DE60218743T2

DE60218743T2 - Pufferschichtstruktur zur stabilisierung einer lithiumniobat-vorrichtung

Info

Publication number: DE60218743T2
Application number: DE60218743T
Authority: DE
Inventors: William K. Alexandria BURNS; Larry A. Poolesville HESS; Vishal D1 AGARWAL
Original assignee: COVEGA CORP
Current assignee: COVEGA CORP
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: AU2002364147A1; ATE356371T1; EP1463973B1; DE60218743D1; WO2003060605A1; US6925211B2; US20050047720A1; EP1463973A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenleitermodulator und insbesondere die Erzielung einer verbesserten thermischen und zeitlichen Stabilität der Vorspannung in optischen Wellenleitervorrichtungen.
DISKUSSION DES STANDS DER TECHNIK
Als optische Modulatoren verwendete Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) sind von großem Interesse für faseroptische Kommunikationssysteme mit hohen Datenraten. Seit seiner Einführung Mitte der 70er Jahre sind umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt worden, um diesen Typ von Vorrichtung zu entwickeln. Die Zweckmäßigkeit von LiNbO₃-Wellenleitersystemen mit diffundiertem Ti hat eine breite Anwendung dieser Vorrichtungen in aktuellen optischen Kommunikationssystemen ermöglicht.
1 zeigt eine Draufsicht eines Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Interferometers mit Z-Schnitt des Stands der Technik, das zur Modulation eines optischen Signals verwendet wird. Ein optischer Wellenleiterpfad 4 ist in einer Oberfläche eines Lithiumniobat (LiNbO₃)-Substrats 1 gebildet, wobei er sich in einen ersten Pfad 4a und einen zweiten Pfad 4b aufteilt und sodann wieder zu einem einzigen Pfad 4' vereinigt. Die optischen Wellenleiterpfade 4a und 4b können durch Diffusion eines Metalls, zum Beispiel Titan, oder mit anderen Dotierstoffen gebildet werden, die einen optischen Pfad in dem Lithiumniobat-Substrat 1 bilden. Ein elektrisches Feld wird an den ersten optischen Wellenleiterpfad 4a und den zweiten optischen Wellenleiterpfad 4b durch Elektroden 2a bzw. 3 angelegt, die über den ersten und zweiten Wellenleiterpfaden angeordnet sind. Im Speziellen ist die Elektrode 2a über dem ersten optischen Wellenleiterpfad 4a eine Masseelektrode, und die Elektrode 3 über dem zweiten optischen Wellenleiterpfad 4b ist eine Eingangselektrode. Darüber hinaus ist eine weitere Masseelektrode 2b am Substrat angeordnet, so dass sich zur weiteren Steuerung der elektrischen Felder, die an die ersten und zweiten Wellenleiterpfade 4a und 4b angelegt werden, die Masseelektroden 2a und 2b zu beiden Seiten der Eingangselektrode 3 befinden. Die Elektroden 2a, 2b und 3 sind vom Substrat 1 durch eine Pufferschicht 5 getrennt. Das Anlegen des elektrischen Felds verändert den Brechungsindex eines optischen Wellenleiterpfads proportional zur Stärke des angelegten elektrischen Felds. Durch die Steuerung des Betrags des elektrischen Felds, das über die Elektroden 2a, 2b und 3 angelegt wird, kann ein optisches Signal, das durch die optischen Wellenleiterpfade gesendet wird, moduliert werden.
2 ist eine Querschnittsansicht des Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Interferometers mit Z-Schnitt des Stands der Technik entlang der Linie B-B' von 1. Die Pufferschicht 5 wird aus einem transparenten dielektrischen Film gebildet und ist zwischen dem elektrooptischen Kristallsubstrat 1 und den Elektroden 2a, 2b und 3 angeordnet. Die Pufferschicht 5 verhindert eine optische Absorption des optischen Modus durch die Metallelektroden 2a und 3. Die Pufferschicht 5 erlaubt es jedoch, dass sich die elektrischen Felder, die von der Elektrode 3 ausgehen, auf eine Änderung des Brechungsindex in einem oder in beiden von dem ersten optischen Wellenleiterpfad 4a bzw. dem zweiten optischen Wellenleiterpfad 4b auswirken. Typischerweise wird aufgrund seiner optischen Durchlässigkeit bei 1,55 Mikron und seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante Siliciumdioxid (SiO₂) als Pufferschicht verwendet.
2 zeigt auch, dass das elektrooptische Kristallsubstrat 1 des Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Interferometers mit Z-Schnitt des Stands der Technik so geformt ist, dass sich eine Y-Achse der Kristallorientierung in Längsrichtung des Lithiumniobat-Substrats 1 entlang den Wellenleiterpfaden 4a und 4b erstreckt. Die Z-Achse der Kristallorientierung erstreckt sich in der Richtung der Dicke des elektrooptischen Kristallsubstrats 1, so dass die Ober- und Unterseiten des Lithiunmiobat-Substrats 1 hinsichtlich der Kristallgitterstruktur des Substrats –Z- bzw. +Z-Flächen sind. Die optischen Wellenleiterpfade werden gewöhnlich als innerhalb der -Z-Fläche des Lithiumniobat-Substrats befindlich beschrieben.
