DE3785105T2

DE3785105T2 - Optischer Monomod-Wellenleiter.

Info

Publication number: DE3785105T2
Application number: DE87306341T
Authority: DE
Inventors: Kaname Jinguji; Masao Kawachi; Katsunari Okamoto; Norio Takato; Mitsuho Yasu
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1986-07-28
Filing date: 1987-07-17
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2007-07-18
Also published as: CA1294161C; EP0255270A2; DE3785105D1; US4781424A; EP0255270B1; EP0255270A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Monomod- Wellenleiter von der Art, bei dem ein Glaskernbereich in einer Deckschicht, welche auf ein Substrats aufgebracht ist, eingebettet ist.
Bei einem optischen Monomod-Quarzglaswellenleiter, der auf einem Quarzglas-Substrat oder einem Siliziumsubstrat hergestellt werden kann, hat dessen Querschnitt eine Größe, die mit etwa 5 bis 10 um bestimmt werden kann, so daß sie der einer herkömmlichen optischen Monomod-Faser entspricht, so daß der optische Monomod-Quarzglaswellenleiter als Mittel zur Realisierung praktischer Komponententeile der Wellenleiterart sein soll, der eine exzellente Paßcharakteristik mit einer optischen Faser hat.
Der optische Wellenleiter der beschriebenen Art ist im einzelnen in Electronics Letters, 24 Oct. 1985, Vol. 21, No. 20, pp. 1020-1021, "HIGH SILICA SINGLE-MODE OPTICAL REFLECTION BENDING AND INTERSECTING WAVEGUIDES" oder in Electronics Letters, 13 March 1986, Vol. 22, No. 6, pp. 321-322, "LOW-LOSS HIGH-SILICA SINGLE MODE CHANNEL WAVEGUIDES" offenbart.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines herkömmlichen optischen Monomod-Quarzglaswellenleiters zeigt. Bezugsziffer 1 bezeichnet ein Quarzglas-Substrat; 2 einen Quarzglas-Kernbereich und 3 eine Quarzglas-Deckschicht, die den Kernbereich 2 umgibt. Die Querschnittsgroße des Kernbereichs beträgt etwa 10 um. Die Dicke der Deckschicht 3 beträgt einige 10 um. Die Dicke des Substrats 1 liegt in der Größenordnung von 2 mm. Solch ein optischer Monomod- Quarzglaswellenleiter kann durch eine Kombination einer Beschichtungstechnik zum Aufbringen eines Glasfilms durch Flammenhydrolyse von Rohmaterialgasen wie SiCl&sub4;, TiCl&sub4; oder desgleichen und einer reaktiven Ionenätztechnik hergestellt werden. Beispielsweise wird auf MICROOPTICS NEWS, 1986, 4/15, Vol. 4, No. 2, pp. 33(108)-38(113), "Microlithography of High- Silica Channel Optical Waveguides" Bezug genommen.
Bei einem optischen Monomod-Quarzglaswellenleiter der in Fig. 1 gezeigten Art werden aufgrund der Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Deckschicht 2 und dem Quarzglas-Substrat Zugspannungen auf die Innenseite der Filmoberfläche der Deckschicht 2 übertragen. Das heißt, daß eine belastungsinduzierte Doppelbrechung hervorgebracht wird, und im allgemeinen liegt ein Wert der belastungsinduzierten Doppelbrechung B in der Größenordnung von 10&supmin;&sup5;.
Die Doppelbrechung in einem optischen Wellenleiter ist einer von wichtigen Faktoren, der die Funktionsfähigkeit eines optischen Komponententeils der Wellenleiterart bestimmt, so daß es erwünscht ist, daß der Wert einer Doppelbrechung mit einem hohen Genauigkeitsgrad gesteuert wird. Es gibt jedoch bei einem herkömmlichen Monomod-Quarzglaswellenleiter keine Möglichkeit, den Wert einer Doppelbrechung zu variieren oder zu steuern, außer die Glaszusammensetzungen oder die Substratarten zu verändern. Hinzu kommt, daß die Richtungen der Hauptspannungsachsen auf die Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats und auf die Richtung senkrecht hierzu beschränkt sind. Außerdem ist es schwierig, lokale Doppelbrechungseigenschaften in den optischen Wellenleitern zu variieren. Daher stellen diese Probleme Hindernisse bei der Herstellung einer optischen Komponente der Wellenleiterart dar, welche einen hohen Funktionsgrad aufweist.
In einigen Fällen wird anstelle von Quarzglas Silizium als Substrat 1 verwendet. In diesem Fall beträgt die Querschnittsgröße des Kernbereichs 2 auch im Fall eines Siliziumsubstrats etwa 10 um. Die Dicke der Deckschicht 3 liegt in der Größenordnung von 50 um. Die Dicke des Siliziumsubstrats liegt in der Größenordnung von 0,4 bis 1 mm.
Im Fall eines optischen Monomod-Quarzglaswellenleiters, der auf einem Siliziumsubstrat hergestellt ist, wird bedingt durch die Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Quarzglas und dem Siliziumsubstrat eine starke Druckbelastung in der Größenordnung von 15 kg/mm² an der Innenseite der Glasfilmoberfläche aufgebracht, so daß der optische Wellenleiter eine belastungsinduzierte Doppelbrechung aufweist.
Die Doppelbrechung eines optischen Wellenleiters ist einer der wichtigen Faktoren, der die Funktion eines optischen Komponententeils von der Wellenleiterart bestimmt. Daher ist erwünscht, daß die Doppelbrechung mit einem hohen Genauigkeitsgrad gesteuert wird. Im allgemeinen liegt der Wert der Doppelbrechung im Bereich von 10&supmin;&sup4;, so daß es schwierig ist, negative Effekte der Belastung von dem Siliziumsubstrat zu beseitigen. Dieses Problem stellt ein Hindernis bei der Herstellung einer optischen Komponente der Wellenleiterart dar.
Weiterhin ist es im Fall eines in Fig. 1 gezeigten Aufbaus, bei dem ein Kernbereich 2, welcher einen Hauptkörper eines optischen Wellenleiters bildet, über eine Deckschicht 3 in direkten Kontakt mit einem Siliziumsubstrat 1 gebracht ist, völlig unmöglich, den Hauptkörper des optischen Wellenleiters auf dem Substrat mechanisch zu bewegen. Dieses Problem stellt ebenfalls ein Hindernis dar, wenn eine Mehrzahl von Funktionen durch einen optischen Wellenleiter verwirklicht werden kann.
Was den Aufbau einer optischen Faser angeht, ist inzwischen beispielsweise im Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-1, No. 1, March 1983, pp. 38-43, "Fabrication of Polarization- Maintaining and Absorption-Reducing Fibers", eine optische Faser offenbart, die die Polarisationseigenschaften beibehält, indem ein Belastungsaufbringungsbereich, welcher einen Kernbereich in einer Deckschicht umgibt, vorgesehen ist. In der optischen Faser ist es jedoch unmöglich, eine Spannung in der Längsrichtung des Wellenleiters lokal einzustellen.
Ein Aufbau, der ähnlich wie der in dem zuvor erwähnten Artikel offenbarte ist, ist ebenfalls in der EP-A-0 061 901 offenbart. In dieser Druckschrift kann die Spannung in Längsrichtung des Wellenleiters wiederum nicht lokal eingestellt werden.
Bei einem optischen Kreis, der in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 196,204/1982 offenbart ist, wird die Belastungs-Doppelbrechung eingestellt, indem die Breite eines Stegs bei einem optischen YIG-Wellenleiter (Stegtyp) auf einem GGG-Substrat verändert wird, um eine übertragungsphasenkonstante einer TE-Welle mit der einer TM- Welle zusammenfallen zu lassen. Wenn jedoch die Stegbreite verändert wird, wird der Aufbau des Kernbereichs verändert, so daß die Fleckgröße des übertragenen Lichts ebenfalls variiert wird. Das heißt, daß die Doppelbrechung nicht unabhängig von dem Kernaufbau eingestellt werden kann.
Die offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 4,022/1982 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer belastungsinduzierten Doppelbrechung bei einem optischen Wellenleiter des Stegtyps, in dem ein dielektrischer Film (SiO&sub2;-Film) auf einem optischen YIG-Wellenleiter des Stegtyps aufgebracht wird. Wenn jedoch der dielektrische Film auf den optischen Wellenleiter des Stegtyps aufgebracht wird, wird nicht nur die belastungsinduzierte Doppelbrechung, sondern auch der Aufbau des Kernbereichs selbst wesentlich verändert. Daher kann im Fall der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 196,204/1982 die Doppelbrechung nicht unabhängig von dem Aufbau des Kernbereichs eingestellt werden.
Ein Auszug der JP-A-57-155518 offenbart ein Beispiel, bei dem der periodische Belastungseinstellbereich (SiO&sub2;-Streifen) so vorgesehen ist, daß er den Lithium-Niobat-Wellenleiter kreuzt. Der Belastungseinstellbereich hat eine Neigung λ, so daß eine Gitterwellenzahlkomponente 2π/λ derart erzeugt wird, daß einer Modusumwandlungsbedingung βE-βM 2π/λ zwischen den Modi TE und TM genügt wird. Somit ist es in dieser Druckschrift wesentlich, daß der Belastungseinstellbereich eine schräge Form oder eine periodische Form hat, die den Wellenleiter kreuzt.
Entsprechend kann dieser Belastungseinstellbereich nicht verwendet werden, um eine Doppelbrechung eines optischen Wellenleiters an sich einzustellen.
In Anbetracht des zuvor Erläuterten ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Monomod- Quarzglaswellenleiter anzugeben, der die zuvor erläuterten Hindernisse und Beschränkungen überwindet, um die Doppelbrechung flexibler zu steuern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optischen Monomod-Quarzglaswellenleiter anzugeben, bei dem die Polarisationseigenschaften entlang des optischen Wellenleiters lokal gesteuert werden können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optischen Monomod-Quarzglaswellenleiter anzugeben, der die zuvor erläuterten aufgrund eines Siliziumsubstrat bestehenden Hindernisse und Beschränkungen überwindet, so daß die Doppelbrechung lokal beseitigt werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Quarzglaswellenleiter anzugeben, der auf einem Siliziumsubstrat so hergestellt ist, daß ein Teil des optischen Wellenleiters relativ zu dem Siliziumsubstrat lokal verschoben werden kann, so daß der optische Wellenleiter verschiedene Funktionen, wie sie zuvor beschrieben worden sind, verwirklichen kann.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Wellenleiter anzugeben, bei dem die Doppelbrechung eingestellt werden kann, indem einem Belastung, die an dem optischen Wellenleiter anzulegen ist, eingestellt wird.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Wellenleiter anzugeben, bei dem ein Belastungseinstellbereich in einem Teil der Deckschicht unabhängig von einem Aufbau eines Kernbereichs vorgesehen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Quarzglaswellenleiter vorgesehen, zu dem gehören:
