrehungen pro Minute während des Schichtaufwachsprozesses gedreht. Um die Unterkühlte Schmelze zu erhalten, wird die Schichtzusammensetzung zunächst vorzugsweise auf eine Temperatur ausreichend oberhalb des Schmelzpunktee (beispielsweise auf etwa 11000C) erhitzt und auf dieser Temperatur dann mehrere Stunden lang gehalten, um die Schmelze ins Gleichgewicht zu bringen. Die Temperatur der Schmelze wird dann allmählich
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unter deren Schmelzpunkt herabgesetzt, ohne daß dabei Kristallisierung der Zusammensetzung induziert würde. Der tatsächliche Unterkühlungegrad der Schmelze id. h. die Temperaturdifferenz,um die die Schmelze unterhalb ihres Schmelzpunktes abgekühlt wird, ohne das Kristallisation auftritt), die zur Erzeugung brauchbaren Schichtwachstums führt, hängt von der speziell zu züchtenden Schichtzusammensetzung ab. Im allgemeinen nimmt mit zunehmendem Unterkühlungsgrad der Schmelze die Wachstumsgeschwindigkeit der Schichten zu. Versuche haben gezeigt, daß der zulässige Unterkühlungsgrad, bei dem Wachstum ohne Keimbildung auf der Oberfläche der Schmelze auftritt, in der Größenordnung von 5 - 100C liegt. Ein solcher Unterkühlungsgrad erzeugt Schichtwachstumsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 bis 2 Mikrometer Schichtdicke pro Minute, ein Bereich, der sich mit vernünftiger kristalliner Qualität verträgt.
Bezüglich des bei dem Züchtungsprozeß benutzten Ofens wurde gefunden, daß, wenn das Schichtwachstum vernünftig gleichförmig über die ganze Oberfläche des Substrates sein soll, es am
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besten ist, eine isotherme Zone im Ofen zu haben* die wenigstens so lang ist, wie der benutzte Schmelztiegel, vorzugsweise !finger. Die Temperatursteuervorrichtung des Ofens sollte in der Lag· sein, den Ofen bei einer gegebenen Betriebstemperatur auf + 0,50C genau halten zu können.
Aufeinanderfolgende Eintauchvorgänge des Substrates in die Schmelze werden vorzugsweise durchgeführt durch erneutes Erhitzen der Schmelze auf etwa 200C oberhalb deren Keim-Bildungstemperatur gefolgt von langsamer Abkühlung auf die Eintauchtemperatur. Von dieser Prozedur wurde gefunden« daß sie zu gleichförmigeren Wachstumsgeschwindigkeiten als jene führen, die typischerweise erhalten werden, wenn wiederholte Eintauchvorgänge in dieselbe unterkühlte Schmelze gemacht wurden. Diese Eintauchprozedur wird fortgesetzt, bis die gewünschte Epitaxyschichtdicke auf dem Substrat erreicht ist.
Mit diesem Verfahren wurden zahlreiche Formen der in Fig.
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dargestellten Art hergestellt under Verwendung zahlreicher Sillenit-Materialien, wie diese in Tabelle I angegeben sind. Als Beispiel sei erwähnt, daß Epitaxydünnechichten der folgenden Zusammensetzungen erfolgreich auf Wismutgermanat-Subf traten niedergeschlagen worden sind:
6Bi3O3-TiO2, 12 BiO2O3-Ga2O3, 6Bi2O3-ZnO und 12Bi4O0-Fe0O0. Die aufgewachsenen Filme haben im allge-
Zo Zo
meinen etwas milchige Farbe und werden nach Polieren klar. Die Schichten waren transparent, glatt, gleichförmig in der Zusammensetzung und Dicke und frei von Verunreinigungen. Von diesen verschiedenen Schichten hat Wismuteüikat, 6Bi4O0-SiO0, einen niedrigeren Brechungsindex als das Wismut-
Zo £
germanat-Substrat, folglich ist eine Wellenleitung hierin nicht möglich. Wismutsilikatfilme auf Wismutgermanat-Substraten können aber nichtsdestoweniger anderweitig benutzt werden, beispielsweise in Anordnungen, in denen von den akkustischen Oberflächenwelleneigene chatten Gebrauch gemacht wird. Alle abrigen oben erwähnten Schichten sind in der Lage, optische Wellenleiter-Bauelemente entsprechend Fig. 1 auf Wismutgermanium-Substraten zu bilden, wobei dieses auf * experimentell
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beobachteten oder auf errechneten Brechungsindexwerten beruht.