Eine der praktischen Schwierigkeiten bei der frühen Einführung von LiNbO₃-Vorrichtungen mit Z-Schnitt war die pyroelektrische Empfindlichkeit von LiNbO₃, die zur Entwicklung großer interner Felder in den Vorrichtungen führte, wenn Temperaturveränderungen oder -gefälle in der Vorrichtung auftraten. Der Grund dafür liegt darin, dass eine Temperaturveränderung aufgrund der ferroelektrischen Eigenschaften von LiNbO₃ zu einer Veränderung der spontanen Polarisation führt. Wie dies in 2 dargestellt ist, führt dies zu einer Unausgewogenheit der Ladung zwischen den Z-Flächen des elektrooptischen Kristallsubstrats 1, so dass ein elektrisches Feld in Z-Richtung senkrecht entlang den Wellenleiterpfaden 4a und 4b der Vorrichtung erzeugt wird. Aufgrund des sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstands von LiNbO₃ benötigen diese Ladungen lange Zeit, um durch das elektrooptische Kristallsubstrat 1 zu gelangen, und neutralisieren sich selbst. Diese Unausgewogenheit der Ladung beeinträchtigt oder verringert die Wirkung der elektrischen Felder von den Elektroden 2a, 2b und 3 an den Wellenleiterpfaden 4a oder 4b, wodurch die Wirksamkeit oder der steuernde Effekt bei der Modulation der optischen Signale verringert wird. Frühe Modulatoren waren sehr empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen, und es waren strenge Kontrollen der Umgebung zur thermischen Stabilisierung der Vorrichtungen notwendig.
Ein früher Ansatz zur Aufrechterhaltung der Modulationssteuerung oder zur Vorbeugung des Verlusts derselben aufgrund thermischer Effekte bestand darin, die Unausgewogenheit der Ladung zwischen den Z-Flächen eines LiNbO₃-Substrats zu beseitigen oder dieser entgegenzuwirken. C.H. Bulmer et al. (einer der Autoren ist ein Erfinder dieser Anmeldung), „Pyroelectric Effects in LiNbO₃ Channel Waveguide Devices", Applied Physics Letters 48, S. 1036, 1986 offenbarte, dass eine Metallisierung der Z-Flächen und eine elektrische Verbindung derselben mit einem Pfad mit hoher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit, um es der unausgewogenen Ladung zu ermöglichen, sich rasch zu neutralisieren, zu einer verbesserten thermischen Stabilität einer Vorrichtung mit X-Schnitt führte. Allerdings ist dieser Ansatz in Vorrichtungen mit Z-Schnitt problematisch, da sich die Wellenleiterpfade auf der Z-Fläche befinden und eine Metallisierungsschicht auf dieser Fläche die Elektroden der Vorrichtung kurzschließen würde, was die Vorrichtung unwirksam machen oder außer Betrieb setzen würde.
Anstatt einer Metallisierungsschicht schlugen P. Skeath et al. (einer der Autoren ist ein Erfinder dieser Anmeldung), „Novel Electrostatic Mechanism in the Thermal Stability of Z-Cut LiNbO₃ Interferometers", Applied Physics Letters 49, S. 1221, 1986 und I. Sawaki et al., Conference on Lasers and Electro-Optics, MF2, S. 46–47, San Francisco, 1986, eine halbleitende oder halbisolierende Schicht auf der Z-Fläche unter den Elektroden einer Vorrichtung mit Z-Schnitt vor. Die halbleitende oder halbisolierende Schicht würde die unausgewogene Ladung zwischen den Z-Flächen des LiNbO₃-Substrats übertragen, aber die Elektroden nicht kurzschließen. Obwohl Vorrichtungen mit X-Schnitt gewöhnlich behandelt werden, indem Metallschichten oder andere leitende Schichten auf den Z-Flächen vorgesehen werden und die leitenden Schichten untereinander verbunden werden, wird weiterhin darüber geforscht, welche halbleitende oder halbisolierende Schicht die beste oder geeignetste für eine Verwendung mit Vorrichtungen mit Z-Schnitt ist.
In der Vergangenheit versuchte Ansätze umfassen u.a. Schichten aus Indiumzinnoxid (ITO), Silicium (Si) und Siliciumtitannitrid (Si_XTi_yN_Z), die anstelle oder über der herkömmlichen SiO₂-Pufferschicht an einer optischen Wellenleitervorrichtung mit Z-Schicht angebracht werden. Minford et al. schlagen im US-Patent Nr. 5,949,944 „Apparatus and Method for Dissipating Charge from Lithium Niobate Devices" vom 7. September 1999 eine Siliciumtitannitrid-Schicht vor, die den Vorteil hat, dass der spezifische elektrische Widerstand durch eine Anpassung des Silicium/Titan-Verhältnisses einstellbar ist. Allerdings ist die Steuerung des spezifischen elektrischen Widerstands unbefriedigend, und zwar aufgrund der Sauerstoffverunreinigung in der Siliciumtitannitrid-Pufferschicht, die aus restlichen Hintergrundgasen im Ablagerungssystem stammt. Dies führt zu inakzeptablen, von Durchlauf zu Durchlauf auftretenden Schwankungen des spezifischen elektrischen Widerstands einer Siliciumtitannitrid-Pufferschicht. Darüber hinaus umfasst das Ablagerungssystem für eine Siliciumtitannitrid-Pufferschicht einen Sputterprozess, der eine Vielzahl von Targets mit unterschiedlichen Zusammensetzungen erfordert, um die Zusammensetzung der Pufferschicht innerhalb eines gewünschten Bereichs unterschiedlich zu gestalten, was somit kein praktischer Vorgang mit angemessener Steuerung des spezifischen elektrischen Widerstands ist.