ein Substrat mit einer ebenen Obenfläche;
eine an der Oberfläche ausgebildete Deckschicht;
ein Quarzglaskernbereich, der in der Deckschicht ausgebildet ist und sich in diese in einer Längsrichtung hinein erstreckt,
wobei der Kernbereich aufgrund einer Differenz in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Deckschicht und dem Substrat einer belastungsinduzierten Doppelbrechung von dem Substrat ausgesetzt ist;
gekennzeichnet durch
eine Belastungseinstelleinrichtung zur Einstellung der Spannung und damit der belastungsinduzierten Doppelbrechung in dem Kernbereich; wobei die Belastungseinstelleinrichtung lokal in der Nähe des Kernbereichs angeordnet und sich in Längsrichtung und lokal in Richtung des Kernbereichs erstreckt; wobei die Belastungseinstelleinrichtung entweder
- mindestens ein längliches Element, welches in der Deckschicht lokal entlang des Kernbereichs eingebettet ist, wobei dieses mindestens eine längliche Element in dem Kernbereich zusätzlich zu der Belastung, die von dem Substrat induziert wird, eine lokale Belastung erzeugt, oder alternativ
- mindestens eine längliche Nut, die in der Deckschicht oder in der Deckschicht und dem danebenliegenden Substrat lokal entlang des Kernbereichs ausgebildet ist, wobei die mindestens eine längliche Nut die in dem Kernbereich vorliegende Belastung verringert, aufweist.
Das Element kann ein längliches Element sein, das in der Deckschicht eingebettet ist, und kann aus einem Material bestehen, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, welcher sich von dem der Deckschicht unterscheidet.
Das Material kann aus einer Gruppe, bestehend aus Silizium, Siliziumnitrid und B&sub2;O&sub3; dotiertem Quarzglas ausgewählt werden.
Ein Substrat kann aus einem Quarzglas oder einem Siliziumsubstrat zusammengesetzt sein.
Die Nut kann nur in der Deckschicht ausgebildet sein.
Die Nut kann eine solche Tiefe haben, daß der Boden der Nut die Innenseite der Hauptoberfläche des Substrats erreicht.
Ein Teil des optischen Wellenleiters, der durch den Kernbereich definiert ist, welcher von der Deckschicht umgeben ist, kann von der Hauptoberfläche des Substrats getrennt sein.
Ein Teil der Deckschicht, der einem Teil des optischen Wellenleiters entspricht, kann entfernt sein, um mindestens ein Paar von Nuten zu bilden, und ein Bereich des Quarzglas- Substrats, der dem Bereich des optischen Wellenleiters entspricht, kann entfernt sein, um eine Ausnehmung zu bilden, welche mit dem mindestens eine Paar von Nuten in Verbindung steht.
Eine Mehrzahl von Paaren von Nuten können durch Brückenanordnungen in der Ausnehmung in Längsrichtung des Kernbereichs vorgesehen sein.
Ein Teil der Deckschicht, der einem Teil des optischen Wellenleiters entspricht, kann entfernt sein, um eine Mehrzahl von Nuten in Längsrichtung des Kernbereichs zu bilden, und ein Teil des Siliziumsubstrats, der einem Teil des optischen Wellenleiters entspricht, kann entfernt sein, um eine Mehrzahl von Ausnehmungen zu bilden, die mit der Mehrzahl von Paaren von Nuten in Längsrichtung des Kernbereichs jeweils in Verbindung stehen.
Ein Teil des Bereichs des optischen Wellenleiters, der einem Ende des mindestens einen Paares von Nuten entspricht, kann ausgeschnitten sein, um eine Trennut zu bilden, welche mit der Ausnehmung und dem mindestens einen Paar von Nuten in Verbindung steht.
Das Substrat kann ein Siliziumsubstrat sein, und die Ausnehmung kann gebildet werden, indem ein Ätzverfahren durch das mindestens eine Paar von Nuten ausgewählt wird.
Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin ein Mach-Zehnder- Interferometer der Wellenleiterart an, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zu ihm gehören:
zwei Optikkoppler;
zwei optische Wellenleiter, die unterschiedliche Längen haben und eine belastungsinduzierte Doppelbrechung vorbringen, wobei die beiden optischen Wellenleiter die beiden optischen Koppler jeweils miteinander koppeln;
wobei mindestens einer der optischen Wellenleiter ein optischer Quarzglaswellenleiter gemäß Anspruch 1 ist, der Belastungsabbaunuten aufweist, die so angeordnet sind, daß eine Differenz in Werten, die durch Linienintegration eines Doppelbrechungswerts bezüglich eines jeden der optischen Wellenleiter zwischen den beiden Optikkopplern im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Lichts ist.
Hier kann jeder der optischen Wellenleiter ein optischer Monomod-Wellenleiter sein, zu dem ein Siliziumsubstrat, eine auf das Siliziumsubstrat aufgebrachte Quarzglas-Deckschicht und ein in der Deckschicht eingebetteter Kernbereich gehören, und die Belastungsabbaunut kann entlang des Kernbereichs vorgesehen sein.
Ein Phasenschieber zur Änderung einer effektiven optischen Weglänge eines der beiden optischen Wellenleiter kann an dem besagten einen der beiden optischen Wellenleiter vorgesehen sein.
Der Phasenschieber kann einen Dünnfilmheizkörper aufweisen.
Der Phasenschieber und die Belastungsabbaunuten können entlang des gleichen oder unterschiedlicher optischer Wellenleiter angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin eine optische Phasenplatte der Wellenleiterart an mit:
einem optischen Monomod-Quarzglaswellenleiter gemäß Anspruch 1,
wobei mindestens ein Belastungseinstellelement über eine bestimmte Länge in mindestens einem Bereich der Deckschicht entlang des Kernbereichs derart angeordnet ist, daß die Hauptdoppelbrechungsachsen des optischen Wellenleiters gegenüber der Richtung senkrecht oder parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats geneigt sind.
Das Substrat kann ein Siliziumsubstrat sein, und der optische Monomod-Wellenleiter kann ein optischer Monomod- Siliziumwellenleiter sein.
Eine Mehrzahl von Belastungsabbaunuten können sequentiell entlang des Kernbereichs und abwechselnd auf beiden Seiten des Kernbereichs vorgesehen sein.
Ein Abstand zwischen der Belastungsabbaunut und dem Kernbereich kann in Längsrichtung des Kernbereichs verändert sein.
Eine Tiefe der Belastungsabbaunut kann gleich oder kleiner als die Dicke der Deckschicht sein.
Das vorstehend Gesagte und andere Ziele, Effekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen optischen Quarzglaswellenleiters zeigt;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines optischen Quarzglaswellenleiters;
Fig. 3 ist ein erläuterndes Schema zur Erläuterung einer Spannungsverteilung in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform;
Fig. 4A bis 4E sind Schnittansichten, die eine Ausführungsform von Herstellungsschritten für die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform eines optischen Wellenleiters zeigen;
Fig. 5 bis 8 sind Schnittansichten, die andere Ausführungsformen zeigen;
Fig. 9A und 9B sind eine Draufsicht bzw. eine vergrößerte Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer optischen Phasenplatte der Wellenleiterart zeigen, die mit einem optischen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung herstellt ist;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die eine weitere Ausführungsform eines optischen Quarzglaswellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11 stellt eine vorhergesagte charakteristische Kurve von Doppelbrechungswerten dar, die durch ein Finite Elemente Verfahren erzielt wurden;
Fig. 12A bis 12D sind Schnittansichten, die eine Ausführungsform Herstellungsschritten für den in Fig. 10 gezeigten optischen Wellenleiter zeigen;
Fig. 13, 14 und 15A bis 15E sind Schnittansichten, die weitere Ausführungsformen eines optischen Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 16 ist eine Draufsicht, die eine weitere Ausführungsform eines optischen Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 17A und 17B sind perspektivische Ansichten, die weitere Ausführungsformen eines optischen Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 18A ist eine Draufsicht, die eine weitere Ausführungsform eines optischen Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 18B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 18A;
Fig. 19A und 19B sind eine Draufsicht und eine teilweise vergrößerte Draufsicht, die einen optischen Frequenzmultiplexkreis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 20A ist eine Draufsicht, die eine Modifizierung hiervon zeigt;
Fig. 20B ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C' in Fig. 20A;
Fig. 21A ist eine Draufsicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 21B ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C' in Fig. 21A;
Fig. 22A ist eine Draufsicht, die ein herkömmliches Mach- Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart zeigt;
Fig. 22B ist eine Schnittansicht entlang der Linie D-D' in Fig. 22A;
Fig. 23A ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform eines Mach-Zehnder-Interferometers der Wellenleiterart gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 23B ist eine Schnittansicht entlang der Linie E-E' in Fig. 23A;
Fig. 24 ist eine Draufsicht, die eine Modifikation hiervon zeigt;
Fig. 25 ist ein erläuterndes Schema zur Erläuterung einer herkömmlichen optischen Phasenplatte vom Volumentyp (eine Lambda-Halbe-Platte);
Fig. 26 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer optischen Phasenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 27 ist ein erläuterndes Schema zur Erläuterung der Wirkungsweise von deren Belastungsabbaunut;
Fig. 28 und 29 sind Draufsichten, die zwei Ausführungsformen einer optischen Phasenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 30A bis 30F sind erläuternde Schemata zur Erklärung der Wirkungsweise der in Fig. 29 gezeigten optischen Phasenplatte;
Fig. 31 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform einer Belastungsabbaunut zeigt; und
Fig. 32 ist eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform einer Belastungsabbaunut zeigt.

