DE69212427T2

DE69212427T2 - Integrierter elektro-optischer Modulator und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69212427T2
Application number: DE69212427T
Authority: DE
Inventors: Serge Valette
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1992-10-22
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2012-10-23
Also published as: CA2081090A1; EP0539298A1; FR2683054B1; FR2683054A1; DE69212427D1; EP0539298B1; US5396363A

Description

Die Erfindung hat einen für die integrierte Optik bestimmten elektrooptischen Modulator aus elektrooptischem Material, z.B. den organischen Polymeren, und sein Herstellungsverfahren zum Gegenstand. Sie findet Anwendung vor allein auf dem Gebiet der Echtzeitverarbeitung von Radarsignalen, z.B. in Korrelatoren, Spektrumanalysatoren oder interferrometrischen Geräten, auf dem Gebiet der Telekommunikationen auf optischem Wege und auf dem Gebiet der Lichtleitfaser-Sensoren.
Es sei daran erinnert, daß eine Wellenleiterstruktur im allgeineinen aus einer Pufferschicht, einer leitenden Schicht und einer Oberschicht besteht, gestapelt auf einem Substrat, wobei die leitende Schicht eine größere Brechzahl aufweist als die Pufferschicht und die Oberschicht.
Der elektrooptische Effekt ermöglicht, die Brechzahl eines Materials unter der Wirkung eines elektrischen Feldes zu modifizieren und folglich diverse Funktionen wie die Modulation der Phase oder der Stärke eines Lichtsignals zu realisieren oder auch die Polarisationsänderung dieses Signals.
Die Amplituden- oder Phasenmodulation von Lichtsignalen mit sehr hoher Frequenz (höher als 2 GHz) ist für bestimmte Kommunikationsanwendungen unerläßlich.
Die Amplituden-, Phasen- oder Polarisationsmodulation ist unerläßlich, um eine Heterodynage (heterodynage) der zu verarbeitenden Lichtsignale zu realisieren und so die Leistungen der integrierten Vorrichtungen des Typs Sensor (Gyrometer, Stellungsgeber...) oder des Typs optischer Speicher (Polarisationsmodulation der magnetooptischen Leseköpfe...) zu erhöhen. In diesem Fall sind die erforderlichen Modulationsfrequenzen im allgemeinen kleiner als jene der optischen Kommunikationen (einige zehn MHz in den meteorologischen Vorrichtungen und mehr als ein GHz für die Anwendungen des Typs Gyrometer).
Der elektrooptische Effekt der ersten Ordnung bzw. Art, auch Pockelseffekt genannt, ist möglich mit nichtsyinetrischen kristallinen Materialien, während dieser Effekt mit amorphen Materialien gleich null ist.
Bei den in der integrierten Optik im allgemeinen benutzten Abscheidungstechniken sind das Siliciumdioxid, das Siliciumoxinitrid SiOxNy mit 0≤x≤2 und O≤y≤4/3 und das Siliciumnitrid, in der integrierten Optik auf Silicium verwendet (OIS), amorph.
Auch ist es nicht möglich, das Licht in den im allgemeinen benutzten OIS-Strukturen elektrisch zu modulieren. Nun gewinnen aber diese OIS-Techniken eine zunehmende Bedeutung in der integrierten Optoelektronik. Es besteht daher ein großes Interesse, mit diesen Techniken die Mehrzahl der in der Optik unerläßlichen Komponenten herstellen zu können und eine möglichst vollständige Komponentenbibliothek zu bilden.
Der Zweck der Erfindung ist folglich die Herstellung eines mit den OIS-Strukturen kompatiblen integrierten elektrooptischen Modulators, d.h. eines Modulators, bei dem der Aufbau und die Art der Schichten stets eine geeignete Lichtleitung ermöglichen. Um diesen Modulator herzustellen, haben die Erfinder eines der Materialien der OIS-Struktur partiell ersetzt durch ein festes Material mit elektrooptischen Eigenschaften wie z.B. ein organisches Polymer.
Dieser Austausch muß gewissen Bedingungen entsprechen:
- nicht die Gesamtleistungen der OIS-Strukturen zu verschlechtern durch starke Verluste an den Grenzflächen zwischen der klassischen OIS-Struktur und dem für die elektrooptische Wechselwirkung bestimmten Teil;
- einen kleinstmöglichen Platzbedarf, also die Wahl eines Materials mit einem großen elektrooptischen Koeffizienten; und
- eine leichte Durchführbarkeit.
Die allgemeine Konfiguration eines elektrooptischen Modulators ist seit langem bekannt. Die Vorrichtungen, die diese Art der Wechselwirkung nutzen, bei der ein organisches Polymer beteiligt ist, werden gebildet durch eine im allgemeinen geätzte Leiterschicht aus elektrooptischem Polymer, eingefügt zwischen eine Pufferschicht und eine Deckschicht, deren Brechzahlen kleiner sind als die des elektrooptischen Polymers. Diese Schichten bilden nicht nur die aktive Zone des Modulators, sondern auch die gesamte Leiterstruktur, die mit ihm verbunden ist.
Beiderseits dieses Schichtenstapels gibt es zwei Elektroden mit kleinen Abmessungen, die zwei unterschiedliche Funktionen erfüllen:
a) Die Polymerisation der Moleküle des elektrooptischen Polymers, um eine gemeinsame Orientierung der Dipole des Polymers zu erhalten und einen größtmöglichen elektroptischen Koeffizienten zu erzielen. Diese Operation erfolgt vor jeder Benutzung des Modulators bei einer Temperatur, die höher ist als die Glasübergangstemperatur des Polymers, und durch die Anwendung eines elektrischen Feldes auf den Modulator, das so stark und so gleichmäßig wie möglich ist.