Die Wirkung des an die Wellenleiterpfade angelegten elektrischen Felds und die Konsistenz der Wirkung des elektrischen Felds über die Zeit (d.h. die zeitliche Stabilität) werden somit in hohem Maß durch die Merkmale der Pufferschicht beein flusst. Der Betrag des elektrischen Felds von den Elektroden, der durch Ladungsschwankungen in der Pufferschicht oder durch die Unausgewogenheit der Ladung im Lithiumniobat-Substrat beeinflusst wird, wird als Vorspannungsverschiebung einer Vorrichtung bezeichnet. Die zeitliche Stabilität von LiNbO₃-Vorrichtungen mit Z-Schnitt und diffundiertem Ti wurde in Seino et al., „Optical Waveguide Device", US-Patent Nr. 5,404,412 vom 4. April 1995 diskutiert. Seino et al. zeigen, dass Spannungen, die wiederholt oder konstant durch eine Pufferschicht in einer Vorrichtung mit Z-Schicht angelegt werden, letztlich zu einer Pufferschicht führen werden, die Ladungsabschirmungsprozesse entwickelt, was das elektrische Feld durch die Wellenleiterpfade signifikant reduziert. Seino et al. zeigen darüber hinaus auf, dass durch den Zusatz von Titan- und Indiumoxiden oder anderen Metalloxiden aus den Gruppen III bis VIII, Ib und IIb (Spalten 3–16) des Periodensystems der Elemente zu einer SiO₂-Pufferschicht die resultierende Vorspannungsverschiebung reduziert (zeitlich verzögert) wurde.
Das Dokument EP-A-0 554 593 des Stands der Technik offenbart eine optische Wellenleitervorrichtung, umfassend ein elektrooptisches Kristallsubstrat, das einen in seiner Oberfläche gebildeten Wellenleiter aufweist, Elektroden an dieser Oberfläche, eine Pufferschicht, die zwischen der Oberfläche und den Elektroden angeordnet ist, und ein Verbindungsmittel zum Verbinden der Pufferschicht mit der gegenüberliegenden Seite des Substrats.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher zielt die vorliegende Erfindung auf LiNbO₃-Vorrichtungen ab, die eines oder mehrere der Probleme aufgrund der Einschränkungen und Nachteile des Stands der Technik im Wesentlichen beseitigen.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die pyroelektrische oder thermische Stabilisierung von elektrooptischen Vorrichtungen aus LiNbO₃.
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die zeitliche Stabilisierung von elektrooptischen Vorrichtungen aus LiNbO₃.
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft darüber hinaus einen Prozess, der die Steuerung des spezifischen elektrischen Widerstands in einer Pufferschichtstruktur für elektrooptische Vorrichtungen ermöglicht.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung erläutert, wobei diese zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich sind oder sich durch die praktische Ausführung der Erfindung ergeben. Die Ziele und weiteren Vorteile der Erfindung werden durch die Struktur erreicht und erzielt, die insbesondere in der schriftlichen Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den beiliegenden Zeichnungen dargelegt wird.
Es versteht sich von selbst, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende eingehende Beschreibung beispielhaft und erklärend sind und dazu gedacht sind, zusätzliche Erklärungen zur Erfindung zu liefern, so wie sie beansprucht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die beigeschlossen sind, um ein tiefer gehendes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, die in diese Spezifikation integriert sind und die einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erklären.
Bei den Zeichnungen:
ist 1 eine Draufsicht eines Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Interferometers mit Z-Schnitt des Stands der Technik;
ist 2 eine Querschnittsansicht des Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Interferometers mit Z-Schnitt des Stands der Technik entlang der Linie B-B' von 1;
ist 3 ein Diagramm, das den spezifischen elektrischen Widerstand im Vergleich zur Sauerstoffkonzentration in einer beispielhaften Pufferschicht der vorliegenden Erfindung zeigt;
ist 4 eine Querschnittsansicht einer Lithiumniobat-Wellenleitervorrichtung mit Z-Schnitt gemäß einer ersten Referenz-Ausführungsform;
ist 5 ein Diagramm, das die thermische Empfindlichkeit einer Lithiumniobat-Wellenleitervorrichtung mit Z-Schnitt gemäß der ersten Referenz-Ausführungsform zeigt;
ist 6 eine Querschnittsansicht einer Lithiumniobat-Wellenleitervorrichtung mit Z-Schnitt gemäß einer zweiten Referenz-Ausführungsform;
ist 7 eine Querschnittsansicht einer Lithiumniobat-Wellenleitervorrichtung mit Z-Schnitt gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
ist 8 eine Querschnittsansicht einer Lithiumniobat-Wellenleitervorrichtung mit Z-Schnitt gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschichtstruktur, die durch O₂ gebildet wird, das während eines Sputterdepositionsprozesses mit einem Siliciumnitrid-Titannitrid-Target in einer Umgebung aus Stickstoff und einem nichtreaktiven Gas absichtlich eingeführt wird. Die O₂-Konzentration während der Ablagerung des Siliciumtitanoxynitrids ist ein Einstellungsparameter zur Anpassung des spezifischen elektrischen Widerstands einer resultierenden Pufferschicht. Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung der O₂-Konzentration kann als anderer Einstellungsparameter zur Anpassung des spezifischen elektrischen Widerstands der resultierenden Pufferschicht die N₂-Konzentration während der Ablagerung angepasst werden. Aufgrund der Leich tigkeit der Steuerung des Prozesses können aus einem einzigen Siliciumnitrid-Titannitrid-Target mit feststehendem Verhältnis Pufferschichten mit einem großen Bereich spezifischer elektrischer Widerstände hergestellt werden. Darüber hinaus kann eine Pufferschicht mit einem Gradienten des spezifischen elektrischen Widerstands hergestellt werden, indem die Menge an O₂ und/oder N₂ während der Ablagerung der Pufferschicht geregelt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden verschiedene exemplarische Siliciumtitanoxynitrid-Filme hergestellt, indem von einem Target mit 50% Si₃N₄ und 50% TiN in einer Atmosphäre, die ein nichtreaktives Sputtergas (d.h. Ar), eine vorbestimmte Menge an N₂ und eine vorbestimmte Menge an O₂ enthält, gesputtert wird. Bei Verwendung des 50% Si₃N₄/50% TiN-Targets und zweier Kammerdrücke von 1 und 5 Torr wurden Gasströme von 40 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) Ar und 20 sccm N₂ für jeden Film in die Reaktionskammer eingeführt. Der spezifische elektrische Widerstand jedes Films wurde durch einen Durchfluss eines 95% Ar/5% O₂-Gemisches gesteuert, der bei jedem Film zwischen 0,5 und 10 sccm lag. Obwohl oben exemplarische Bedingungen beschrieben wurden, können die Gasgemische und Durchsätze für Si₃N₄/TiN-Targets mit anderen prozentualen Zusammensetzungen variiert oder auf andere Weise abgeändert werden.