Ausführungsform 1:

Fig. 2 ist eine Teilansicht, die eine erste Ausführungsform eines optischen Monomod-Quarzglaswellenleiters mit Belastungsaufbringungsbereichen zeigt. Ein Aufbau, bei dem eine Deckschicht 3 auf einem Quarzglas-Substrat 1 aufgebracht ist und ein Kernbereich 2 in die Deckschicht 3 eingebettet ist, ist im wesentlichen ähnlich wie der eines herkömmlichen optischen Wellenleiters, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, und Belastungsaufbringungsbereiche 4a und 4b, die beispielsweise aus Silizium bestehen, sind in der Nähe des Kernbereichs 2 angeordnet.
Fig. 3 ist ein erläuterndes Schema zur Erklärung einer Spannungsverteilung um den in Fig. 2 gezeigten Kernbereich 2 herum. Nach den Herstellungsschritten bei hohen Temperaturen, die im Einzelnen später noch erläutert werden sollen, wirken bei Raumtemperatur Zugspannungen auf den Kernbereich 2 aufgrund von Unterschieden im thermischen Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Kernbereich 2 und den Belastungsaufbringungsbereichen 4a und 4b aus Silizium. Im Fall eines optischen Wellenleiters, bei dem der Kernbereich 2 10 um·10 um groß war und die Belastungsaufbringungsbereiche 4a und 4b aus Silizium 10 um·17 um groß waren und ein Abstand zwischen dem Kernbereich 2 und den Belastungsaufbringungsbereichen 4a und 4b 12 um betrug, war die gemessene Doppelbrechung B 1,5·10&supmin;&sup4;. Dieser Wert war ungefähr fünf mal so hoch wie der B-Wert des optischen Wellenleiters, der auf dem Quarzglassubstrat 1 ohne Belastungsaufbringungsbereiche hergestellt war. Somit wurde bestätigt, daß die Belastungsaufbringungsbereiche 4a und 4b aus Silizium den B-Wert beeinflussen.
Die Fig. 4A-4E zeigen eine Ausführungsform der Schritte zur Herstellung des optischen Monomod-Quarzglaswellenleiters mit den Belastungsaufbringungsbereichen 4a und 4b der zuvor beschriebenen Art unter Bezugnahme auf Fig. 2.
Wie in Fig. 4A gezeigt ist, wird zunächst ein optischer Quarzglaswellenleiterfilm, der aus einer unteren Deckschicht 31 und einer Kernschicht 32 besteht, auf der Oberfläche des Quarzglassubstrats 1 aufgebracht. Dann wird ein unerwünschter Teil der Kernschicht 32 durch ein reaktives Ionenätzverfahren entfernt, um den Kernbereich 2 in der Form einer Rippe zu definieren, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist.
Wie in Fig. 4C dargestellt ist, wird anschließend eine Zwischendeckschicht 33 in der Weise aufgebracht, daß der Kernbereich 2 in der Zwischendeckschicht 33 eingebettet ist. Dann wird eine amorphe Siliziumschicht (a-Si) an der Oberfläche der Zwischendeckschicht 33 durch ein schnell ablaufendes Bedampfen gebildet. Als nächstes wird ein unerwünschter Teil durch ein Ätzverfahren entfernt, um die Belastungsaufbringungsbereiche 4a und 4b zu bilden.
Schließlich wird, wie in Fig. 4E gezeigt ist, eine obere Deckschicht 34 derart aufgebracht, daß die Belastungsaufbringungsbereiche 4a und 4b darin eingebettet werden. Dann wird die so laminierte Anordnung einem Wärmebehandlungsverfahren bei hohen Temperaturen (zwischen 100ºC und 1200ºC) ausgesetzt. Als Ergebnis wird a-Si in polykristallines Silizium umgewandelt, und während des Schrittes zum Abkühlen des so hergestellten optischen Wellenleiters auf Raumtemperatur wird eine belastungsinduzierte Doppelbrechung erzeugt, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.

Ausführungsformen 2 bis 5:

Die Fig. 5 bis 8 sind Teilansichten, die eine zweite Ausführungsform, eine dritte Ausführungsform, eine vierte Ausführungsform und eine fünfte Ausführungsform zeigen.
Bei der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform ist ein Belastungsaufbringungsbereich 14 oberhalb des Kernbereichs 2 innerhalb der Deckschicht 3 vorgesehen, so daß die Druckspannung auf den unteren Kernbereich 2 von dem Belastungsaufbringungsbereich 14 übertragen wird, und konsequenterweise wird ein hoher Grad von Doppelbrechung mit einem gegenüber der Doppelbrechung der ersten Ausführungsform umgekehrten Vorzeichen erzeugt.
Bei der in Fig. 6 gezeigten dritten Ausführungsform ist der Belastungsaufbringungsbereich 14 schräg oberhalb des Kernbereichs 2 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform kann eine belastungsinduzierte Doppelbrechung mit einer um 450 gegenüber der Hauptoberfläche des Substrats 1 geneigten, Hauptachse erzielt werden.
Bei der in Fig. 7 gezeigten vierten Ausführungsform werden Belastungsaufbringungsbereiche 14a und 14b auf beiden Seiten des Kernbereiches 2 durch eine Kombination eines Aufbringungsverfahrens und eines Ätzverfahrens aufgebracht.
Bei der in Fig. 8 gezeigten fünften Ausführungsform sind die Belastungsaufbringungsbereiche 14a und 14b auf beiden Seiten eines Richtungskopplers definiert, welcher aus zwei Kernbereichen 2a und 2b besteht. Bei dieser Ausführungsform hängt ein Kopplungskoeffizient des Richtungskopplers von der Polarisation ab.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen bestehen die Belastungsaufbringungsbereiche 4a, 4b, 14, 14a und 14b aus Silizium, aber es ist selbstverständlich, daß irgendein Material verwendet werden kann, sofern es nicht mit dem Quarzglas bei hohen Temperaturen reagiert und es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich von dem des es umgebenden Quarzglases unterscheidet. Beispielsweise kann Platin, Siliziumnitrid oder ähnliches verwendet werden. Weiterhin kann Glas, das in seiner Zusammensetzung von dem Quarzglas, welches den Kernbereich 2 oder die Deckschicht 3 bildet, abweicht, beispielsweise Quarzglas, das einen großen Anteil B&sub2;O&sub3; enthält und zum Beispiel durch ein CVD-Verfahren aufgebracht wird, verwendet werden. Jedoch ist es nicht bevorzugt, einen Belastungsaufbringungsbereich aus Glas zu bilden, das ein Alkalimetall enthält, da das es umgebende Quarzglas kristallisiert.
Bei den in den Fig. 4A bis 4E gezeigten Herstellungsschritten wird häufig eine a-Si Schicht als Antiätzmaske verwendet, wenn ein optischer Wellenleiterfilm durch ein reaktives Ionenätzverfahren gebildet wird, so daß in einigen Fällen nach dem Ätzschritt ein Teil der oder die ganze Antiätzmaske unentfernt belassen und in die obere Deckschicht 34 eingebettet werden kann, so daß die nicht entfernte Antiätzmaske die Belastungsaufbringungsbereiche 4a und 4b definiert.
Bisher ist das Substrat 1 als aus Quarzglas bestehend beschrieben worden, aber es ist natürlich ersichtlich, daß der Belastungsaufbringungsbereich oder die -bereiche effektiv zur Steuerung der Doppelbrechung sind, selbst wenn ein Siliziumsubstrat als Substrat 1 verwendet wird. Im Fall eines Siliziumsubstrats muß in Betracht gezogen werden, daß der optische Wellenleiter anders als bei einem Quarzglassubstrat als Vorspannungskraft einen hohen Grad von Druckspannung erhält (die einem Doppelbrechungswert in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4; entspricht)
Es ist natürlich möglich, den Belastungsaufbringungsbereich oder die -bereiche an einer gewünschten Stelle oder Stellen in Längsrichtung des optischen Wellenleiters zu positionieren.
Wie zuvor beschrieben wurde, sind in den 1. bis 5. Ausführungsformen die Belastungsaufbringungsbereiche 4a, 4b, 14, 14a und 14b neben den Kernbereichen 2, 2a und 2b innerhalb der Deckschicht 3 angeordnet, ein Grad von Doppelbrechung in dem optischen Wellenleiter kann genau gesteuert werden, indem die Position und Form des Belastungsaufbringungsbereichs verändert wird. Daher ist die vorliegende Erfindung im Fall der Herstellung eines optischen Komponententeils der optischen Wellenleiterart, das in einem optischen Sensor oder einem zusammenhängenden optischen Kommunikationssystem, bei dem die Polarisationseigenschaften der Komponente eine sehr wichtige Rolle spielen, geeignet.

Ausführungsform 6:

Die Fig. 9A und 9B zeigen eine Ausführungsform einer optischen Phasenplatte der Wellenleiterart, die durch einen optischen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Fig. 9A ist eine Draufsicht hiervon, während Fig. 9B in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 9A ist. Der Kernbereich 2 (10 um· 10 um) aus Quarzglas und die Belastungsaufbringungsbereiche 14a und 14b (10 um·10 um) aus Polysilizium sind in die Deckschicht 3 (etwa 70 um dick) aus Quarzglas eingebettet, die an der Oberfläche des Quarzglas-Substrats 1 ausgebildet ist. Die Belastungsaufbringungsbereiche 14a und 14b sind an beiden Seiten des Kernbereichs 2 angeordnet und um einen Abstand S in Diagonalrichtung von der Mitte des Kernbereichs 2 entfernt, in der die Bereiche 14a und 14b entlang des Kernbereichs 2 um eine Entfernung l auseinanderstehen.
Eine solche Anordnung kann durch eine Kombination eines Aufbringungsverfahrens und eines Ätzverfahrens hergestellt werden. Aufgrund der Belastungsaufbringungsbereiche 14a und 14b wirkt eine Zugspannung auf den Kernbereich in dessen Diagonalrichtung. Hier kann die Richtung der Hauptachse der belastungsinduzierten Doppelbrechung durch Auswahl des Abstandes S verändert werden. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Abstand S 19 um, so daß die Richtung der Hauptachse der belastungsinduzierten Doppelbrechung um 45º gegenüber der Hauptoberfläche des Substrats 1 geneigt ist. In diesem Fall liegt die Größe B der belastungsinduzierten Doppelbrechung im Bereich von 0,8·10&supmin;&sup4; und der Abstand l ist so ausgewählt, daß er der nachfolgenden Gleichung genügt:
B·l = λ/2,
wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist. Beispielsweise wird die Länge eines jeden der Belastungsaufbringungsbereiche 14a und 14b 5 mm groß, wenn λ 1,3 um beträgt. Im Ergebnis wirkt der optische Wellenleiter mit den in den Fig. 9A und 9B gezeigten Belastungsaufbringungsbereichen als Lambda-Halbe- Platte mit einer um 45º gegenüber der Hauptoberfläche des Substrats 1 geneigten optischen Achse. Wenn eine linear polarisierte TE- Welle (mit einer elektrischen Feldrichtung parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats 1) schräg zu dem Kernbereich vom linken Ende des in Fig. 9A gezeigten optischen Wellenleiters einfällt, durchläuft der Lichtstrahl den Belastungsaufbringungsbereich, der durch die Belastungsaufbringungsbereiche 14a und 14b gebildet wird, so daß die Polarisationsrichtung des Lichtstrahl um 45º·2 = 90º gedreht wird, und dann wird der Lichtstrahl von dem rechten Ende des Kernbereiches 2 als TM-Welle (mit einem elektrischen Feld, das senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats 1 steht) abgestrahlt. Somit wirkt der in den Fig. 9A und 9B gezeigte optische Wellenleiter als TE/TM-Modus-Umwandler. Hinzu kommt, daß gemäß der Art der Wertewahl von S und l verschiedene optische Phasenplatten vom Wellenleiterart wie Lambda-Halbe-Platten, Lambda-Viertel-Platten oder desgleichen mit optischen Achsen, die sich in unterschiedliche Richtungen erstrecken, verwirklicht werden können.