b) die Erzeugung des elektrischen Steuerfeldes des Modulators bei seiner Benutzung.
Diese Elektroden, im allgemeinen metallisch, dürfen durch das geleitete Lichtsignal nicht gesehen werden, um jede unerwünschte Absorption dieses letzteren in den Elektroden zu vermeiden. Die Dicken der Pufferschicht und der Deckschicht müssen daher größer sein als die Penetrationsdicke bzw. -tiefe der abklingenden Wellen in diesen Schichten.
Beispiele von elektrooptischen Modulatoren mit organischem Polymer werden z.B. beschrieben in dem Artikel von G.R. MÖHLMANN, ECOC 90-833 "Polymer electrooptic devices" und in dem Artikel von H. HAGA et al. "Waveguide electro-optic modulator using poled polymer film", S. 16.
Die in den elektrooptischen Modulatoren benutzten Polymere werden meistens mit der Schleuder aufgebracht, nach dem Mischen in einem adäquaten Lösungsmittel.
Zwar ist es möglich, diese Polymere im Trockenverfahren zu ätzen, doch steckt die Ätztechnik in Verbindung mit diesen Materialien noch in den allerersten Anfängen; die Erfindung ermöglicht insbesondere die Verwendung solcher Materialien und vermeidet dabei ihre Ätzung in der Nähe bzw. Umgebung der Modulationszone.
Außerdem haben diese Materialien relativ hohe optische Verluste (0,2 bis 0,5 dB/cm), verglichen mit denen der OIS- Strukturen (0,02 bis 0,03 dB/cm). Daher das Interesse, diese Materialien in den OIS-Strukturen nur lokal zu benutzen.
Die Erfindung hat auch einen auf einem Substrat integrierten elektrooptischen Modulator zum Gegenstand, umfassend:
a) eine durch das Substrat getragene Leiterstruktur, umfassend eine Leiterschicht, einen Mikroleiter bildend, der Lichtstrahlen leiten kann und eingefügt ist zwischen eine Unterschicht und eine Oberschicht mit Brechzahlen, die kleiner sind als die der Leiterschicht, wobei die Leiterschicht und/oder die Oberschicht geätzt wird zur seitlichen Einschließung der Lichtstrahlen in dem Mikroleiter,
b) eine Vertiefung, hergestellt über die ganze oder einen Teil der Dicke von wenigstens der Oberschicht und nur über einen Teil der Länge der Leiterstruktur,
c) ein aktives festes Material, dessen Brechzahl man elektrisch verändern kann und das die Vertiefung ausfüllt und besagte Lichtstrahlen leiten kann,
d) eine das aktive Material sowie die Leiterstruktur bedeckende Einschließungsschicht, wobei die jeweiligen Brechzahlen der Oberschicht und der Einschließungsschicht kleiner sind als die des aktiven Materials,
e) zwei Elektroden, beiderseits des aktiven Materials angeordnet, um dessen Brechzahl zu verändern, wobei eine untere Elektrode in Substratnähe unter der Unterschicht angeordnet ist und eine obere Elektrode auf der Außenfläche der Einschließungsschicht.
Das in der Erfindung verwendbare aktive Material mit den elektrooptischen Eigenschaften ist insbesondere ein organisches Polymer wie z.B. eines von denjenigen, die in den vorhergehend zitierten Artikeln von G.R. MÖHLMANN und H. HAGA genannt werden, oder ein Material wie ZnO oder CdS (abgeschieden durch Sputtern).
Diese elektrooptischen Materialien können auf einem Siliciumsubstrat integriert werden. Sie sind kompatibel mit den OIS-Strukturen.
Auch sind auf vorteilhafte Weise die Oberschicht und die Unterschicht aus Siliciumdioxid und die Leiterschicht ist aus Siliciumnitrid, aus Aluminiumoxid, aus Siliciumoxinitrid SiOxNy mit 0≤x≤2 und 0≤y≤4/3 oder aus Siliciumdioxid.
Die Oberschicht aus Siliciumdioxid, die Unterschicht aus Siliciumdioxid und die Leiterschicht, wenn sie aus Siliciumdioxid ist, sind nicht-absichtlich dotiert oder mit Dotierstoffen dotiert, die ihre Brechzahlen derart verkleinern oder vergrößern, daß die Ober- und die Unterschicht jeweils eine kleinere Brechzahl aufweisen als die Leiterschicht.
Die Verkleinerung der Brechzahl des Siliciumdioxids kann erzielt werden durch eine Fluor- und/oder Bordotierung, und die Erhöhung der Brechzahl des Siliciumdioxids kann erzielt werden durch eine Dotierung mit Phosor, Germanium, Titan oder Stickstoff.
Obwohl die Erfindung sich insbesondere eignet für die OIS- Technik, kann sie auch bei den Techniken auf Substraten aus III-V- Material benutzt werden (z.B. GaAs oder InP) und noch allgemeiner bei Leiterstrukturen aus unorganischem Material, mit Ausnahme der durch das elektrooptisch aktive Material belegten Zone.
Die untere Elektrode kann direkt auf der dem Substrat zugewandten Seite der Unterschicht angeordnet sein oder auch auf der Rückseite des Substrats, vorausgesetzt, daß diese letztere leitend ist. Damit ein Siliciumsubstrat leitend wird, muß dieses n&spplus; oder p&spplus; dotiert werden. Letztere Anordnung kann vorgesehen werden, wenn es im Laufe der Herstellung des Modulators ein oder mehrere Schritte mit hoher Temperatur gibt (Tempern oder Fließen), die die untere Elektrode nicht aushalten würde. Sie kann dann nach diesen Hochtemperaturschritten hergestellt werden.
Jedoch ist diese letztere Lösung nachteilig hinsichtlich der erreichbaren Modulationsgeschwindigkeiten aufgrund der größeren Werte des Widerstands und der elektrischen Kapazität des Modulators.