Nach der Ablagerung der Filme wurden die spezifischen elektrischen Widerstände gemessen, und der Sauerstoffgehalt des Films in Atomprozent wurde mittels XPS-Analyse gemessen. Die Resultate sind in dem Diagramm von 3 dargestellt, in dem der spezifische elektrische Widerstand gegen die Sauerstoffkonzentration aufgetragen ist. Die spezifischen elektrischen Widerstände der Filme schwankten von etwa 10⁵ bis 10¹⁰ Ohm-cm, während die Sauerstoffkonzentrationen in den Filmen von etwa 5% bis 65% (Atomprozent) schwankten. Die spezifischen elektrischen Widerstände der Filme waren über Zeiträume von Monaten stabil, und sie waren auch stabil, wenn diese über Nacht einer Hitzebehandlung in Luft bei 125 Grad C unterzogen wurden. Da der O₂- und N₂-Gasstrom in der Kammer präzise geregelt war und die O₂-Konzentration in der Kammer im Vergleich zu allfälligen restlichen Hintergrundgasen hoch war, war die Reproduzierbarkeit des spezifischen elektrischen Widerstands von Durchlauf zu Durchlauf gut.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren die Verwendung anderer prozentualer Zusammensetzungen von Si₃N₄ und TiN im Si₃N₄-TiN-Target den Bereich der spezifischen elektrischen Widerstände, die durch den oben genannten Prozess erzielt werden können, weiter vergrößern. So ermöglicht es zum Beispiel ein höherer Prozentsatz von TiN (d.h. 40% Si₃N₄/60% TiN) im Target, dass auf wiederholte und exakte Weise ein Bereich niedrigerer spezifischer elektrischer Widerstände erzielt werden kann, und ein höherer Prozentsatz von Si₃N₄ (d.h. 60% Si₃N₄/40% TiN) ermöglicht es, dass auf wiederholte und exakte Weise ein Bereich höherer spezifischer elektrischer Widerstände erzielt werden kann. Für ein Si₃N₄-TiN-Target mit einer vorbestimmten, fixen prozentualen Zusammensetzung kann durch die Steuerung der O₂-Konzentration oder des N₂/O₂-Verhältnisses im Sputtergas auf präzise und wiederholte Weise ein vorbestimmter spezifischer elektrischer Widerstand innerhalb des Bereichs der spezifischen elektrischen Widerstände für dieses Target mit fixem prozentualem Verhältnis erzielt werden.
4 ist eine Querschnittsansicht einer ersten Referenz-Ausführungsform mit einem Siliciumtitanoxynitrid-Film als Pufferschicht zur Unterdrückung thermischer (d.h. pyroelektrischer) Effekte in einem Mach-Zehnder-Interferometer für Breitband-Wanderwellen. Das Mach-Zehnder-Interferometer umfasst ein Lithiumniobat-Substrat 10 mit Z-Schnitt, in dem optische Wellenleiterpfade 14a und 14b durch Diffusion eines Dotierstoffes, zum Beispiel Titan, gebildet werden, um die optischen Wellenleiterpfade zu bilden. Elektroden 12a und 13 sind über (d.h. vertikal getrennt) bzw. direkt über (d.h. vertikal getrennt und überlappend) dem ersten optischen Wellenleiterpfad 14a bzw. dem zweiten optischen Wellenleiterpfad 14b angeordnet. Spezifisch ist die Elektrode 12a über dem ersten optischen Wellenleiterpfad 14a eine Masseelektrode, und die Elektrode 13 über dem zweiten optischen Wellenleiterpfad 14b ist eine Eingangselektrode. Darüber hinaus ist eine weitere Masseelektrode 12b am Substrat angeordnet, so dass sich zur weiteren Steuerung der elektrischen Felder, die an die ersten und zweiten Wellenleiterpfade 14a und 14b angelegt werden, die Masseelektroden 12a und 12b zu beiden Seiten der Eingangselektrode 13 befinden. Eine undotierte SiO₂-Pufferschicht 15 ist an der Oberfläche des Lithiumniobat-Substrats 10 mit Z-Schnitt über den optischen Wellenleiterpfaden 14a und 14b angeordnet. Eine Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 16 zwischen der undotierten SiO₂-Pufferschicht 15 und den Elektroden 12a, 12b und 13 und über den optischen Wellenleiterpfaden 14a und 14b in dem Lithiumniobat-Substrat 10 mit Z-Schnitt angeordnet. Die Dicke der Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 16 beträgt etwa 0,1–1,0 Mikron, und die Dicke der SiO₂-Pufferschicht 15 beträgt etwa 0,1–1,5 Mikron. Die undotierte SiO₂-Pufferschicht 15 isoliert die optischen Felder in den Wellenleiterpfaden 14a und 14b von den Metallelektroden mit einer niedrigen dielektrischen Konstante, besitzt jedoch optische Durchlässigkeit für eine optische Wellenlänge von 1,55 Mikron.