Ausführungsform 7:

Als nächstes wird eine Ausführungsform erläutert werden, bei der eine Belastungsabbaunut oder -nuten in der Deckschicht 3 neben dem Kernbereich 2 ausgebildet sind, um die Doppelbrechung des optischen Wellenleiters zu steuern. Die Belastungsabbaunuten können auf beiden Seiten des Kernbereichs symmetrisch zum Kernbereich angeordnet sein, oder nur eine Belastungsabbaunut kann auf einer Seite des Kernbereichs 2 angeordnet sein. Die Doppelbrechung des optischen Wellenleiters kann gesteuert werden, indem die Position, die Tiefe und die Breite der Belastungsabbaunut geeignet ausgewählt werden.
Fig. 10 stellt eine 7. Ausführungsform dar, bei der anders als bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen optischen Wellenleiter offene Nuten 5a und 5b entlang des Kernbereichs 2 auf dessen beiden Seiten symmetrisch zu dem Kernbereich 2 in der Deckschicht 3 ausgebildet sind. Die Deckschicht 3 hat eine Dicke von 50 um und besteht aus SiO&sub2;-Glas. Der Kernbereich 2 besteht aus SiO&sub2;-TiO&sub2;-Glas und hat einen Querschnitt von 8 um·8 um. Die Höhe der Mittelachse beträgt 25 um von der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 1. Die Nuten 5a und 5b haben eine Breite von 150 um und sind auf beiden Seiten des Kernbereichs 2 ausgebildet, während die Deckschicht 3a mit einer Breite W um den Kernbereich 2 belassen wird.
Fig. 11 zeigt die Abhängigkeit der relativen Doppelbrechung B/Bo (wobei Bo einen Doppelbrechungswert darstellt, wenn beide Nuten 5a und 5b nicht gebildet sind) des in Fig. 10 gezeigten Wellenleiters, die durch Analyse der Spannungsverteilung des optischen Wellenleiters erzielt wurde.
Wenn die Breite W größer wird, nähert sich der Doppelbrechungswert B des optischen Wellenleiters einem vorbestimmten Wert Bo, der hauptsächlich von der Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Quarzglas und dem Siliziumsubstrat abhängt. Wenn andererseits die Breite W kleiner wird, nimmt der Wert von B ab. Wenn beispielsweise W = 100 um, nimmt B/Bo auf fast 0,25 ab. Daher zeigt Fig. 11, daß der Doppelbrechungswert B des optischen Wellenleiters auf einen gewünschten Wert festgelegt werden kann, indem die Positionen der Nuten 5a und 5b, die durch den Parameter W repräsentiert werden, verändert werden. Es soll bemerkt werden, daß ein Doppelbrechungswert auf nahezu 0 herabgesetzt werden kann, wenn dies nötig ist.
Die Fig. 12A bis 12D zeigen eine Ausführungsform von aufeinanderfolgenden Schritten zur Herstellung des in Fig. 10 gezeigten optischen Monomod-Quarzglaswellenleiters mit Belastungsabbaunuten.
Wie in 12A gezeigt ist, wird zunächst ein optischer Quarzglaswellenleiter, der aus einer unteren Deckschicht 41 und einer Kernschicht 42 besteht, auf eine Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats 1 aufgebracht. Anschließend wird, wie in Fig. 12B gezeigt ist, ein unerwünschter Teil der Kernschicht 42 durch ein reaktives Ionenätzverfahren entfernt, um einen stegförmigen Kernbereich 2 zu bilden.
Bei dem in Fig. 12C gezeigten Schritt wird eine obere Deckschicht 43 aufgebracht, um den Kernbereich 2 darin einzubetten, so daß die Deckschicht 3 zusammen mit der unteren Deckschicht 41 gebildet ist.
Schließlich werden, wie in Fig. 12D gezeigt ist, Nuten 5a und 5b zur Verringerung der verbleibenden Spannung entlang des Kernbereichs 2 in der Deckschicht 3 durch ein reaktives Ionenätzverfahren ausgebildet. Im Ergebnis erhält man den in Fig. 10 gezeigten optischen Wellenleiter.
Ein gemessener Doppelbrechungswert B war 1,1·10&supmin;&sup4; in dem Fall, daß der optische Wellenleiter (W = 100 um) mit den in Fig. 10 gezeigten Strukturparametern hergestellt wurde.
In dem Fall eines optischen Wellenleiters, bei dem keine Nut ausgebildet war, betrug der Doppelbrechungswert Bo 4,0·10&supmin;&sup4;. Somit decken sich diese Werte, die durch praktische Messungen erzielt wurden, nahezu mit den Ergebnissen der theoretischen Analyse durch das in Fig. 11 dargestellte Finite Elemente Verfahren.
Zu der zuvor erläuterte,n Ausführungsform, bei der die Breite der Nuten 5a und 5b 150 um beträgt, sollte bemerkt werden, daß wenn die Nutenbreite größer als 100 um ist, die Abhängigkeit des Wertes B von der Nutenbreite vernachlässigbar klein ist. Manchmal kann die Nutenbreite unendlich sein. Das ist dann der Fall, wenn eine Seite einer Nut 5a oder 5b, die von dem Kernbereich entfernt ist, offen ist.

Ausführungsform 8:

Während in der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform die Nuten 5a und 5b die Oberfläche des Substrats 1 erreichen, kann eine Tiefe der Nuten 5a und 5b wie in Fig. 13 gezeigt, eingestellt werden, um einen Doppelbrechungswert B des optischen Wellenleiters zu steuern. Ein Verfahren, bei dem der Wert B gemessen wird, während die Nuten 5a und 5b durch ein reaktives Ionenätzen gebildet werden, und das Ätzverfahren unterbrochen wird, wenn ein gewünschter Doppelbrechungswert B erzielt wird, ist effektiv, um die gewünschte Doppelbrechung genau zu, erzielen.

Ausführungsform 9:

Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Belastungsabbaunut 64 nur auf einer Seite des Kernbereichs 2 ausgebildet ist. Eine Druckbelastung kann neben dem Kernbereich 2 in diagonaler Richtung erzeugt werden, wie durch die durchbrochenen Linien in Fig. 14 angedeutet ist.
Diese Ausführungsform ist effektiv, wenn es erwünscht ist, daß die Richtung der Hauptdoppelbrechungsachse des optischen Wellenleiters anders als die Richtung senkrecht oder parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats 1 ist.

Ausführungsformen 10 bis 14:

Die Querschnittsform der Belastungsabbaunut ist nicht auf eine rechteckige beschränkt, wie sie zuvor beschrieben ist, und kann wie in den Fig. 15A bis 15E variiert werden.
Nachdem die Nuten, die die Hauptoberfläche des Substrats 1 erreichen, auf beiden Seiten des Kernbereichs 2 in der Deckschicht 3 ausgebildet sind, werden in Fig. 15A die Böden der Nuten 5a und 5b weiter in den Bereich des Substrats 1 vertieft, um die Nuten 5a und 5b zu bilden, die jeweils eine Tiefe aufweisen, die tiefer als die Dicke der Deckschicht 3 ist.
Wie in Fig. 15B gezeigt ist, wird, nachdem die Nuten, die die Hauptoberfläche des Substrats 1 erreichen, gebildet sind, der optische Wellenleiter in eine nasse Ätzflüssigkeit (beispielsweise eine Mischung aus Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure) eingetaucht, so daß die gewünschten Teile des Siliziumsubstrats 1, zu denen die Bereiche direkt unterhalb der Deckschicht 3 gehören, weggeätzt werden, um die Belastungsabbaunuten 5a und 5b zu bilden. Beide in den Fig. 15A und 15B gezeigten Ausführungsformen haben einen hohen Grad von spannungsverringernder Wirkung, verglichen mit dem, optischen Wellenleiter, bei dem das Siliziumsubstrat 1 überhaupt nicht geätzt wird.
Fig. 15C zeigt einen optischen Wellenleiter, bei dem die Belastungsabbaunuten 5a und 5b durch ein nasses Ätzverfahren gebildet werden, das eine Flußsäure anstelle eines reaktiven Ionenätzverfahrens verwendet. Im Falle des Ätzens werden außer den Bereichen, in denen die Belastungsabbaunuten 5a und 5b ausgebildet sind, die Oberflächen der Deckschicht 3 durch einen Siliziumnitridfilm als eine Abdeckung, die einen Widerstand gegen das Ätzen mit einer Flußsäure hat, geschützt. Dieses Ätzverfahren ist einfacher als das reaktive Ionenätzverfahren, aber hat das Problem, daß die Ätzsteuerung ziemlich schwer ist.
Bei den in den Fig. 15D und 15E gezeigten Ausführungsformen wird ein reaktives Ionenstrahlätzverfahren verwendet, das eine Art des reaktiven Ionenätzverfahrens darstellt. Die Hauptoberfläche des Substrats 1 ist gegenüber der Richtung des Ionenstrahls zur Ausführung des Ätzens geneigt, so daß eine Belastungsabbaunut 64, die um einen Winkel gegenüber der Hauptoberfläche des Substrats 1 geneigt ist, in der Deckschicht 3 ausgebildet wird. Diese Ausführungsformen sind effektiv, wenn es erwünscht ist, daß die Richtung der Hauptdoppelbrechungsachse in den optischen Wellenleitern nicht die Richtung senkrecht oder parallel zur Hauptoberfläche des Substrats 1 sein soll.

Ausführungsform 15:

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsform 7 bis 14 sind die Belastungsabbaunuten 5a, 5b und 64 gemäß der Erfindung in einer gewünschten Position entlang des Kernbereichs 2 verteilt, wie in Fig. 16 gezeigt ist. Die in Fig. 16 gezeigte Anordnung ist insbesondere dann effektiv, wenn es erwünscht ist, die Doppelbrechungseigenschaften in dem optischen Wellenleiter lokal zu variieren.