Ausgedehnte optische Versuche wurden an zahlreichen dieser Bauelementen ausgeführt. Für die Versuche war ein Bauelement aus einer Wiemutgallatschicht, 12BinO -Ga0O , auf einem Wiemutgermanat-Substrat. Lichtstrahlenbündel von einem Helium-Neon-Laser (O, 6328 Mikrometer) und einem Argon-Ionen-Laser (O, 5145 oder O14880 Mikrometer) wurden aufeinanderfolgend in ein Ende der Wiemutgallatschicht unter Verwendung eines Rutil- oder GalliumphoBphid-Prismenkopplungselementes eingeführt« wie dieses in Fig. 1 dargestellt ist. Wegen der Lichtstreuung längs der Schichtoberfläche, erscheinen die in der Schicht geführten Wellen als ein heller Streifen längs der Schicht, der fotografiert werden konnte. Fotografien der Schicht zeigten, daß das eingekoppelte Licht durch die ganze Schicht übertragen wurde und dann in den Luftraum am gegenüberliegenden Ende wieder austrat, was durch einen hellen Fleck an dieser Stelle angezeigt wurde.
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Bei einer 1, 73 Mikrometer dicken Wismutgallat-Sehicht, wurden zwei TE. und zwei TM-Wellenleitermoden bei der 0, 6328 Mikrometer Laser-Wellenlänge und drei TE- sowie drei TM-Moden bei den 0, 5145 und 0,4880 Mikrometer Laser-Wellenlänge beobachtet. Aus den E inführungswinkeln an dem Prismenkoppler wurde bestimmt, daß die Brechungsindizes der Wismutgallatschich ten 2, 5798; 2, 6857 und 2, 724 bei den Laser-Wellenlängen von 0, 6328j O1 5145 bzw. 0,4880 Mikrometer betrugen.
Die Gitterkonstanten-Fehlanpassung bei dem Wismutgallat-Wismutgermanat-System ist etwa 0,03 A , wobei die Schicht das größere Gitter hat. Es sei bemerkt, daß diese Fehlanpassung etwa dem zweifachen Wert desjenigen gleicht, der für das Wachstum hochqualitativer Granatschichten zulässig ist. Nichtsdestoweniger
+3 wird angenommen, daß die Flexibilität der Bi -Ionen im Sillenit- Material sowohl bezüglich Koordination als auch Radius ein Wachstum guter Qualität trotz der großen Gitterdifferenz erlaubt. Darüberhinaus waren die bei den der Erfindung vorausgegangenen Versuchen benutzten Wachstumsgeschwindigkeiten
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im allgemeinen größer als ein Mikrometer Schichtdicke pro Minute. Es kann davon ausgegangen werden, daß Geschwindigkeiten in der Größenordnung einiger weniger Zehntel Mikrometer pro Minute Schichten von nobh höherer kristalliner und folglich optischer Qualität liefern würde. Niedrigere Wachstumegeschwindigkeiten können leicht erreicht werden, indem niedrigere Unterkflhlungsgrade der Schmelze (beispielsweise 1 bis 2°C) benutzt werden.