Eine Verbindungsschicht 17 verbindet die Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 16 über der -Z-Fläche (Oberseite) und die +Z-Fläche (Unterseite des Lithiumniobat-Substrats 10 an den Seiten (wie in 4 dargestellt) oder an einer Seite des Lithiumniobat-Substrats 10. Ein Kohlenstoff- oder Silberanstrich, eine Lötmasse, ein leitendes Epoxidharz oder andere leitende Materialien können als Verbindungsschicht 17 verwendet werden. Darüber hinaus können Widerstandsmaterialien wie z.B. Halbleiter oder Keramiken als Verbindungsschicht 17 verwendet werden. Als Alternative können die Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 16 und die +Z-Fläche (Unterseite) des Lithiumniobat-Substrats 10 gemeinsam mit dem Gehäuse (nicht dargestellt) der Vorrichtung verbunden werden. Obwohl die Verbindungsschicht 17 in 4 so dargestellt ist, dass sie die Oberseite des Siliciumtitanoxynitrids 10 überlappt, kann die Verbindungsschicht 17 alternativ nur mit einer Seitenfläche der Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 16 in Kontakt sein.
Es wurden drei Vorrichtungen der ersten Referenz-Ausführungsform, wie sie oben beschrieben wurden, mit verschiedenen spezifischen elektrischen Widerständen der Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht hergestellt, die von etwa 8,0 × 10⁴ – 2,5 × 10⁵ Ohm-cm reichten. Der spezifische elektrische Widerstand der SiO₂-Pufferschicht 15 unter der Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 16 betrug etwa 2 × 10¹¹ Ohm-cm. Die drei Vorrichtungen wurden auf einer heißen Platte erhitzt, wobei die Veränderung der intrinsischen Phase des Interferometers überwacht wurde, während die Temperatur der Vorrichtung von 25 auf 45 Grad C erhöht und sodann von 45 auf 25 Grad C gesenkt wurde. Die intrinsische Phase eines Interferometers verändert sich, wenn sich die Temperatur aufgrund thermischer (d.h. pyroelektrischer) Effekte im Lithiumniobat-Substrat 10 verändert. Die intrinsischen Phasen der Interferometer infolge von thermischen Effekten in den drei Vorrichtung mit einer Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht und in einer Kontrollvorrichtung mit nur einer SiO₂- Pufferschicht sind in 5 dargestellt. Der spezifische elektrische Widerstand der SiO₂-Pufferschicht auf der Kontrollprobe betrug etwa 2 × 10¹¹ Ohm-cm. 5 zeigt spezifisch die Veränderungen der intrinsischen Phase der Interferometer bei einer Erhöhung der Temperatur (von links nach rechts) und sodann bei einer Abnahme der Temperatur (von rechts nach links). Die drei Vorrichtungen mit einer Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht weisen thermische Empfindlichkeiten (Veränderung der Interferometerphase/Veränderung der Temperatur) von etwa 2–2,5 Grad/Grad C auf, was beinahe eine Größenordnung kleiner ist als in der Kontrollprobe ohne die Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht. Daher beweist das Diagramm von 5, dass eine Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht zu einer thermischen Stabilisierung führt und pyroelektrische Effekte abschwächt. Darüber hinaus zeigten die drei Vorrichtungen keinerlei andere Leistungsabfälle infolge der Gegenwart der Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht.
Eine Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht ist sowohl zur zeitlichen als auch thermischen Stabilisierung von LiNbO₃-Vorrichtungen mit Z-Schnitt nützlich. Oxynitride weisen allgemein einige strukturelle und chemische Eigenschaften auf, die zu einer erhöhten zeitlichen Stabilität von LiNbO₃-Vorrichtungen im Vergleich zu jenen, die herkömmliche SiO₂-Pufferschichten verwenden, führen sollten. Erstens weisen Oxynitride eine erhöhte Dichte auf, und die Oxynitrid-Matrix ist auf atomarer Ebene starrer als SiO₂. Daher weisen Oxynitride geringere Diffusionsraten für Sauerstoff- und Verunreinigungsionen wie Li auf. Zweitens führt die atomare Struktur von Oxynitrid zu einer Erhöhung der Konzentration an ungebundenen N- und O-Ionen. Diese freien Bindungen wirken als Einfangstellen für bewegliche Ionen wie z.B. Li, was eine Diffusion der Ladung und eine daraus resultierenden Lokalisierung verhindert. Da die Diffusion beweglicher Li-Ionen durch die Pufferschicht als Instabilitätsmechanismus vorgeschlagen wurde (Seino et al, US-Patent Nr. 5,404,412) sollte die in Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschichten erwartete Unterdrückung der Diffusion von Li zu einer Unterdrückung der Vorspannungsverschiebung in LiNbO₃-Vorrichtungen führen. Wie oben unter Bezugnahme auf 4 diskutiert wurde, isoliert die SiO₂-Pufferschicht auf einem Lithiumniobat-Substrat das optische Feld der Wellenleiterpfade von den Metallelektroden. Darüber hinaus besitzt SiO₂ einen Brechungsindex von etwa 1,45, was signifikant niedriger als jener von Lithiumniobat ist und somit verhindert, dass das optische Signal von den Elektroden absorbiert wird. Eine Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht mit einer entsprechend zusammengesetzten Struktur kann jedoch eine SiO₂-Pufferschicht ersetzen. Daher kann eine Pufferschichtstruktur in einer einzigen Schicht in einem einzigen Prozess gebildet werden.