Ausführungsform 16:

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist der Aufbau eines optischen Monomod-Wellenleiters vor der Bildung der Belastungsabbaunut derart, daß der Kernbereich 2 vollständig in der Deckschicht 3 eingebettet oder zwischengeschichtet ist, und die obere Oberfläche der Deckschicht 3 im wesentlichen flach ist. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt ist. Fig. 17B zeigt eine Ausführungsform, bei der die Belastungsabbaunuten 5a und 5b in einem optischen Monomod- Wellenleiter ausgebildet sind, bei dem der Kernbereich 2 mit einer relativ dünnen Deckschicht 13 bedeckt ist, so daß die Oberfläche der Deckschicht 13 nicht flach ist. Fig. 17A ist eine perspektivische Ansicht dieser Ausführungsform vor der Bildung der Belastungsabbaunuten, während Fig. 17B hiervon eine perspektivische Ansicht nach der Bildung der Belastungsabbaunuten 5a und 5b ist.
Die in Fig. 17B gezeigte Anordnung kann mit einem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, bei dem der Kernbereich 2 mit einer relativ dünnen Glasschicht (einige um in der Dicke) durch ein CVD- oder ein Bedampfungsverfahren in einem Schritt beschichtet wird, der dem in Fig. 4B gezeigten Schritt bei der Herstellung eines optischen Wellenleiters gemäß den aufeinanderfolgenden Schritten, wie sie in den Fig. 4A bis 4E gezeigt sind, folgt. Hier wird Bezug genommen auf A. Himeno et al., Electron Lett., Vol. 21, No. 20, pp. 1020- 1021, (1985). Fig. 17B zeigt die Belastungsabbaunuten 5a und 5b, die wie zuvor beschrieben auf beiden Seiten des Kernbereichs 2 des optischen Wellenleiters derartig ausgebildet sind, daß die Böden der Belastungsabbaunuten 5a und 5b die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats erreichen. Die belastungsinduzierte Doppelbrechungseigenschaft des Kernbereichs 2 kann gesteuert werden, indem eine Position, eine Breite, eine Länge oder desgleichen der Belastungsabbaunuten 5a und 5b geeignet eingestellt oder ausgewählt werden, wie dies in den Fällen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen erfolgte. Es ist natürlich möglich, die Belastungsabbaunut nur auf einer Seite des Kernbereichs 2 vorzusehen, so daß die Richtung der Hauptachse der Doppelbrechung variiert wird.
In den Ausführungsformen 7 bis 16 ist beschrieben worden, daß der optische Monomod-Quarzglaswellenleiter auf einem Siliziumsubstrat hergestellt wird, aber es ist natürlich möglich, die vorliegende Erfindung genauso auf einen anderen optischen Monomod-Wellenleiter anzuwenden, der aus einem anderen Material besteht, beispielsweise auf einen optischen Wellenleiter, der auf einem Substrat aus einem aus vielen Komponenten bestehenden Serienglas durch ein Ionendiffusionsverfahren hergestellt ist, solange der optische Wellenleiter von dem Substrat eine Belastung erhält.
Wie zuvor beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Belastungsabbaunut entlang des Kernbereichs des optischen Wellenleiters in vorbestimmten Bereichen von dessen Deckschicht ausgebildet, so daß ein Doppelbrechungswert des optischen Wellenleiters leicht gesteuert werden kann.
Das heißt, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Doppelbrechung nur durch die Bildung von Nuten gesteuert wird, ohne eine Zusammensetzung des Glases und eine Art des Substrates zu ändern. Hinzu kommt, daß die Doppelbrechung wahlweise nur an einer bestimmten Position entlang des optischen Wellenleiters auf dem Substrat gesteuert werden kann, und, wenn dies erforderlich ist, die Hauptspannungsachse in einer Richtung gewählt werden kann, die anders als die Richtung parallel oder senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats ist.
Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Komponente vom Wellenleiterart wie eine Lambda-Viertel-Platte, eine Lambda-Halbe-Platte, ein Polarisator, ein Richtungskoppler, ein Interferometer, ein Ringresonator oder desgleichen, der in einem zusammenhängenden optischen Kommunikationssystem oder in einem optischen Sensor, bei dem die Polarisationseigenschaften eine wichtige Rolle spielen, mit einem hohen Genauigkeitsgrad hergestellt werden.

Ausführungsform 17:

Wenn ein Siliziumsubstrat als Substrat verwendet wird, ist es möglich, einen Teil des Siliziumsubstrats beispielsweise durch ein Ätzverfahren derartig zu entfernen, daß ein Teil des optischen Wellenleiters mit einer Quarzglasdeckschicht, die auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, und einem Kernbereich, der in der Deckschicht eingebettet oder zwischengeschichtet ist, von dem Siliziumsubstrat getrennt ist.
Eine 17. Ausführungsform, die die zuvor beschriebene Anordnung aufweist, ist in den Fig. 18A und 18B gezeigt. Fig. 18A ist eine Draufsicht, während 18B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 18A ist.
Aus den Fig. 18A und 18B ist ersichtlich, daß die Deckschicht 3 auf das Siliziumsubstrat 1 aufgebracht ist und der Kernbereich 2 als Hauptkörper des optischen Wellenleiters in der Deckschicht 3 eingebettet ist. Die Nuten 5a und 5b sind auf beiden Seiten und entlang des Kernbereichs 2 derartig ausgebildet, daß die Böden der Nuten 5a und 5b die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 1 erreichen. Ein Teil des Siliziumsubstrats 1 wird durch ein chemisches Ätzverfahren durch die Nuten 5a und 5b entfernt. Somit wird ein getrennter optischer Wellenleiter 7 vorgesehen, bei dem der optische Wellenleiter, der den Kernbereich 2 enthält, von dem Siliziumsubstrat 1 in einem Bereich 6, wo das Siliziumsubstrat 1 entfernt ist, getrennt ist. Somit können negative Effekte auf den optischen Wellenleiterbereich 7 von dem Siliziumsubstrat 1 minimiert werden.
Bei der Ausführungsform der in den Fig. 18A und 18B gezeigten Art war die Deckschicht 53 Nm dick und bestand aus SiO&sub2;-Glas. Der Kernbereich 2 bestand aus SiO&sub2;-TiO&sub2;-Glas mit einem Querschnitt von 8 um·8 um und die Höhe der Mittelposition des Kernbereichs 2 von der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 1 betrug 25 um. Beide Nuten 5a und 5b waren 50 um breit und der abgetrennte optische Wellenleiterbereich 7 zwischen den Nuten 5a und 5b war 50 um in der Breite.
Die Nuten 5a und 5b wurden ausgebildet, indem vorbestimmte Teile der Deckschicht 3 durch ein reaktives Ionenätzverfahren entfernt und anschließend das Siliziumsubstrat 1 in eine isotrope Ätzflüssigkeit für Silizium etwa 10 Minuten lang eingetaucht wurde, so daß der vorbestimmte Teil 6 des Siliziumsubstrats 1 durch ein selektives Ätzverfahren entfernt wurde. Die verwendete Ätzflüssigkeit bei dieser Ausführungsform war eine Mischung aus 9 ml Flußsäure, 75 ml Salpetersäure und 30 ml Essigsäure.
Die Doppelbrechung des optischen Wellenleiters der unter Bezugnahme auf die Fig. 18A und 18B zuvor beschriebenen Art wurde durch eine Polarisationsmessung ausgewertet. Im Ergebnis war die Doppelbrechung B des entfernten optischen Wellenleiterbereichs 7, der dem Teil 6 entspricht, wo das Siliziumsubstrat 1 entfernt wurde, 10&supmin;&sup5; niedrig, was beträchtlich niedriger als ein Doppelbrechungswert B von 4·10&supmin;&sup4; in dem Bereich des Siliziumsubstrats 1, der nicht durch Ätzen entfernt war, ist. Somit wurde bestätigt, daß die Spannung verringert wird, indem der optische Wellenleiterbereich 7 von dem Siliziumsubstrat 1 getrennt wird.

Ausführungsform 18:

Die Fig. 19A und 19B zeigen eine spezifische Ausführungsform eines optischen Frequenz-Multiplex-Kreises, der die vorliegende Erfindung verkörpert und der polarisationsunempfindlich ist.
Fig. 19A ist eine Draufsicht des optischen Frequenz-Multiplex- Kreises, zu dem eine Deckschicht 26 aus SiO&sub2;, die auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, und zwei Monomod- Kernbereiche 24 und 25, die in der Deckschicht 26 eingebettet sind, gehören. Die beiden Kernbereiche 24 und 25 sind teilweise sehr eng beabstandet voneinander und verlaufen parallel zueinander, um Richtungskoppler 22 und 23 zu bilden. Die Richtungskoppler 22 und 23 haben Strukturparameter, die so ausgebildet sind, daß der Kopplungswirkungsgrad etwa 50 % beträgt. Die beiden Kernbereiche 24 und 25, die die Richtungskoppler 22 und 23 miteinander koppeln, unterscheiden sich in der Länge um ΔL. Das Siliziumsubstrat ist teilweise entfernt, um einen Ausnehmungsbereich 27 zu bilden, welcher sich entlang eines Teils des längeren Kernbereichs 24 über eine Länge erstreckt, die gleich ΔL im Siliziumsubstrat ist. Ein Wert der Doppelbrechung des abgetrennten optischen Wellenleiterbereichs 7, welcher diesem Ausnehmungsbereich 27 entspricht, ist im wesentlichen 0.
Die Länge ΔL, d. h. die Länge des Ausnehmungsbereichs 27 in dem Siliziumsubstrat (die der Länge des abgetrennten optischen Wellenleiterbereichs 7 entspricht) ist einige mm oder mehr lang. Daher ist es nötig, Beschädigungen des optischen Wellenleiterbereichs 7 zu verhindern. Daher ist, wie im vergrößerten Maßstab in Fig. 19B gezeigt ist, die den Ausnehmungsbereich 27 in dem Siliziumsubstrat darstellt, der Ausnehmungsbereich 27 in eine Mehrzahl von Bereiche von Nuten 27a und 27b unterteilt, um vorbestimmte Teile des Siliziumsubstrats, die entlang des optischen Wellenleiterbereichs 7 in dessen Längsrichtung angeordnet sind, zu entfernen. Dadurch wird der abgetrennte optische Wellenleiterbereich 27 durch eine Mehrzahl von Brückenanordnungen 28 unterstützt.
Bei dieser Ausführungsform sind die Querschnitte der Kernbereiche genauso groß wie die der ersten Ausführungsform. Jeder der unterteilten Bereiche der Nuten 27a und 27b hat eine Länge von 450 um und die Brückenanordnung 28 ist 50 um breit. Die Brückenanordnung 28 ist wiederholt in einem Intervall von 500 um vorgesehen, so daß der optische Wellenleiterbereich 7 (der Ausnehmungsbereich 27, der durch Entfernung des Siliziumsubstrats gebildet ist) mit einer gewünschten Länge gebildet wird.
Zwei Lichtsignale f&sub1; und f&sub2;, die sich in der Frequenz um Δf voneinander in dem 1,5 um Wellenlängenband unterscheiden, fallen in eine Einlaßöffnung 21a an einem Ende des Kernbereichs 24 ein und werden dann durch den Richtungskoppler 22 gleichmäßig aufgeteilt, um durch die Kernbereiche 24 bzw. 25 übertragen zu werden. Diese unterteilten Lichtsignale werden durch den Richtungskoppler 23 wieder zusammengeführt. Wenn die Länge ΔL des Bereichs 27 so ausgewählt wird, daß ΔL = C/(2n·Δf) ist, werden die optischen Signale f&sub1; und f&sub2; getrennt von den Auslaßöffnungen 21b bzw. 22b an den anderen Enden der beiden Kernbereiche 24 bzw. 25 abgeleitet.
Wenn in ähnlicher Weise zwei Lichtsignale f&sub1; und f&sub2; in eine Einlaßöffnung 22a an einem Ende des Kernbereichs 25 eintreten, werden sie getrennt voneinander von den Auslaßöffnungen 21b bzw. 22 abgeleitet. In der oben beschriebenen Gleichung stellt C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum dar und n steht für eine Brechzahl. Bei dieser Ausführungsform ist Δf = 20 GHz, so daß sich aus der oben beschriebenen Beziehung ΔL = 5,1 mm ergibt.
Wenn in dem Siliziumsubstrat kein Ausnehmungsbereich 27 ausgebildet ist, ändert sich die Differenz ΔL des optischen Wegs durch ΔL·B mit der Richtung der Polarisation des Lichtsignals, das in die Einlaßöffnung 21 einfällt. In diesem Fall hat das in Fig. 19A gezeigte Mach-Zehnder- Interferometersystem eine große Abhängigkeit von der Polarisation, so daß dort ein Fehler darin besteht, daß die Einlaßpolarisation eine lineare Polarisation sein muß, entweder eine TM- oder eine TE-Welle. Andererseits beträgt bei dieser Ausführungsform, bei der der Ausnehmungsbereich 27 in dem Substrat ausgebildet ist, der Wert B des optischen Wegs, der ΔL entspricht, im wesentlichen 0, d. h., daß ΔL·B = O, so daß das Mach-Zehnder-Interferometer in der Form eines optischen Frequenz-Multiplex-Kreises nicht von der Polarisation abhängig ist und entsprechend eine stabile Arbeitsweise unabhängig von der Richtung der Polarisation eines Einfall-Lichtsignals gewährleistet werden kann. Das heißt, daß es klar ist, daß eine optische Frequenz-Multiplex- Übertragung ohne die Verwendung einer komplizierten Polarisationsebenensteuerung ausgeführt werden kann.