Es ist auch vorzuziehen, die untere Elektrode auf der dem Substrat zugewandten Seite der Unterschicht anzuordnen und zwischen die untere Elektrode und das Substrat, wenn dieses ein mittelmäßiges Dielektrikum ist, eine Pufferschicht einzufügen. Diese Pufferschicht hat vorzugsweise eine Brechzahl, die kleiner oder gleich der Brechzahl der Unterschicht der Leiterstruktur ist.
Die Modulationszone wird so realisiert, daß das Profil der in der Struktur geleiteten Mode demjenigen der in der Leiterstruktur erhaltenen möglichst nahe kommt.
Vorzugsweise ist die Vertiefung über die gesamte Dicke der Oberschicht und wenigstens über einen Teil der Leiterschicht vorgesehen.
Die Erfindung hat auch ein Herstellungsverfahren eines wie vorhergehend definierten Modulator zum Gegenstand. Dieses Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
A) Herstellung der unteren Elektrode unterhalb der dem Substrat zugewandten Seite der Unterschicht,
B) aufeinanderfolgende Abscheidungen der Unterschicht, der Leiterschicht und der Oberschicht,
C) Ätzung der Leiterschicht und/oder der Oberschicht, um wenigstens den Mikroleiter zu bilden,
D) Ätung der Oberschicht, um wenigstens teilweise die Vertiefung zu bilden,
E) Aufeinanderfolgende Abscheidungen des aktiven Materials und der Einschließungsschicht auf der gesamten in D erhaltenen Struktur,
F) Herstellung der oberen Elektrode gegenüber der Vertiefung.
Der Mikroleiter kann entweder durch Ätzung der Leiterschicht oder durch Ätzung der Oberschicht oder durch beides gebildet werden. Wenn er nur in der Leiterschicht gebildet wird, ätzt man die Leiterschicht vor dem Abscheiden der Oberschicht.
Bei diesem Verfahren wird die seitliche Einschließung des Lichts erzielt, ohne daß man die Schicht aus aktivem Material nach ihrer Abscheidung verändern muß. Insbesondere muß diese letztere nicht geätzt werden, um die seitliche Begrenzung der Modulationszone zu gewährleisten, im Gegensatz zu der vorhergehenden Technik.
Der erfindungsgemäße Modulator ermöglicht, die durch die Leiterstruktur gebildeten passiven Teile und die durch die mit elektrooptischem Material gefüllte Vertiefung gebildeten aktiven Teile mit einem Minimum an Verlusten zu verbinden. Zu diesem Zweck sind vorteilhafterweise adiabatische übergänge vorgesehen zwischen der Leiterstruktur und der aktiven Zone des Modulators. Anders ausgedrückt weist die Leiterschicht, die in der bzw. die Leiterstuktur geätzt ist oder nicht, gegenüber der Vertiefung geätzte Enden auf. Diese Enden haben eine Breite, die über eine bestimmte Dicke (gleich oder kleiner als die Dicke der Leiterschicht) progressiv abnimmt, wobei diese letzteren von oben gesehen die Form eines Konus aufweisen.
Die untere und die obere Eletrode werden aus Metall hergestellt, z.B. aus Aluminium oder aus Gold.
Für den Fall, daß der erfindungsgemäße Modulator mit sehr hoher Geschwindigkeit arbeiten muß und Herstellungsschritte mit sehr hoher Temperatur nötig sind, kann die untere Elektrode aus dem Silicid eines refraktären Metalls hergestellt werden, insbesondere aus dem Silicid von Wolfram, Kobalt, Molybdän, bestens bekannt in der Mikroelektronik und geeignet für Verfahren mit hohen Temperaturen.
Die Einschließungsschicht wird vorteilhafterweise aus einem Polymer hergestellt, z.B. Methyl-Polymethacrylat (PMMA) oder den Polymiden mit Brechzahlen von 1,45 bis 1,7.
Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, erläuternden und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine erste Ausführungsart eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators;
- die Figur 2 zeigt schematisch eine Draufsicht des Modulators der Figur 1;
- die Figur 3 zeigt schematisch als Längsschnitt eine zweite Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Modulators;
- die Figur 4 ist eine Draufsicht des Modulators der Figur 3, wobei der Teil A der Figur 5 eine Anwendungsvariante betrifft;
- die Figuren 5 bis 8 zeigen schematisch im Querschnitt die verschiedenen Herstellungsschritte des Modulators der Figur 3, wobei der Teil A der Figur 5 eine Anwendungsvariante betrifft;
- die Figuren 9 bis 14 zeigen schematisch die verschiedenen Herstellungsschritte einer dritten Ausführungsart eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators:
die Figuren 9, 12a und 13 sind Längsschnittansichten, die Figuren 10 und 11a sind Draufsichten und die Figuren 11b, 12b und 14 sind sind Querschnittansichten.
In der Folge der Beschreibung wird die Leiterstruktur Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2; OIS1-Struktur genannt, die Leiterstruktur Si/SiO&sub2;/SiO&sub2; hoher Index/SiO&sub2; wird OIS2-Struktur genannt und die Struktur Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2; hoher Index/SiO&sub2; wird OIS3-Struktur genannt. Außerdem wird beispielsweise ein organisches Polymer als aktives Material genommen.
Zudem werden die Brechindices bzw. -zahlen angegeben für eine Benutzungswellenlänge von 800nm.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Modulator weist vorteilhafterweise eine OIS1-Struktur auf. Außerdem umfaßt dieser Modulator ein Substrat 2 aus monokristallinem Silicium, bedeckt von einer nicht absichtlich dotierten Schicht aus Siliciumdioxid mit 0 bis 3 µm Dicke, erzeugt mittels thermischer Oxidation (zwischen 1000 und 1100ºC bei atmosphärischem Druck oder gegen 700-800º unter Hochdruck (HIPOX)) des Substrats oder mittels CVD. Das nicht dotierte Siliciumdioxid hat eine Brechzahl von 1,45. Auf dieser Schicht 4 aus SiO&sub2; ruht eine untere Elektrode 6 aus Metall oder aus Silicid eines refraktären Metalls von 50 bis 500 nm Dicke. Diese Schicht isoliert die Elektrode vom Substrat.