Bei dieser Anwendung unterscheiden sich die gewünschten Filmeigenschaften für eine einzige Pufferschichtstruktur aus Siliciumtitanoxynitrid von jenen der oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen SiO₂-Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht-Struktur, die nur zur thermischen Stabilisierung einer optischen Wellenleitervorrichtung verwendet wurde. Für eine thermische als auch zeitliche Stabilisierung sollte ein Siliciumtitanoxynitrid-Film an der Schnittstelle zwischen einer Pufferschicht und einem Lithiumniobat-Substrat 10 ein niedriges N/O-Verhältnis aufweisen, um in gewisser Weise die Leistung einer SiO₂-Pufferschicht nachzuahmen, aber dennoch durch die Schicht hindurch kontrollierte spezifische elektrische Widerstandsgrade aufzuweisen. Dies kann durch eine entsprechende Steuerung des N₂/O₂-Verhältnisses in der Atmosphäre des Sputterdepositionsprozesses erreicht werden, wenn die Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht auf dem Lithiumniobat-Substrat abgelagert wird. Eine Erhöhung des N₂/O₂-Verhältnisses während der Ablagerung verursacht einen Gradienten im N/O-Verhältnis in der Schicht und bildet somit eine abgestufte Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht. Ein niedrigeres N₂/O₂-Verhältnis während des anfänglichen Teils der Ablagerung führt zu einem niedrigeren N/O-Verhältnis in der abgestuften Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht angrenzend an die Schnittstelle zwischen der Pufferschicht und dem Lithiumniobat-Substrat. Das niedrigere N/O-Verhältnis im unteren Teil der Pufferschicht dient dazu, den optischen Einschluss aufrechtzuerhalten und die zeitliche Stabilisierung zu verbessern. Ein höheres N₂/O₂-Verhältnis während des letzten Teils der Ablagerung führt zu einem höheren N/O-Verhältnis in der abgestuften Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht an der Oberseite der Pufferschicht. Das höhere N/O-Verhältnis im oberen Teil der Pufferschicht verbessert die thermische Stabilisierung.
6 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Referenz-Ausführungsform, die einen Siliciumtitanoxynitrid-Film als einzige Pufferschicht aufweist, um sowohl die thermischen als auch die zeitlichen Effekte in einem Mach-Zehnder-Interferometer für Breitband-Wanderwellen zu unterdrücken. Das Mach-Zehnder- Interferometer umfasst ein Lithiumniobat-Substrat 20 mit Z-Schnitt, in dem optische Wellenleiterpfade 24a und 24b durch Diffusion eines Dotierstoffes, zum Beispiel Titan, gebildet werden, um die optischen Wellenleiterpfade zu bilden. Elektroden 22a und 23 sind über bzw. direkt über den optischen Wellenleiterpfaden angeordnet. Darüber hinaus ist eine weitere Elektrode 22b am Substrat angeordnet, so dass sich die Elektroden 22a und 22b zu beiden Seiten der Elektrode 23 befinden, die eine Eingangssignalelektrode ist. Eine abgestufte Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 26 mit Gradienten im Si/Ti-Verhältnis und/oder im N/O-Verhältnis ist auf (d.h. in Kontakt mit) dem Lithiumniobat-Substrat mit Z-Schnitt unter (d.h. vertikal getrennt von) den Elektroden 22a, 22b und 23 und über den optischen Wellenleiterpfaden 24a und 24b in dem Lithiumniobat-Substrat 20 mit Z-Schnitt angeordnet. Die Dicke der abgestuften Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 26 beträgt etwa 0,1–1,5 Mikron. Ähnlich wie dies oben unter Bezugnahme auf 4 diskutiert wurde, verbindet eine Verbindungsschicht 27 an den Seiten des Lithiumniobat-Substrats 20 die abgestufte Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 26 an der -Z-Fläche des Lithiumniobat-Substrats 20 mit der +Z-Fläche des Lithiumniobat-Substrats 20.
Die abgestufte Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 26 kann mit Indium oder anderen Metallen der Spalten 3–16 des Periodensystems der Elemente in Metall- oder Oxidform dotiert sein, um die zeitliche Stabilität weiter zu verbessern. Vorzugsweise sollten sich die Metalle innerhalb der abgestuften Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 26 mindestens angrenzend an die Schnittstelle zwischen der Pufferschicht und dem Lithiumniobat-Substrat 20 befinden. Dies kann erreicht werden, indem ein anderes Target (d.h. Mehrquellen-Deposition) in der Ablagerungskammer während der anfänglichen Ablagerung der abgestuften Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 26 exponiert wird.
Durch eine Erhöhung des Verhältnisses von N₂ zu O₂ während der Sputterdeposition der abgestuften Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht hält das N/O-Verhältnis in der Schicht den optischen Einschluss aufrecht und verbessert sowohl die thermische als auch die zeitliche Stabilität der Vorrichtung. Die Erfindung, so wie sie oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wurde, kann jedoch auch in Form einer zweischichtigen Pufferstruktur anstatt einer einschichtigen Struktur mit einem Gradienten angewendet werden. Die zweischichtige Pufferstruktur erhöht den Bereich der spezifischen elektrischen Widerstände weiter, die für jede Schicht verfügbar sind, da ein anderes Target mit feststehendem Prozentsatz für die Ablagerung jeder Schicht verwendet werden kann.