Ausführungsform 19:

Während die Fig. 19B eine Ausführungsform zeigt, bei der Nuten 27a und 27b, die den Ausnehmungsbereich 27 in dem Siliziumsubstrat bilden, aus einer Mehrzahl von unterteilten Bereichen bestehen, und eine mechanische Festigkeit des optischen Wellenleiterbereichs 7, welcher von dem Siliziumsubstrat abgetrennt ist, durch die Brückenanordnung 28 aufrechterhalten wird, kann entsprechend der vorliegenden Erfindung ein weiterer Aufbau, wie er in den Fig. 20A und 20B gezeigt ist, anstelle des in Fig. 19B gezeigten Aufbaus verwendet werden.
Das heißt, die Fig. 20A und 20B zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein optischer Wellenleiterbereich von dem Siliziumsubstrat getrennt und durch das Siliziumsubstrat unterstützt wird. Fig. 20A ist eine Draufsicht hiervon, während Fig. 20B eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' in Fig. 20A darstellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 19B gezeigten Ausführungsform dadurch, daß die Breite der Brückenanordnung 28 in Fig. 20A großer als in Fig. 19B ist, so daß selbst nach dem chemischen Ätzverfahren des Siliziumsubstrats 1 Silizium teilweise unter der Brückenanordnung 28 verbleibt, um einen verbleibenden Siliziumbereich 53 zu bilden, und daß entsprechend eine Mehrzahl von Ausnehmungsbereichen 27 in Kaskadenform durch die Brückenanordnung 28 vorgesehen sind. Aufgrund der Existenz der verbleibenden Siliziumbereiche 53 wird der optische Wellenleiterbereich 7 sicher durch das Siliziumsubstrat 1 getragen, so daß die abgetrennte Anordnung unter Beibehaltung der mechanischen Festigkeit verwirklicht ist. Doppelbrechung verbleibt in dem optischen Wellenleiterbereich oberhalb der verbleibenden Siliziumbereiche 53, aber gewünschte Operationen des optischen Frequenz-Multiplex-Kreises können verwirklicht werden, indem die gesamte effektive Länge einer Mehrzahl von Ausnehmungsbereichen 27, die in dem Siliziumsubstrat 1 definiert sind, mit ΔL übereinstimmen.

Ausführungsform 20:

Fig. 21A ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 21B ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C' in Fig. 21A. Nuten 36a und 36b sind entlang beider Seiten eines SiO&sub2;-TiO&sub2;- Kernbereichs 2 ausgebildet, welcher in einer SiO&sub2;-Deckschicht 3 eingebettet ist, welche auf einem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet ist. Die gleichen Seiten (die rechten Seiten in Fig. 21A) der Nuten 36a und 36b stehen über eine längliche Nut 36C in Verbindung miteinander. Ein bestimmter Teil des Siliziumsubstrats 1 wird einem chemischen Ätzverfahren über diese Nuten 36a, 36b und 36c unterworfen, um einen Ausnehmungsbereich 37 zu bilden, in welchem das Substrat 1 weggeätzt ist. Ein abgetrennter optischer Wellenleiterbereich 38, der aus dem Kernbereich 2 und der Deckschicht 3 besteht, ist teilweise durch die längliche Nut 36C weggeschnitten, so daß der abgetrennte optische Wellenleiterbereich 38, welcher sich über den Ausnehmungsbereich 37 in dem Siliziumsubstrat 1 erstreckt, einen einseitig eingespannten Aufbau hat. Im Ergebnis kann der abgetrennte optische Wellenleiterbereich 38 in der Form eines einseitig eingespannten Hebels durch die Elastizität des optischen Wellenleiters leicht in vertikaler Richtung verschoben werden. Ein mechanischer Druck oder eine elektrostatische Kraft kann als Kraft verwendet werden, um den abgetrennten optischen Wellenleiterbereich 38 leicht zu verrücken. Somit ist diese Ausführungsform effektiv geeignet, einen optischen An-Aus-Schalter herzustellen.
Bei den Ausführungsformen 17 bis 20 wird ein bestimmter Teil des Siliziumsubstrats durch ein chemisches Ätzverfahren durch die in der Deckschicht ausgebildeten Nuten entfernt, aber ein gewünschter Bereich des Siliziumsubstrats kann von dessen Rückseite her weggeätzt werden, wodurch der optische Wellenleiteraufbau von diesen Ausführungsformen vorgesehen werden kann. Die Ätzflüssigkeit ist nicht auf eine isotrope Ätzflüssigkeit beschränkt, und ein anisotropes Ätzverfahren kann verwendet werden, das die Orientierung des Siliziumsubstrats ausnutzt. Im letzteren Fall kann eine Mischung aus Ethyldiamin und Pyrocatechin oder eine wäßrige Lösung von Kaliumhydroxyd als anisotrope Ätzflüssigkeit verwendet werden.
Bei jedem der isotropen oder anisotropen Ätzverfahren wird ein optischer Quarzglaswellenleiter leicht geätzt, wenn ein Siliziumsubstrat selektiv geätzt wird. Hier kann ein Selektionsverhältnis in der Größenordnung von 10 : 1 bis 100 : 1 erhalten werden, so daß keine Gefahr besteht, daß der Aufbau des optischen Wellenleiters beschädigt wird.
Anstelle des zuvor beschriebenen sogenannten nassen Ätzverfahrens kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch ein trockenes Ätzverfahren, welches CBrF&sub3;, SF&sub6; oder desgleichen als Ätzgas verwendet, d. h. ein Plasmaätzverfahren verwendet werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, die Bedingungen des Plasmaätzverfahrens, welches zum Unterschneiden neigt, auszuwählen, um den optischen Wellenleiterbereich von dem Siliziumsubstrat zu trennen.
Wie zuvor beschrieben wurde, ist das zuvor erläuterte Verfahren zur Ausbildung des abgetrennten optischen Wellenleiterbereichs gemäß der vorliegenden Erfindung nicht grundlegend auf die obengenannten Verfahren beschränkt, und es ist ersichtlich, daß jedes Verfahren verwendet werden kann, sofern die abgetrennten optischen Wellenleiterbereiche, die von dem Siliziumsubstrat getrennt sind, wie zuvor beschrieben hergestellt werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein bestimmter Bereich des Siliziumsubstrats durch ein selektives Ätzverfahren entfernt, um einen abgetrennten optischen Wellenleiterbereich zu definieren, welcher durch Trennung eines bestimmten Bereichs eines optischen Quarzglaswellenleiters von einem Siliziumsubstrat gebildet wird. Im Ergebnis unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem herkömmlichen optischen Quarzglaswellenleiter von der Art, bei der der gesamte optische Quarzglaswellenleiter in direktem Kontakt mit dem Siliziumsubstrat steht und sicher durch dieses getragen ist, dadurch, daß die belastungsinduzierte Doppelbrechung lokal eliminiert werden kann und der optische Wellenleiter nicht durch das Substrat beschränkt sondern lokal bewegbar ist.
Wie zuvor beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein bestimmter Teil eines optischen Quarzglaswellenleiters, welcher auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, von dem Siliziumsubstrat getrennt werden, so daß eine belastungsinduzierte Doppelbrechung eliminiert werden kann und ein Bereich des optischen Wellenleiters bewegbar gemacht werden kann. Dadurch ist die vorliegende Erfindung bemerkenswert effektiv und hilfreich bei der Herstellung einer optischen Übertragungskomponente wie einem optischen Frequenz- Multiplex-Kreis, einem optischen Schalter, oder einer optischen Komponente von einer hochleistungsfähigen Wellenleiterart, wie einem optischen Sensor.