Zur Demonstration der Brauchbarkeit der Sillenit-Materialien in aktiven Dünnschicht-Bauelementen sei nunmehr auf Fig. 2 eingegangen, die einen elektrooptischen Dünnschichtschalter und -Modulator 20 zeigt. Die Vorrichtung 20 besteht aus einer Sillenlt-Dünnschicbt 21 beispielsweise aus Wismutgallat, aus einem Sillenit-Substrat 22 mit niedrigerem Brechungsindex, beispielsweise aus Wismutgermanat. Ein Gitterkopplunge -Element 23 dient zur Einkopplung eines Lichtstrahlenbfindels von einem Laser 28 in die Schicht 21. Auf der oberen Hauptfläche der Schicht 21 liegen kammförmig ineinander greifende
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Elektrodenanordnungen 26 und 27. Die Elektroden 26 und 27 können aus Kupfer bestehen, wobei die eiu2elnen Finger jeder Elektrode mit einem gemeinsamen Anschluß (Potential) verbunden und sie haben gleichen Abstand von den Fingern der anderen Elektrode. Eine nicht dargestellte Spannungequelle dient zur Zufuhr einer Spannung an die Elektroden 26 und 27. Durch richtige Auswahl des Abstandes zwischen benachbarten Fingern der Elektroden 26 und 27 und der angelegten Spannung« wird eine räumlich periodische Brechungsindex-Änderung in der Schicht 21 induziert, die dazu dient, TE-Polarisations -moden in TM-Polarisationsmoden (oder umgekehrt) im Strahlenbündel 25 durch den elektrooptischen Effekt umzusetzen. Ein Dünnschicht-Polarisator 24, der einfach einen dünnen Streifen Aluminium auf der Schicht 21 umfaßt, dient dann zur Ausfilterung einer der Moden des Strahlenbündele 25 aus der Schicht 21. Ähnlich wie in Fig. 1 sind auch die Elemente in Fig. 2 der besseren Klarheit halber nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet.
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Die Periode dee in der Schicht 21 durch die ineinandergreifenden Elektroden 26 und 27 induzierten elektrischen Felder, die zur Erzeugung der gewünschten Umsetzung von TE-Moden in TM-Moden notwendig ist, ist grundsätzlich diejenige, die notwendig ist, um die Wellengeschwindigkeiten der beiden Moden in der Schicht einander anzupassen. Für die TE- und TM-Grundmoden (m = o) ist die Periode P gegeben durch
NTE " NTM ο ο
Hierin ist λ die Wellenlänge im Vakuum des Strahlenbündels 25,
und N_E und NTM sind die effektiven Brechungeindizes für
ο ο
den TE- bzw. TM-Grundmode in der Schicht 21. Zur Umsetzung
von TM Moden höherer Ordnung in TE -Moden in der Schicht
m m
21 kann die erforderliche Periode des induzierten elektrischen Feldes noch durch die obige Formel bestimmt werden, wenn
NTE undNTM durch NTE und NTM ersetzt werden, wo-
o ο m m
bei N_E bzw. N__- die effektiven Brechungsindizes der
m m '
Moden m-ter Ordnung sind.
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Der Laser 28 kann beispielsweise ein Helium-Neon-Laeer sein, der ein Strahlenbündel 25 bei 0, 6328 Mikrometer Wellenlänge liefert. Der Strahl 25 wird unter Verwendung eines Beugungsgitter-Kopplungselementes 23 zur Fortpflanzung in der Schicht 21 im TE-Polarisationsmode fm = o) eingekoppelt. Ein Teil des Strahlenbündels 25 wird in den TM-Mode im * o) umgesetzt, nachdem das Strahlenbündel die Zone der Schicht 21 unterhalb der Elektroden 26 und 27 passiert hat. Der Umwandlungegrad hängt dabei ab von der den Elektroden zugeführten Spannung. Das Strahlenbündel 25 läuft dann durch die Zone der Schicht 21 zwischen dem Dünnschicht-Polarisator 24, der beispielsweise den TM-Teil des Strahlenbündels absorbiert und-den TE-Teil durchläßt. Man beobachtet daher, daß die Intensität des Strahlenbündels 25 nach Passieren des Polarisatore 24 eich entsprechend der den Elektroden 26 und 27 zugeführten Spannung ändert.
Für eine 1, 5 Mikrometer dicke Wismutgallatechicht 21 sind Nm„ und NwlyI für die Moden gleich 2, 571193 bzw. 2, 570929.