Diese untere Elektrode 6 weist in der Ebene xz der Schichten eine recheckige Form auf. Eine elektrische Kontaktzone 8 (s. Figur 2), durch ein leitfähiges Band 10 mit der Elektrode 6 verbunden, ermöglicht, an diese Elektrode ein Potential zu legen.
In der Praxis werden die Elektrode 6, ihr elektrischer Kontakt 8 und ihre Verbindung 10 in ein und derselben Schicht hergestellt, abgeschieden auf dem Siliciumdioxid 4, sodann durch die klassischen Verfahren der Photolithographie dem gewünschten Muster entsprechend geätzt.
Die leitfähige untere Schicht 6-8-10 wird bedeckt von einer nicht absichtlich dotierten unteren Einschließungsschicht 12 aus SiO&sub2; mit 2 bis 15 µm Dicke, hergestellt mittels CVD, eventuell unterstützt durch Plasma (PECVD); die Dicke diese Schicht 12 reicht aus, um das in der Struktur geleitete Licht von der unteren Elektrode 6 zu isolieren.
Auf der unteren Einschließungsschicht 12 findet man eine Leiterschicht aus Siliciumnitrid, die parallel zu der Richtung z (Längsrichtung) einen Mikroleiter 16 definiert. Dieser Mikroleiter ist dazu bestimmt, die Lichtstrahlen in der Leiterstruktur zu leiten. Die Abscheidung der Leiterschicht erfolgt mittels CVD und im allgemeinen mittels LPCVD.
Die Leiterschicht könnte auch aus Siliciumoxinitrid SiOxNy mit 0≤x≤2 und 0≤y≤4/3 oder Aluminiumoxid hergestellt werden.
Die Brechzahl von SiOxNy variiert von 1,46 bis 2 je nach den Werten von x und y; die Brechzahl von Si&sub3;N&sub4; liegt nahe bei 2 und die Brechzahl von Aluminium beträgt ungefähr 1,65.
Erfindungsgemäß weist der Mikroleiter 16 in und in der Nähe der Modulationszone 15 (wobei die Modulationszone definiert wird durch die der unteren Elektrode 6 gegenüberstehende Zone) ein seitlich entsprechend der Z-Achse über eine von 2 bis 8 µm gehende Breite L und eine Länge D geätztes Muster auf. Dieses Muster weist außerdem in der Modulationszone eine Längsvertiefung 19 auf, deren Symetrieachse zusammenfällt mit der des Mikroleiters. Der Mikroleiter 16 hat also in der Modulationszone 15 eine Dicke h und außerhalb der Modulationszone eine Dicke h' mit h< h'.
Die seitliche Ätzung des Musters und sein Dickenunterschied werden durch wenigstens zwei Trockenätzungen des Mikroleiters 16 erzielt, indem man photolithographische Masken benutzt, die das erwünschte Muster definieren.
Die Dicke h ist so, daß die seitliche Einschließung der geleiteten Mode in dem Modulator für die gewählte Breite L gewährleistet ist; diese letztere hängt ab von der Brechzahldifferenz zwischen der Leiterschicht 14 und den benachbarten Schichten sowie von der benutzten Wellenlänge und der gewünschten Anzahl der geleiteten Moden (wobei diese Leiterstruktur z.B. eine Einmoden- Struktur sowohl in der zur Ebene der Schichten parallelen Richtung x (Querrichtung) als auch in der zur Ebene der Schichten senkrechten Richtung y haben kann)
Für eine Leiterschicht 14 aus Si&sub3;N&sub4; und eine Einmoden- Struktur wird h zwischen 10 und 50 nm gewählt und h' zwischen 60 und 250 nm für die vorher bestimmten Werte von L und ein elektrooptisches Material mit einer Brechzahl von 1,55.
Der elektrooptische Modulator umfaßt außerdem eine obere Einschließungsschicht 18, hergestellt aus nicht-absichtlich dotiertem Siliciumoxid, abgeschieden mittels CVD. Diese Schicht 18 hat eine Dicke zwischen 1 und 10 p.m. Sie gewährleistet die seitliche Einschließung des Lichts in die Leiterschicht 14 durch seitliches Ätzen dieser Schicht 18 über eine Breite in der Größenordnung von L und derselben Achse wie das geätzte Muster der Schicht 14.
Erfindungsgemäß umfaßt diese Einschließungsschicht 18 eine Vertiefung 20, hergestellt durch Ätzung der Schicht 18 vor allem auf trockenem Wege gleichzeitig mit ihrer seitlichen Ätzung und über die gesamte Dicke der Schicht 18. Diese Vertiefung 20 befindet sich gegenüber der Modulationszone 15 und vor allem der Eintiefung 19. Sie definiert somit ein und denselben Raum mit der Eintiefung 19, begrenzt in den beiden zu den Schichten parallelen Richtungen x und z (Figur 2). Diese Vertiefung 20 weist eine Breite D auf, die größer ist als die Minimalbreite d der Eintiefung 19.
Erfindungsgemäß weisen die Ränder der Eintiefung 19 des Mikroleiters (Figur 2) von oben gesehen die Form eines Konus der Dicke h'-h auf.
Somit, erfindungsgemäß, definieren die Zonen 22 und 24, welche die Ränder der Eintiefung 19 von den Rändern der Vertiefung 20 trennen, zwei adiabatische Übergänge. Diese adiabatischen Übergänge ermöglichen einen optisch verlustfreien Übergang zwischen der OIS1-Leiterstruktur und der aktiven Struktur (elektrooptisches organisches Polymer).
Die beiden adiabatischen Übergangszonen 22 und 24 können ausgeführt werden wie beschrieben in dem Dokument Appl. Phys. Lett. 55 (23) vom 4.12.1989, S. 2389-2391 von Y. Shani et al. "Efficient coupling of a semiconductor laser to an optical fiber by means of a taperd waveguide on silicon".