7 ist eine Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Pufferschichten aus Siliciumtitanoxynitrid zur Unterdrückung sowohl der thermischen als auch der zeitlichen Effekte in einem Mach-Zehnder-Interferometer für Breitband-Wanderwellen. Das Mach-Zehnder-Interferometer umfasst ein Lithiumniobat-Substrat 30 mit Z-Schnitt, in dem optische Wellenleiterpfade 34a und 34b durch Diffusion eines Dotierstoffes, zum Beispiel Titan, gebildet werden, um die optischen Wellenleiterpfade zu bilden. Elektroden 32a und 33 sind über bzw. direkt über den optischen Wellenleiterpfaden angeordnet. Darüber hinaus ist eine weitere Elektrode 32b am Substrat angeordnet, so dass sich die Elektroden 32a und 32b zu beiden Seiten der Elektrode 33 befinden, die eine Eingangssignalelektrode ist. Eine erste Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 36 mit einem ersten Si/Ti-Verhältnis und einem ersten N/O-Verhältnis ist auf dem Lithiumniobat-Substrat 30 mit Z-Schnitt unter den Elektroden 32a, 32b und 33 und über den optischen Wellenleiterpfaden 34a und 34b angeordnet. Eine zweite Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 37 mit einem zweiten Si/Ti-Verhältnis und einem zweiten N/O-Verhältnis ist auf der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht unter den Elektroden 32a, 32b und 33 und über den optischen Wellenleiterpfaden 34a und 34b angeordnet. Die Dicke der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 36 beträgt etwa 0,1–1,5 Mikron, und die Dicke der zweiten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 37 beträgt etwa 0,1–1,5 Mikron. Ähnlich wie dies oben unter Bezugnahme auf 4 diskutiert wurde, verbindet eine Verbindungsschicht 38 an den Seiten des Lithiumniobat-Substrats 30 die zweite Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht mit der +Z-Fläche (Unterseite) des Lithiumniobat-Substrats 30.
Zur zeitlichen Stabilisierung der Mach-Zehnder-Vorrichtung ist das erste Si/Ti-Verhältnis in der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 36 höher als das zweite Si/Ti-Verhältnis in der zweiten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 37. Zur thermischen Stabilisierung der Mach-Zehnder-Vorrichtung ist das zweite N/O- Verhältnis in der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 37 höher als das erste N/O-Verhältnis in der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 36. Je nach den gewünschten spezifischen elektrischen Widerständen werden die ersten und zweiten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschichten 36 und 37 mit verschiedenen Targets mit feststehenden Prozentsätzen und verschiedenen Si/Ti-Verhältnissen gebildet. Alternativ kann die erste Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht mit einer Gradientenänderung im N/O-Verhältnis gebildet werden, und zwar wie die unter Bezugnahme auf 6 diskutierte abgestufte Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht, aber mit einer geringeren Gradientenänderung.
Eine andere Alternative besteht darin, dass die erste Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 36 am Lithiumniobat-Substrat in 7 mit Indium oder anderen Metallen in Metall- oder Oxidform dotiert sein kann, um die zeitliche Stabilität weiter zu verbessern. Dies kann erreicht werden, indem ein weiteres Target (d.h. Mehrquellen-Deposition, die sowohl ein Si₃N₄-TiN-Target als auch ein dotierendes Target umfasst) in der Ablagerungskammer während der Ablagerung der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 36 exponiert wird. Ein anderes Verfahren würde darin bestehen, die erste Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 36 mit einem einzigen Si₃N₄-TiN-Target zu bilden, das den Dotierstoff für die Verbesserung der zeitlichen Stabilität enthält.
8 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Pufferschichten aus Siliciumtitanoxynitrid zur Unterdrückung sowohl der thermischen als auch der zeitlichen Effekte in Verbindung mit einer SiO₂-Pufferschicht, die darüber hinaus verhindert, dass das optische Signal von den Elektroden in einem Mach-Zehnder-Interferometer absorbiert wird. Das Mach-Zehnder-Interferometer umfasst ein Lithiumniobat-Substrat 40 mit Z-Schnitt, in dem optische Wellenleiterpfade 44a und 44b mit einem Dotierstoff, zum Beispiel Titan, diffundiert sind, um die optischen Wellenleiterpfade zu bilden. Elektroden 42a und 43 sind über bzw. direkt über den ersten optischen Wellenleiterpfaden 44a und den zweiten optischen Wellenleiterpfaden 44b angeordnet. Darüber hinaus ist eine weitere Elektrode 42b am Substrat angeordnet, so dass sich die Elektroden 42a und 42b an jeder Seite der Elektrode 43 befinden, die eine Eingangssignalelektrode ist. Eine undotierte SiO₂-Pufferschicht 45 ist an der Oberfläche des Lithiumniobat-Substrats 40 mit Z-Schnitt über den optischen Wellenleiterpfaden 44a und 44b gebildet. Eine erste Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 46 mit einem ersten Si/Ti-Verhältnis und einem ersten N/O-Verhältnis ist auf der undotierten SiO₂-Pufferschicht 45 unter den Elektroden 42a, 42b und 43 und über den optischen Wellenleiterpfaden 44a und 44b angeordnet. Eine zweite Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 47 mit einem zweiten Si/Ti-Verhältnis und einem zweiten N/O-Verhältnis ist auf der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 46 unter den Elektroden 42a, 42b und 43 und über den optischen Wellenleiterpfaden 44a und 44b angeordnet. Die Dicke der undotierten SiO₂-Pufferschicht 45 beträgt etwa 0,1–1,5 Mikron. Die Dicke der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 46 beträgt etwa 0,1–1,0 Mikron, und die Dicke der zweiten Titanoxynitrid-Pufferschicht 47 beträgt etwa 0,1–1,0 Mikron. Ähnlich wie dies oben unter Bezugnahme auf 4 diskutiert wurde, verbindet eine Verbindungsschicht 48 an den Seiten des Lithiumniobat-Substrats 40 die zweite Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 47 mit der +Z-Fläche (Unterseite) des Lithiumniobat-Substrats 40.