1-ti IiVl
O O
Um die Differenz in den Wellengeschwindigkeiten zwischen den
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beiden Moden anzupassen, sollte die Periode P des in der Schicht 21 durch die Elektroden 26 und 27 induzierten Feldes
„ 0. 6328 Mikrometer
(2.571193 - 2.570929)
oder etwa 0, 24 Zentimeter betragen. Diese Periode bedingt etwa 8 Elektrodenfinger pro Zentimeter fvier an jeder Elektrode) und einen Abstand von etwa 0,12 Zentimetern zwischen benachbarten Fingern der Elektroden 26 und 27. Die Wismütgallatschicht hat einen elektrooptischen Koeffizienten r.. * 3.4 χ 10~ Zentimeter pro Volt. Es kann daher leicht bestimmt werden, daß, wenn die Elektroden einen Zentimeter des Strahlenganges für das Strahlenbündel 25 bedecken, eine zugeführte Spannung von etwa 120C Volt zwischen den Elektroden 26 und 27 benötigt wird, um die TE-Moden vollständig in den TM-Mode in der Schicht 21 umzuwandeln. Bei vollständiger Umwandlung der Moden arbeitet die Vorrichtung 20 als ein Ein-Aus-Schalter für das Strahlenbündel 25. Durch Modulation der den Elektroden 26 und 27 zugeführten Spannung kann man die Intensität des den Polarisator 24 passierenden Strahlenbündels wirksam modulieren.
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Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Wismutgerxnanat als Substrat und auf die anderen speziell erwähnten Siüenit-Zusammeneetzungen als Schichtmaterial beschränkt. Sämtliche Kombinationen der in Spalte 1 der obigen Tabelle I angegebenen Materialien, einschließlich jener, für die die speziellen Molekularverhältnisse in Spalte 2 angegeben, jedoch nicht hierauf beschränkt sind, welche die erforderliche Brechungsindexbeziehung erfüllen, können verwendet werden. Beispielsweise erlaubt die Verwendung von Wismutsilikat 6Bi-O-SiO als Substrat die Verwendung der Materialien 12Bi0O0-Ga0O0, 12Bi0O0-Fe O0,
& O Cl O i O i O
und 6Bi2O-ZnO als lichtleitende Schichtmaterialien.
Außerdem ist es möglich, eine optische Verstärkung in den Sillenitschichten beim Durchgang der Strahlung zu erhalten. So kann beispielsweise die Sillenit-Schicht 11 in Fig. 1 eine Zone 17 auf-
+3
weisen, die mit einem aktiven Ion wie Neodymion (Nd ) in geeigneter Konzentration dotiert ist. Das Bauelement 10 kann daher sowohl al s Wellenführung wie auch als Dünnschicht verstärkt dienen.
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Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Als Dünnschicht-Bauelement ausgebildeter Wellenleiter für elektromagnetische Strahlung des optischen Spektralbereichs, mit einem ersten, als Substrat dienenden Körper aus optisch transparentem Material und einem, hierauf angeordneten zweiten Körper aus optisch transparentem Material, dessen Brechungsindex größer als der des ersten Körpers ist und dessen Hauptflächen um einen Abstand in der Größenordnung einer Wellenlänge der hierin zu führenden Strahlung voneinander getrennt sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien des ersten und zweiten Körpers im wesentlichen einkristalline Sillenit-Zusammensetzungen sind, die im wesentlichen bestehen aus Bi O und,
    it 3
    kombiniert mit Bi-O-, wenigstens einem Material, daß aus der aus GeO0, SiO0, TiO0, ZnO, Ga0O0, A1_O_, Fe O_, B O_ und P„O bestehenden Gruppe
    L· A & A a O a O
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    ausgewählt ist.
  2. 2. Dünnschicht-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Material des ersten Körpers 6Bi0O0 - GeO
    i O Δ
    ist und daß das Material des zweiten Körpers ausgewählt wird aus der aus 6Bi_O_ - TiO 6Bi„O_ - ZnO,
    Δ ο Δ Δ ο
    12Bi O - Ga O , und 12Bi O - Fe O bestehenden Gruppe.
  3. 3. Dünnschicht-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Material des ersten Körpers 6Bi_O_ - SiO
    2 ο ο
    und das das Material des zweiten Körpers ausgewählt
    ist au· der aus 12Bi3O3 - Ga3C3, 12Β1 2 Ο 3 - Fe2°3 und 6Bi0O - ZnO bestehenden Gruppe.
  4. 4. Dünnschicht-Bauelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
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    daß die einkristalline Sülenit-Zusammensetzung des zweiten Körpers mit ausreichender Konzentration eines aktiven Ions dotiert ist, um eine optische Verstftrkungszone (17) zu erhalten.
  5. 5. Dünnschicht-Bauelement nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    +3 daß die aktiven Ionen Nd sind.
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