Anschließend findet man eine Schicht 26 aus festem organischem Polymer mit elektrooptischen Eigenschaften, die die gesamte darunter befindliche Struktur überdeckt; die Benutzung einer Vertiefung ermöglicht, das Ätzen dieses Polymers, das insbesondere in der Modulationszone schwierig durchzuführen ist, zur seitlichen Einschließung des Lichts in der Modulationszone zu vermeiden. Diese Polymerschicht 26 wird nach Mischen in einem adäquaten Lösungsmittel mit der Schleuder aufgebracht, dann getrocknet in der freien Luft. Die aktive Schicht 26 hat eine Dicke von 0,2 bis 5 µm.
Diese aktive Polymerschicht 26 ist über ihre gesamte Oberfläche bedeckt von einer im allgemeinen nicht-aktiven Einschließschicht 28 aus organischem Polymer, ebenfalls aufgebracht mittels Schleuder und dann getrocknet. Diese Polymerschicht 28 hat eine Dicke von 1 bis 10 mµ. Diese Einschließungsschicht 28 ist vorteilhafterweise in der Modulationszone nicht geätzt wie die aktive Schicht 26.
Die organischen Polymere weisen Brechzahlen von 1,46 bis 1,7 auf und halten im allgemeinen keine Temperaturen höher als 150ºC aus.
Um die Leitung des Lichts in dem aktiven Polymer 26 sicherzustellen, muß dieses letzere eine höhere Brechzahl als die Polymer-Einschließungsschicht 28, die Siliciumdioxid-Oberschicht 18 und Siliciumdioxid-Unterschicht 12 aufweisen.
Insbesondere ist das aktive Polymer PMMA, dotiert mittels 2-Methyl-4-Nitroanilin (MNA). Dieses Polymer weist eine Brechzahl von 1,55 auf. Die Einschließungsschicht 28 ihrerseits ist hergestellt aus nicht dotiertem PMMA mit der Brechzahl 1,50.
Schließlich findet man auf der Polymerschicht 28 eine obere Elektrode 30, parallel zu der unteren Elektrode 6 angeordnet und dieser letzteren gegenüberstehend.
Die Elektrode 30 weist von oben gesehen die Form eines Rechtecks auf und ist über einen leitenden Streifen 32 mit einer elektrischen Kontaktzone 34 verbunden.
Die Elektrode 30, der leitfähige Streifen 32 und die Kontaktzone 34 sind in ein und derselben Leiterschicht aus Metall oder refraktärem Metallsilicid hergestellt, dem gewünschten Muster entsprechend geätzt mittels Photolithographie.
Um die Kontaktherstellung an der unteren Elektrode 6 sicherzustellen, muß man in dem Stapel aus den Schichten 28, 26, 18 und 12 ein Kontaktloch mit einer relativ großen Oberfläche von 1000µm² oder mehr herstellen, gegenüber der elektrischen Kontaktzone 8. Die Öffung dieses Kontaktloches ist keine kritische Operation.
Mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 wird anschließend eine zweite Ausführungsart des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators beschrieben und mit Bezug auf die Figuren 5 bis 8 sein Herstellungsverfahren in zwei Varianten. Die Basisstruktur ist vorteilhafterweise eine OIS2-Struktur.
Die Schichten und Elemente des Modulators der Figuren 3 bis 8, die identisch sind mit denen der Figuren 1 und 2, tragen dieselben Bezugszeichen.
Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Modulator umfaßt auf dem Substrat 2 die thermische Siliciumdioxidschicht 4, die untere Elektrode 6, verbunden mit ihrer Kontaktzone (nicht dargestellt) und der Einschließungszone 12 aus Siliciumdioxid, nicht-absichtlich dotiert oder eventuell dotiert mit einem Dotierstoff, der ihre Brechzahl verkleinert (F, B) oder vergrößert (z.B. P, Ge, Ti). Diese Schichten und die Elektrode werden wie vorhergehend hergestellt.
Die untere Einschließungsschicht 12 ist bedeckt von einer Leiterschicht 14a aus Siliciumdioxid, eventuell dotiert mit einem Dotierstoff, der ihre Brechzahl vergrößert oder verkleinert.
Diese Leiterschicht 14a wird auf eine Dicke h1 mittels CVD abgeschieden und dann geätzt (Figur 4), um parallel zu der Richtung z den Mikroleiter 16a zu definieren.
Die untere Elektrode 6 hat im allgemeinen eine ähnliche Größe wie die obere Elektrode 30. Da das elektrische Feld in der Modulationszone 15 gleichmäßig sein muß, ist es vorteilhaft, Elektroden zu haben, die größer sind als die Einschließungszone des Lichts.
Der Mikroleiter 16a weist in der Modulationszone 15 eine Verbreiterung 17 auf. Die Breite L' dieser Verbreiterung variiert von 10 bis 1000µm. Außerhalb der Modulationszone hat dieser Mikroleiter 16a eine Breite La von 3 bis 5µm. Die Ätzung der Leiterschicht 14a wird dem gewünschten Muster entsprechend auf trockenem Wege durchgeführt, mittels klassischer Photolithographieverfahren.
Die Leiterstruktur OIS2 endet durch eine obere Einschließschicht 18 aus Siliciumdioxid, nicht absichtlich dotiert oder durch einen Dotierstoff dotiert, der ihre Brechzahl verkleinert, oder einen, der sie vergrößert.
Die Dotierung des Siliumdioxids der Schichten 12, 14a und 18 muß derart sein, daß die Brechzahl der Leiterschicht 14 größer ist als diejenige der Schichten 12 und 18.
Erfindungsgemäß weist der Mikroleiter 16a in der Modulationszone und folglich in seiner Verbreiterung 17 eine Längsvertiefung 19a auf, deren Symetrieachse zusammenfällt mit jener der Achse des Mikroleiters 16a. Diese Vertiefung 19a ist gänzlich enthalten in der Verbreiterung 17. Die Breite e, die die Vertiefung 19a vom Mikroleiter 16a trennt, in seinem am wenigsten breiten Teil, ist vorteilhafterweise klein und typisch in der Größenordnung von 5 bis 20µm. Die Breite w der Vertiefung 19a ist kleiner als die Breite La des Mikroleiters 16a und variiert von 1 bis 4µm.