Ausführungsform 21:

Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Mach-Zehnder- Interferometers, der einen optischen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung verkörpert, beschrieben werden.
Ein Interferometer, bei dem zwei Optikkoppler oder beispielsweise zwei Richtungskoppler miteinander durch zwei optische Wellenleiter verbunden sind, wird ein Mach-Zehnder- Interferometer genannt, welches in letzter Zeit verbreitet in einem optischen Schalter, einem optischen Sensor oder einer Wellenzusammenführungs- und -aufteilvorrichtung für eine optische Frequenz-Multiplex-Kommunikation verwendet wird. Ein solches Mach-Zehnder-Interferometer kann eingeteilt werden in (1) einen Volumentyp, (2) einen Fasertyp und (3) einen Wellenleiterart, je nach dessen Aufbau. Vom Gesichtspunkt der Verläßlichkeit, der Produktivität, der kompakten Größe, des leichten Gewichts usw. wird das Mach-Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart als am besten verwendbar angesehen.
Weiterhin kann das Mach-Zehnder-Interferometer eingeteilt werden in (a) einen symmetrischen Typ und (b) einen asymmetrischen Typ, je nach der Anordnung des optischen Wegs. Im Fall des Mach-Zehnder-Interferometers der symmetrischen Art haben zwei optische Wellenleiter, welche zwei Optikkoppler miteinander verbinden, dieselbe Länge, während im Fall des asymmetrischen Mach-Zehnder-Interferometers zwei optische Wellenleiter vorsätzlich von unterschiedlicher Länge gemacht werden.
Fig. 22A ist eine Draufsicht eines herkömmlichen asymmetrischen Interferometers der Wellenleiterart, das als ein optischer Frequenz-Trennungs-Multi/Demultiplexer für ein optisches Frequenz-Trennungs-Multiplex-Übertragungssystem bestimmt und ausgebildet ist, und Fig. 22B zeigt einen Schnitt entlang der Linie D-D' in Fig. 22A im vergrößerten Maßstab. In den Fig. 22A und 22B werden dieselben Bezugsziffern verwendet, um ähnliche Teile in Fig. 19A zu bezeichnen.
In den Fig. 22A und 22B gehören zu jedem Richtungskoppler 22 und 23, die aus Quarzglas bestehen und auf einem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet sind, zwei optische Monomod- Quarzglaswellenleiter, die eng voneinander beabstandet sind, und ein Kopplungsfaktor zwischen den beiden optischen Wellenleitern ist als etwa 50 % bestimmt. Zwei optische Wellenleiter 24 und 25, die die Richtungskoppler 22 und 23 miteinander verbinden, unterscheiden sich in ihrer Länge um Δ Bei dem Mach-Zehnder-Interferometer mit dem zuvor beschriebenen Aufbau ist es aus dem Stand der Technik gut bekannt, daß wenn eine optische Frequenz eines in die Einlaßöffnung 21 einfallenden Lichtstrahls verändert wird, ein Lichtsignal abwechselnd von den Auslaßöffnungen 21b und 22b bei einer Frequenz von
Δf = (c/2n)·(1/ΔL)
abgeleitet wird, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und n die Brechzahl des optischen Wellenleiters ist. Wenn daher beispielsweise zwei Lichtsignale f&sub1; und f&sub2;, die sich in der Frequenz um Δf = 10 GHz in dem 1,55 um- Band unterscheiden, gleichzeitig in die Einlaßöffnung 21a einfallen und ΔL = 10 mm gemäß der zuvor beschriebenen Beziehung bestimmt wird, werden die beiden Lichtsignale f&sub1; und f&sub2; getrennt voneinander von den Auslaßöffnungen 21b bzw. 22b abgeleitet. In der Praxis wird das zuvor beschriebene Frequenzintervall des Mach-Zehnder- Interferometers mit der Frequenz der Lichtsignale f&sub1; und f&sub2; synchronisiert, und ein Phasenschieber 71 in der Form eines Dünnfilmheizkörpers wird oberhalb eines optischen Wellenleiters 25 positioniert, um einen effektiven optischen Weg des Wellenleiters 25 um etwa eine Wellenlänge aufgrund des thermischen optischen Effekts zu variieren, um hierdurch ein gewünschtes Lichtsignal von einer gewünschten Auslaßöffnung abzuleiten. Das gesamte Interferometer, wie es in den Fig. 22A und 22B gezeigt ist, funktioniert als wellenkombinierende und -trennende Vorrichtung für ein optisches Frequenz-Trennungs- Multiplex- Kommunikationssystem.
Das Wellenleiter-Interferometer der zuvor beschriebenen Art hat jedoch die folgenden Probleme. Da sich das Siliziumsubstrat 1 und die darauf ausgebildeten optischen Wellenleiter 24 und 25 in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden, erhalten die optischen Wellenleiter eine Druckspannung in Richtung parallel zu dem Siliziumsubstrat 1, so daß eine Doppelbrechung durch die Druckspannung induziert wird. Entsprechend wird eine effektive Brechzahl n leicht mit der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts verändert. Daher entsteht das Problem, daß das Wellenleiter-Interferometer niemals als ein optischer Frequenz-Trennungs-Multi/Demultiplexer funktionieren wird, wenn die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts nicht entweder senkrecht (TM) oder parallel (TE) zu der Substratoberfläche bestimmt wird.
Daher gibt die vorliegende Erfindung ein Mach-Zehnder- Interferometer der Wellenleiterart an, welches im wesentlichen die mit dem herkömmlichen Interferometer der Wellenleiterart verbundenen Probleme überwinden kann und das frei von der Polarisationsrichtung eines Eingangslichtstrahls ist.
Um die zuvor aufgezeigten Probleme zu überwinden, kann als erstes in Betracht gezogen werden, die Doppelbrechung in dem optischen Wellenleiter völlig zu eliminieren, aber vom Standpunkt der derzeit zur Verfügung stehenden Herstellungstechniken ist es extrem schwierig, eine Doppelbrechung in einem optischen Wellenleiter, der auf einem ebenen Substrat ausgebildet ist, zu eliminieren. Andererseits wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Abhängigkeit des Mach-Zehnder-Interferometers von der Polarisation effektiv eliminiert, während die Existenz einer Doppelbrechung in einem optischen Wellenleiter zugelassen wird.
Wenn die Differenz in der effektiven Brechzahl zwischen einer TM-Welle mit der Polarisationsrichtung senkrecht zu dem Substrat 1 und einer TE-Welle mit einer Polarisationsrichtung parallel zu dem Substrat 1 als Doppelbrechungswert B definiert wird, wird eine polarisationsempfindliche optische Wegdifferenz R zwischen den optischen Wellenleitern 24 und 25 (Fig. 22A und 22B) durch die nachfolgende Gleichung gegeben:
R = Bdl&sub1;- Bdl&sub2; (1),
wobei l&sub1; und l&sub2; lineare Koordinaten entlang der beiden optischen Wellenleiter 24 bzw. 25 sind, und Bdl&sub1; und Bdl&sub2; jeweils linear integrierte Werte des Wertes B entlang der entsprechenden optischen Wellenleiter sind. Jede der Integrationen wird von dem Richtungskoppler 22 bis zu dem Richtungskoppler 23 vorgenommen.
Bei dieser Ausführungsform wird der Wert B lokal eingestellt, so daß R ein Vielfaches (inkl. 0) einer Wellenlänge des verwendeten Lichts ist. Das heißt, daß die Tatsache, daß die Interferenzbedingungen der TM-Welle offensichtlich mit denen der TE-Welle übereinstimmen, bei der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird, da die Differenz zwischen Vielfachen der Lichtwellenlänge λ nicht durch das Mach-Zehnder- Interferometer festgestellt werden kann. In der Praxis wird die lokale Einstellung des Wertes B durchgeführt, indem auf beiden Seiten mindestens eines optischen Wellenleiters eine Spannungseinstellungsentlastung ausgebildet wird.
Da die Ausführungsform auf den zuvor erläuterten Prinzipien basierend entworfen und gebaut ist, sind die mit dem herkömmlichen Mach-Zehnder-Interferometer verbundenen Probleme, daß die Bedingungen zur Trennung der TM-Wellen unterschiedlich zu denen zur Trennung der TE-Wellen sind, im wesentlichen überwunden. Unter denselben Bedingungen kann das Mach-Zehnder-Interferometer der vorliegenden Erfindung zum Antreiben eines Dünnfilmheizheizkörper-Phasenschiebers einen optischen Frequenz-Trennungs-Multi/Demultiplexer verwirklichen, der die gleiche Operation unabhängig von einem Polarisationszustand des einfallenden Lichts ausführt.
Fig. 23A ist eine Draufsicht eines Mach-Zehnder- Interferometers der Wellenleiterart, das auf den zuvor beschriebenen Prinzipien basiert, und Fig. 23B ist eine Schnittansicht im vergrößerten Maßstab entlang der Linie E-E' in Fig. 23A. Das Mach-Zehnder-Interferometer gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem in den Fig. 22A und 22B gezeigten Mach-Zehnder-Interferometer dadurch, daß Belastungsabbaunuten 72A und 72B auf beiden Seiten eines Teils des optischen Wellenleiters 24 ausgebildet sind, um einen Wert dem belastungsinduzierten Doppelbrechung lokal zu variieren.
Bei dieser Ausführungsform wurde eine Deckschicht 26 aus Quarzglas mit einer Dicke von 50 um auf einem Siliziumsubstrat 1 mit einer Dicke von 0,7 mm ausgebildet. Zwei Kernbereiche aus Quarzglas wurden in der Deckschicht 26 eingebettet oder zwischengeschichtet, um die optischen Wellenleiter 24 und 25 zu bilden. Die optischen Wellenleiter 24 und 25 wurden nahe zu einander derartig angeordnet, daß zwischen den optischen Wellenleitern eine Dämpfungskopplung eingerichtet werden kann, wodurch die Richtungskoppler 22 und 23 mit einem Koppelwirkungsgrad von 50 % gebildet werden.
Ein Querschnitt eines jeden der optischen Wellenleiter 24 und 25 betrug 6 um·6 um. Eine relative Brechzahldifferenz zwischen dem optischen Wellenleiter 24 oder 25 und der Deckschicht 26 betrug 0,75 %. Die gekrümmten Bereiche der optischen Wellenleiter 24 und 25 werden durch den Krümmungsradius von etwa 5 mm definiert. Die optischen Monomod-Quarzglaswellenleiter können durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt werden, bei dem ein Beschichtungsverfahren zur Aufbringung eines Glasfilms durch Flammenhydrolyse von Rohmaterialgasen wie SiCl&sub4;, TiCl&sub4; oder desgleichen mit einer reaktiven Ionenätztechnik verbunden wird. Die Belastungsabbaunuten 72a und 72b werden gebildet, indem bestimmte Bereiche der Deckschicht 26 auf beiden Seiten des Kernbereiches des optischen Wellenleiters 24 durch ein reaktives Ionenätzverfahren entfernt werden. Diese Belastungsabbaunuten 72a und 72b, die auf beiden Seiten des optischen Wellenleiters 24 gebildet sind, wirken, um eine Druckspannung, die der optische Wellenleiter 24 von dem Substrat 1 in der Breitenrichtung des optischen Wellenleiters 24 erhält, zu abzubauen. Wenn eine Länge eines Bereichs des optischen Wellenleiters, in dem die Belastungsabbaunuten 72a und 72b ausgebildet sind, l&sub1;&sub2; ist, wird eine Differenz in einem optischen Weg R zwischen den beiden optischen Wellenleitern, welcher von der Polarisationsrichtung abhängt, wie in Gleichung (1) gezeigt
R = B ΔL-(B-B*)·l&sub1;&sub2; (2)
wobei ΔL eine Differenz in der Länge zwischen den beiden optischen Wellenleitern ist und bei dieser Ausführungsform 10 mm betrug; B ein Wert der Doppelbrechung eines Bereichs des optischen Wellenleiters 24, entlang dessen keine Belastungsabbaunut ausgebildet ist, ist und B = 4·10&supmin;&sup4;; und B* ein Wert der Doppelbrechung von einem Bereich des optischen Wellenleiters 24, in dem die Belastungsabbaunuten 72a und 72b ausgebildet sind, ist. B* hängt von der Breite W (Fig. 23B) der Deckschicht ab, die zwischen den Belastungsabbaunuten 72a und 72b angeordnet ist, und W = 150 um in dieser Ausführungsform, so daß ein Doppelbrechungswert auf 50 % reduziert wird und entsprechend B* = 2·10&supmin;&sup4; ist. Im allgemeinen nimmt der Wert B* mit einer Verringerung von W ab.
Wenn eine Doppelbrechungsnatur des Interferometers so ausgelegt und gebaut ist, daß R wie zuvor beschrieben ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ ist, kann die Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts eliminiert werden. Bei dieser Ausführungsform wird l&sub1;&sub2; &sim; 12,3 mm bestimmt, wenn B &sim; 4·10&supmin;&sup4;; B* &sim; 2·10&supmin;&sup4; und ΔL &sim; 10 mm = 10&sup4; um. Dann beträgt nach Gleichung (2) R &sim; 1,55 um; das heißt, daß R so eingestellt werden kann, daß es einmal so groß wie die verwendete optische Wellenlänge ist.
Es wurde tatsächlich bestätigt, daß das Mach-Zehnder- Interferometer, das mit den zuvor beschriebenen Werten ausgelegt und entsprechend gebaut wurde, als optischer Frequenz-Trennungs-Multi-/Demultiplexer in stabiler Weise unabhängig von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts funktioniert.
Es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebene Kombination von B* und l&sub1;&sub2; beschränkt ist, und daß es möglich ist, verschiedene Kombinationen zu verwenden, solange der Gleichung (1) oder (2) genügt wird. Wenn beispielsweise W 90 um beträgt, ist B* &sim; 1·10&supmin;&sup4;. Wenn in diesem Fall l&sub1;&sub2; &sim; 13,3 mm beträgt, wird R &sim; 0 erzielt. Das heißt, daß es möglich ist, R als das 0-fache der Wellenlänge des verwendeten Lichts einzustellen, so daß die Abhängigkeit von einer Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts eliminiert ist.