Zur zeitlichen Stabilisierung der Mach-Zehnder-Vorrichtung ist das erste Si/Ti-Verhältnis in der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 46 höher als das zweite Si/Ti-Verhältnis in der zweiten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 47. Zur thermischen Stabilisierung der Mach-Zehnder-Vorrichtung ist das zweite N/O-Verhältnis in der zweiten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 47 höher als das erste N/O-Verhältnis in der ersten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 46. Je nach den gewünschten spezifischen elektrischen Widerständen werden die ersten und zweiten Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschichten 46 und 47 mit verschiedenen Targets mit feststehenden Prozentsätzen und verschiedenen Si/Ti-Verhältnissen gebildet. Alternativ kann die erste Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht mit einer Gradientenänderung im N/O-Verhältnis gebildet werden, und zwar wie die unter Bezugnahme auf 6 diskutierte abgestufte Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht, aber mit einer geringeren Gradientenänderung. Wie dies oben unter Bezugnahme auf 6 und 7 diskutiert wurde, kann die erste Siliciumtitanoxynitrid-Pufferschicht 46 auf der undotierten SiO₂-Pufferschicht 45 mit Indium oder anderen Metallen in Metall- oder Oxidform dotiert sein, um die zeitliche Stabilität weiter zu verbessern.
Obwohl die oben beschriebenen Siliciumtitanoxynitrid-Filme in optischen Vorrichtungen mit Z-Schnitt gebildet sind, können die Filme auch auf jeder anderen Ausrichtung von LiNbO₃ verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Siliciumtitanoxynitrid mit einem hohen Si/Ti-Verhältnis und einem niedrigen N/O-Verhältnis an der Oberseite von LiNbO₃-Vorrichtungen mit X-Schnitt zur zeitlichen Stabilisierung verwendet werden. Die in 2 dargestellte Vorrichtung kann auch so gebildet werden, dass sich eine X-Achse der Kristallorientierung in der Längsrichtung des Lithiumniobat-Substrats 1 entlang den Wellenleiterpfaden 4a und 4b erstreckt, wobei Y-Achse die in der Figur dargestellte X-Achse ersetzt. Darüber hinaus können die oben beschriebenen Pufferstrukturen zur thermischen und/oder zeitlichen Stabilisierung in anderen optischen Vorrichtungen verwendet werden, die aus LiNbO₃, LiTaO₃ oder ähnlichen elektrooptischen Materialien gebildet sind, wie z.B. in Polarisatoren oder optischen Schaltern. Darüber hinaus können andere Elemente der Spalte 4 (IVB) des Periodensystems der Elemente in der obigen Offenbarung an die Stelle von Titan treten, wie zum Beispiel Zirconium (Zr). Zum Beispiel kann die erste Pufferschicht in der Vorrichtung von 8 Siliciumzirconiumoxynitrid sein, während die zweite Pufferschicht Siliciumtitannitrid ist. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der optischen Wellenleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die Ansprüche definiert ist. Auf diese Weise ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Änderungen und Abwandlungen dieser Erfindung abdeckt, sofern sie sich innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche befinden.

Claims

Optische Wellenleitervorrichtung, aufweisend: ein elektrooptisches Kristallsubstrat (30, 40) mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche; einen optischen Wellenleiterpfad (34a,b; 44a,b), der in einer Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats gebildet ist; mindestens eine Elektrode (32a,b; 13; 42a,b; 43), die über dem optischen Wellenleiterpfad angeordnet ist, um ein elektrisches Feld an den optischen Wellenleiterpfad anzulegen; eine Schicht zur thermischen Stabilisierung (37, 47); ein Verbindungsmittel (38, 48), um die Schicht zur thermischen Stabilisierung mit einer anderen Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats zu verbinden, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, in welcher der optische Wellenleiterpfad gebildet ist; und eine Siliciumtitanoxinitrid-Schicht (36, 46) zur zeitlichen Stabilisierung, die mit einem Metall der Spalten 3–16 des Periodensystems in Metall- oder Oxidform dotiert ist und zwischen der Schicht zur thermischen Stabilisierung und dem elektrooptischen Kristallsubstrat angeordnet ist.
Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis von Silicium zu Titan in der Siliciumtitanoxinitrid-Schicht mit einer Gradientenänderung im Verhältnis von Silicium zu Titan gebildet wird.
Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schicht zur thermischen Stabilisierung Silicium, ein Element der Spalte 4 (IVB) des Periodensystems, Sauerstoff und Stickstoff enthält.
Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 3, darüber hinaus umfassend eine ungedopte Siliciumdioxidschicht (45), wobei die Schicht zur thermischen Stabilisierung zwischen der mindestens einen Elektrode und der ungedopten Siliciumdioxidschicht angeordnet ist.