Die Form des vor dem Abscheiden der Schicht 18 in die Leiterschicht 14a geätzten Musters ist in den Teilen A und B der Figur 5 und in Figur 6 dargestellt. Der Teil A der Figur 5 und der Figur 6 sind Schnitte entsprechend der Linie A-A der Figur 4, und der Teil B der Figur 5 ist ein Schnitt entsprechend der Linie B-B der Figur 4, nahe dem Anfang der Vertiefung 17.
Die Vertiefung 19a unterbricht den Mikroleiter 16a der Breite La in der Modulationszone 15. Sie ermöglicht, den passiven Mikroleiter 16a in dieser Zone 15 zu ersetzten durch einen Mikroleiter aus aktivem Polymer, der die Vertiefung 19a belegt. Wenn eine einzige photolithographische Maske benutzt wird&sub1; um den Mikroleiter 16a und die Vertiefung 19a herzustellen, ist es klar, daß in der Modulationszone die Höhen h&sub2; und h&sub3; gleich sind (Teil A Figur 5).
Diese Verfahrensart hat den Vorteil, eine perfekte Ausrichtung der Achse der Vertiefung 19a und derjenigen des Mikroleiters 16a zu erhalten.
Hingegen begrenzt sie die Anpassungsfreiheit des Profils der in dem Mikroleiter der Breite L' geleiteten Mode und das der in dem Mikroleiter aus aktivem Polymer geleiteten Mode, das die Vertiefung 19a ausfüllt (wobei die Brechzahlen des dotierten Siliciumdioxids und der Polymere im allgemeinen Fall unterschiedlich sind). Generell gibt es folglich geringe Lichtverluste beim übergang.
Mit zwei Maskenniveaus, eines zum Herstellen des Mikroleiters 16a und ein anderes zum Herstellen der Vertiefung 19a, hat man die Freiheit, h&sub2; anders zu wählen als h&sub3;, wie dargestellt in den Figuren 6, 7 und 8 und folglich die beiden Modenprofile anzupassen. In diesem Fall wird h&sub2; berechnet aufgrund der Parameter des Mikroleiters 16a und vor allem der Brechzahl des verwendeten aktiven Polymers 26.
Jedoch führt die Benutzung von zwei Maskenniveaus, außer der Tatsache, daß sie die Technik kompliziert, im allgemeinen zu einer leichten Unflucht der Achsen des Mikroleiters 16a und der Vertiefung 19a. Es kommt folglich ebenfalls zu einer leichten Lichtverlust beim Übergang, jedoch anderen Ursprungs.
Außerdem kann h&sub3; gleich null gewählt werden.
Wenn man zwei Maskenniveaus benutzt, kann h&sub2; in bestimmten Fällen negativ gewählt werden (d.h. daß die Einschließungsschicht 12 leicht geätzt wird).
Außerdem ist die Höhe h&sub2; der Figur 7 nicht notwendigerweise gleich der der Figur 5, Teil A, oder der Figur 6, denn man kann die Schicht 14a leicht angreifen während der Herstellung der Vertiefung 20.
Bei einer Indexdifferenz von 10&supmin;² (Fall der Schichten 12 und 18 aus undotiertem SiO&sub2; und eines Mikroleiters 16a aus stark dotiertem SiO&sub2;) wählt man für eine Wellenlänge von 800nm h&sub1; so, daß 0,5µm< h&sub1;< 3µm.
Bei einer Indexdifferenz von 6.10&supmin;³ (Fall der Schichten 12 und 18 aus undotiertem SiO&sub2; und eines Mikroleiters 16a aus mittelmäßig dotiertem SiO&sub2;) und einer wellenlänge von 1,55µm, wählt man h&sub1; so, daß 2µm< h&sub1;< 8µm.
Die Höhe h2 hängt ebenfalls von der Art der gewünschten Einschließung ab, die von 0 bis 3 variieren kann, je nach dem Wert von h&sub1;, der Indexdifferenz zwischen der Leiterschicht und den benachbarten Schichten und der Breite La des Mikroleiters 16a. Für eine Indexdifferenz von 10&supmin;², eine Wellenlänge von 800nm und h&sub1; mit einem Wert von 2µm kann h&sub2; z.B. von 0 bis 1 µm variieren.
Im allgemeinen ist h&sub3; nicht sehr verschieden von h&sub2;, also in der Größenordnung von 0 bis 1µm bei einer Indexdifferenz von 10&supmin;² und einer Wellenlänge von ungefähr 800nm.
Wenn h&sub3; ≠ h&sub2; wird h&sub3; meistens etwas kleiner gewählt als h&sub2;, denn die in dem Siliciumdioxid geleitete Mode ist im allgemeinen weniger eingeschlossen als die in dem aktiven Leiter geleitete Mode (die Indexdifferenz in dem Siliciumdioxidleiter ist generell kleiner als die des Polymerleiters). Beispielsweise kann bei einem aktiven Material mit einem Index von 1,55 und einer Schicht 28 mit dem Index 1,50 h&sub3; in dem angegebenen Beispiel von 0 bis 0,6µm variieren.
Nach dem Ätzen der Leiterschicht 14a entsprechend dem Muster der Figur 5 oder 6 führt man vorteilhafterweise ein Tempern bei hoher Temperatur durch, um die Leiterschicht etwas fließen zu lassen und so die geätzten Stufen abzurunden, wie dargestellt in Figur 7. Dieses Tempern kann bei 1 200ºC in Stickstoff- oder Sauerstoffatmosphäre durchgeführt werden.
Die so getemperte Leiterschicht wird dann bedeckt mit der oberen Einschließungsschicht 18 aus Siliciumdioxid, die man ätzt, um die Vertiefung 20 zu bilden. Diese letztere wird hergestellt gegenüber der verbreiterten Zone 17 des Mikroleiters 16a und bildet mit der Eintiefung 19a ein und dieselbe Vertiefung, die in den beiden zur Ebene der Schichten parallelen Richtungen x und z begrenzt ist und die seitliche Einschließung des Lichts in dem Mikroleiter aus organischem Polymer mit elektrooptischen Eigenschaften ermöglicht, in der zentralen Zone 21 des Modulators und insbesondere in der Vertiefung 19a.
Die Vertiefung 20 wird so ausgeführt, daß die Ränder der Eintiefung 19a des Mikroleiterss 16a mit undotiertem Silicium 18 (Figur 3) bedeckt sind. Die Dicke l des undotierten Siliciumdioxids auf diesen Rändern ist nicht kritisch und variiert von 0 bis 5µm.
Die Abscheidung der elektrooptischen organischen festen Polymerschicht 26, dann der polymerischen Einschließungsschicht 28 auf der erhaltenen Struktur, kann nun ausgeführt werden wie vorhergehend beschrieben.
Der Modulator wird fertiggestellt durch die Bildung der oberen Elektrode, wie vorhergehend beschrieben.
Die Endstruktur ist als Querschnitt in Figur 8 dargestellt.
In diesem Modulator ist das Licht eingeschlossen in dem zentralen Bereich 21 des polymerischen Leiters aufgrund der größeren Dicke W' des aktiven Polymers in diesem Bereich als in den benachbarten Bereichen.
Die in den Figuren 3, 4 und 8 dargestellte Struktur des Modulators ist sehr viel komplexer als die der Figuren 1 und 2, wo eine OIS1-Leiterstruktur benutzt wird. Dies ist zurückzuführen auf die geringe Indexdifferenz (10&supmin;² oder 10&supmin;³) zwischen der Leiterschicht 14a und den Einschließungsschichten 12 und 18 sowie auf die in der OIS2-Struktur auftretenden, sehr viel größeren Dicken.
Es ist jedoch möglich, die Herstellung des Modulators in der OIS2-Struktur zu vereinfachen, indem man unter dem aktiven organischen Polymer eine sehr feine Schicht 32 aus einem Material mit einer sehr großen Indexänderung verwendet, z.B. Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3; oder Siliciumoxinitrid, wie dargestellt in den Figuren 9 bis 13.
Bei dieser Ausführungart umfaßt der erfindungsgemäße Modulator (Figur 9) auf dem Substrat 2 noch die Silciumdioxidschicht 4, die untere Elektrode 6 (mit ihrer elektrischen Kontaktzone), die untere Einschließungsschicht 12 aus Siliciumdioxid, dann die Leiterschicht 14b aus stark dotiertem Silicium mit der Dicke hb. Diese Schichten und die Elektrode werden gebildet wie vorhergehend beschrieben.
Man führt dann eine komplette oder partielle Ätzung der Leiterschicht 14b entsprechend dem als Draufsicht in Figur 10 dargestellten Muster durch, um den Mikroleiter 16b der Leiterstruktur zu bilden. Lb gibt die Breite des Mikroleiters 16b an. Dieser Mikroleiter enthält in der Modulationszone eine Vertiefung 19b.
Diese Vertiefung kann über die ganze Tiefe des Mikroleiters 16b vorgesehen werden oder über einen Teil davon, was einer Dicke ha≥0 entspricht (Figur 12a).
Man führt dann die Abscheidung einer dünnen Schicht aus Siliciumnitrid von 10 bis 50nm oder eventuell aus Aluminiumoxid oder Siliciumoxinitrid durch. Diese Schicht wird aufgebracht mittels PECVD oder LPCVP oder Sputtern oder auch Verdampfen.
Man führt dann eine Ätzung dieser Schicht durch, um das in Figur 11a als Draufsicht dargestellte Muster 32 zu erhalten. Dieses Muster präsentiert sich in Form eines Streifens, dessen Längsachse zusammenfällt mit der des Mikroleiters 16b, wobei dieser Streifen 32 ganz in der Vertiefung 19b des Mikroleiters 16b sitzt.
Die Breite w" des Musters 32 entspricht ungefähr der Breite Lb des Mikroleiters, ist generell jedoch etwas kleiner unter Berücksichtigung der Indices der gewählten Materialien und des Wunsches, eine Einmoden-Struktur zu bleiben. Insbesondere beträgt w" 2 bis 8µm.
Das erhaltene Profil, der Linie b-b der Figur 11a entsprechend, ist in Figur 11b dargestellt.
Man bedeckt dann die gesamte Struktur mit der oberen Einschließungsschicht 18 aus SiO&sub2;, bildet dann die Vertiefung 20, begrenzt in den zu den Schichten parallelen Richtungen x und z, indem man die Schicht 18 ätzt bis zu der Schicht mit hohem Index 14b, oder indem man etwas oberhalb der Schicht mit hohem Index anhält (z.B. 0,1µm, um den Ätzunsicherheiten Rechnung zu tragen und die Schicht mit hohem Index auf keinen Fall anzugreifen).
Wie in den Figuren 12a und 12b dargestellt, jeweils als Längsschnitt und Querschnitt, befindet sich diese Vertiefung 20 dem Streifen 32 aus Material mit hohem Index gegenüber. Die Breite H dieser Vertiefung ist größer als die Breite w" (in der Größenordnung von 2 bis 8µm) des Profils 32 und für die gewählten Materialien und ist enthalten zwischen 20 und 100µm.
Bei dieser Ausführungsart sind die Ränder der Vertiefung 19b (Figur 12a) nicht bedeckt mit undotiertem Silicium.
Man scheidet dann die Schicht 26 aus elektrooptischem Polymer ab, dann die Schicht 28 aus Polymer und man bildet die obere Elektrode 30 des elektrooptischen Modulators. Die Figuren 13 und 14 zeigen die Fertigstruktur dieses Modulators, jeweils im Längsschnitt und im Querschnitt.
Die oben mit Bezug auf die Fig. 9 und 14 beschriebenen Ätzund Abscheidungsoperationen können eventuell etwas verschieden sein.
Zum Beispiel:
1º) Ätzen der Leiterschicht 14b wie dargestellt in der Figur 10,
2º) Abscheiden der oberen Einschließungsschicht 18 aus SiO&sub2;,
3º) Ätzen dieser Schicht 18, um die Vertiefung 20 zu bilden,
4º) Abscheiden der Schicht mit hohem Index aus Siliciumnitrid oder SiOxNy oder Aluminiumoxid,
5º) Ätzen dieser Schicht um das Muster 32 zu erhalten.
Die anderen Operationen sind identisch mit den vorhergehend beschriebenen und die Fertigstruktur ist der in den Figuren 13 und 14 beschriebenen ähnlich.

Claims

1. Auf einem Substrat integrierter elektro-optischer Modulator, umfassend:

a) eine Leiterstruktur, getragen von dem Substrat (2), umfassend eine leitende Schicht (14, 14a, 14b) zur Bildung eines Mikroleiters (16, 16a, 16b), befähigt zum Leiten von Lichtstrahlen, eingefügt zwischen eine Unterschicht (12) und eine Oberschicht (18) mit kleineren Brechungsindizes als dem der leitenden Schicht, wobei die leitende Schicht und/oder die Oberschicht geätzt wird zur seitlichen Einschließung der Lichtstrahlen in dem Mikroleiter,

b) eine Vertiefung (19, 19a, 19b), hergestellt über die ganze Dicke oder einen Teil der Dicke von wenigstens der Oberschicht und nur über einen Teil der Länge der Leiterstruktur,

c) ein aktives festes Material (26), dessen Brechungsindex man elektrisch verändern kann und das die Vertiefung auffüllt und fähig ist, besagte Lichtstrahlen zu leiten,

d) eine Einschließungsschicht (28), die das aktive Material sowie die Leiterstruktur bedeckt, wobei die jeweiligen Brechungsindizes der Oberschicht und der Einschließungsschicht kleiner sind als der des aktiven Materials,

e) zwei Elektroden (6, 30), zu beiden Seiten des aktiven Materials angeordnet, um seinen Index zu verändern, wobei eine untere Elektrode in Substratnähe unterhalb der Unterschicht angeordnet ist und eine obere Elektrode auf der Außenfläche der Einschließungsschicht.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (20) über die ganze Dicke der Oberschicht hergestellt wird und über wenigstens einen Teil der leitenden Schicht.

3. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pufferschicht (4) vorgesehen ist zwischen der unteren Elektrode und dem Substrat.

4. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material ein organisches Polymer ist.

5. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden adiabatischen Übergänge (22, 24) vorgesehen sind zwischen der das aktive Material enthaltenden Vertiefung und dem Mikroleiter.

6. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroleiter (16a) der Vertiefung gegenüberstehend eine Verbreiterung (17) umfaßt.

7. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschließungsschicht (28) ein festes organisches Polymerisat ist.

8. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und die Ober- und Unterschicht aus anorganischem Material sind.

9. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silicium ist und die Oberschicht (18) und die Unterschicht (12) aus Siliciumdioxid sind, nicht-absichtlich dotiert oder eventuell mit Dotierstoffen dotiert, die ihren Brechungsindex verkleinern oder vergrößern, und dadurch, daß die leitende Schicht (14, 14a, 14b) aus Siliciumnitrid, aus Aluminiumoxid, aus Siliciumoxinitrid SiOxNy mit 0≤x≤2 und 0≤y≤4/3 ist oder aus Siliciumdioxid, nichtabsichtlich dotiert oder mit Dotierstoffen dotiert, die ihren Brechungsindex verkleinern oder vergrößern.

10. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material in seinem zentralen Teil (21) eine größere Dicke (w') als seine benachbarten Teile aufweist.

11. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplementäres Material (32) vorgesehen ist zwischen dem aktiven Material und dem tiefesten Teil der Vertiefung, wobei dieses Material einen höheren Brechungsindex aufweist als jeweils die leitende Schicht und das aktive Material.

12. Modulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das komplementäre Material für eine aus Siliciumdioxid hergestellte leitende Schicht aus Siliciumnitrid, aus Siliciumoxinitrid oder aus Aluminiumoxid ist.

13. Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, wobei die Leiterstruktur eine Eintypen- Struktur ist, daß die leitende Schicht im tiefsten Teil der Vertiefung eine solche Dicke aufweist, daß die Leiterstruktur eine Eintypen-Struktur bleibt in einer ersten, zu den Schichten senkrechten Richtung und einer zweiten, zu der Ebene der Schichten parallelen Richtung.

14. Herstellungsverfahren eines Modulators nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

A) Erzeugen der unteren Elektrode (6) unterhalb der Unterschicht (12) in Substratnähe,

B) aufeinanderfolgende Abscheidungen der Unterschicht (12), der leitenden Schicht (14, 14a, 14b) und der Oberschicht (18),

C) Ätzen der leitenden Schicht und/oder der Oberschicht, um wenigstens den Mikroleiter (16, 16a, 16b) zu bilden.

D) Ätzen der Oberschicht, um die Vertiefung (20) wenigstens teilweise zu bilden,

E) aufeinanderfolgende Abscheidungen des aktiven Materials (26) und der Einschließungsschicht (28) auf der Gesamtheit der in D erhaltenen Struktur,

F) Erzeugen der oberen Elektrode (30) gegenüber der Vertiefung.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die leitenden Schicht ätzt, um der unteren Elektrode gegenüber eine Vertiefung (19, 19a, 19b) zu formen, die einen Teil der genannten Vertiefung bildet.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Erzeugen der unteren Elektrode eine Pufferschicht (4) auf dem Substrat abscheidet.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem unteren Teil der Vertiefung ein komplementäres Material abscheidet, ehe man den Schritt D ausführt, wobei dieses Material einen höheren Brechungsindex aufweist als die leitende Schicht und das aktive Material.