Ausführungsform 22:

Fig. 24 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Mach-Zehnder- Interferometers, das optische Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung verkörpert. Wie im Fall der Ausführungsform 21 koppeln die optischen Monomod- Quarzglaswellenleiter 24 und 25, welche auf dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet sind, die Richtungskoppler 22 und 23, so daß ein asymmetrisches Mach-Zehnder-Interferometer vorliegt (bei dem eine Differenz im optischen Weg ΔL = 5 mm beträgt). Anders als bei der Ausführungsform 21 sind die Belastungsabbaunuten 72a und 72b auf beiden Seiten eines Bereichs des kürzeren optischen Wellenleiters 25 mit einer Länge von l&sub2;&sub1; vorgesehen. In diesem Fall wird der Wert R, der durch die Gleichung (1) vorgegeben ist, durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt:
R = B·ΔL + (B-B*)·l&sub2;&sub1; (3).
Wenn ΔL &sim; 5 mm, B &sim; 4·10&supmin;&sup4;, B* &sim; 2·10&supmin;&sup4; und l&sub2;&sub1; &sim; 5,5 mm, dann betragen R &sim; 3,1 um = 1,55 um·2. Das heißt, daß die Abhängigkeit des Mach-Zehnder-Interferometers von der Polarisationsrichtung eines einfallenden Lichtstrahls durch Einstellung einer Differenz im optischen Weg R auf einen Wert, der das Zweifache der Wellenlänge von 1,55 um beträgt, im wesentlichen eliminiert wurde.
In beiden Ausführungsformen 21 und 22 ist der Dünnfilmheizkörper- Phasenschieber 71 vorgesehen, um eine Differenz ΔL im optischen Weg zwischen den beiden optischen Wellenleitern um etwa eine Wellenlänge entsprechend der Frequenz eines Lichtsignals zu variieren, so daß eine Frequenztrennung des Mach-Zehnder-Interferometers mit zwei Frequenzen von Lichtsignalen synchronisiert wird. Dadurch kann anstelle des optischen Wellenleiters 25 der Phasenschieber 71 auf dem optischen Wellenleiter 24 angeordnet werden.
Die Funktionsweise des dünnen Dünnfilmheizkörper- Phasenschiebers 71 basiert auf dem Prinzip eines thermooptischen Effekts und seine Phasenschiebefunktion ist isotrop. Das heißt, daß der Phasenschieber 71 sowohl TE- als auch TM-Wellen in im wesentlichen gleicher Art beeinflußt, so daß nicht das Problem auftritt, daß die Polarisationsempfindlichkeit in dem Phasenschieber ?1 auftritt.
In beiden Ausführungsformen 21 und 22 werden die Richtungskoppler 22 und 23 als ein Optikkoppler, der ein Interferometer darstellt, verwendet, aber es versteht sich, daß ein Mach-Zehnder-Interferometer, bei dem ein Y-förmiges Verzweigungs-Verbindungselement anstelle des Richtungskopplers verwendet wird, in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fällt.
Weiterhin entspricht bei den zuvor erwähnten Ausführungsformen die Tiefe der Belastungsabbaunut 72a oder 72b der Dicke der Deckschicht 26, aber es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf den zuvor beschriebenen Nutenaufbau beschränkt ist, und daß die Tiefe nicht der Dicke der Deckschicht 26 entsprechen muß. Im allgemeinen gilt, daß der Wert B* abnimmt, je tiefer die Nut wird.
Wie zuvor beschrieben wurde, wird bei den Ausführungsformen 21 und 22 der vorliegenden Erfindung ein Doppelbrechungswert von jedem der beiden optischen Monomod-Wellenleiter 24 und 25, die das Mach-Zehnder-Interferometer bilden, in einem Bereich des optischen Wellenleiters mit einer bestimmten Länge durch die Funktion der Belastungsabbaunuten 72a und 72b lokal variiert werden, so daß die Abhängigkeit des Interferometers von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts im wesentlichen eliminiert werden kann, und entsprechend die vorliegende Erfindung den Vorteil hat, daß ein Interferometer verwirklicht werden kann, welches unabhängig von einer Polarisationsrichtung in stabiler Weise arbeitet. Das heißt, daß die vorliegende Erfindung einen optischen Frequenz- Trennungs-Multiplex-Kreis oder einen optischen Sensor der Interferometerart schaffen kann, ohne zusätzliche optische Vorrichtungen, wie eine Polarisationsebenensteuerung oder desgleichen zu verwenden.

Ausführungsform 23:

Es ist möglich, den optischen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden, um eine optische Phasenschieberplatte der Wellenleiterart zur Steuerung einer Polarisationsebene eines Lichtsignals im Bereich der optischen Kommunikation oder optischen Sensoren, herzustellen. In diesem technischen Bereich der optischen Kommunikation oder der optischen Sensoren ist ein optisches Element zur Steuerung einer Polarisationsebene eines Lichtsignals verbreitet verwendet worden, welches Phasenschieberplatte wie Lambda-Viertel-Platte oder Lambda-Halbe-Platte genannt wird, und bisher ist eine Kristallplatte der Doppelbrechungsart als Phasenschieberplatte verwendet worden.
Fig. 25 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Phasenplatte, die Lambda-Halbe-Platte genannt wird. Wenn ein linear polarisierter Lichtstrahl 103 auf eine Kristallplatte 101 der Doppelbrechungsart unter einem geneigten Winkel R bezüglich der Hauptachse 102 der Doppelbrechung fällt, wird der einfallende Lichtstrahl 103 in zwei polarisierte Komponenten in Richtung der Hauptachse 102 und der Richtung senkrecht hierzu aufgesplittet, wobei eine Phase eines Lichtstrahls hinter einer Phase eines anderen Lichtstrahls zurückbleibt. Von der Kristallplatte 101 wird ein Lichtstrahl abgestrahlt, welcher aus einer Kombination der beiden Lichtstrahlen besteht und dessen Polarisation von den Polarisationszuständen der beiden Lichtstrahlen abhängt. Die Phasenverschiebung wird mit Verzögerung bezeichnet und wird durch R repräsentiert. Ein Wert von R wird durch B·l gegeben, wobei B einen Doppelbrechungswert und l eine Dicke der Phasenplatte 101 ist, und er wird im allgemeinen durch Benennung einer Wellenlängeneinheit ausgedrückt. Eine Phasenplatte, die zu einer Verzögerung von einer halben Wellenlänge λ führt, wird Lambda-Halbe-Platte genannt. Es ist Fachleuten gut bekannt, daß linear polarisiertes Licht, das auf eine Lambda-Halbe- Platte einfällt, als linear polarisiertes Licht 104, welches um einen Winkel 2R gegenüber der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls 103 geneigt ist, abgestrahlt wird.
Bei dem optischen System, wie es in Fig. 25 gezeigt ist, ist jedoch ein Linsensystem erforderlich, so daß der einfallende Lichtstrahl 103 dazu gebracht wird, senkrecht zu der Kristallplatte 101 einzufallen. Entsprechend ist es schwierig, ein optisches System mit einer darin vorhandenen Phasenplatte kompakt in der Größe zu machen. Zusätzlich tritt ein Problem auf, daß nicht gewährleistet ist, daß eine Lichtwelle in einem Abstand in stabiler Weise übertragen wird.
Andererseits sind die jüngsten technischen Entwicklungen für optische Vorrichtungen zur Verwendung in einem optischen Kommunikationssystem und einem optischen Sensor konzentriert worden, um solche optische Vorrichtungen kompakt in der Größe, hochverläßlich und dauerhaft in der Betätigung und preiswert zu machen. Dazu besteht eine starke Neigung, optische Komponenten der Wellenleiterart und optische integrierte Kreise zu konstruieren und herzustellen, die im allgemeinen auf einem optischen Wellenleiter, welcher auf einem ebenen Substrat ausgebildet ist, anstelle von sogenannten optischen Komponenten der Volumenart, bei denen ein Linsensystem und ein Prisma kombiniert sind, basieren. Insbesondere wenn eine optische Komponente an eine optische Faser angepaßt wird, wird in Betracht gezogen, daß verschiedene praktische Vorteile erzielt werden können, wenn ein optischer Quarzglaswellenleiter, welcher aus denselben Materialien wie die optische Faser besteht, als optischer Wellenleiter auf dem ebenen Substrat verwendet wird.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein Beispiel eines Aufbaus eines solchen Monomod-Quarzglaswellenleiters der zuvor beschriebenen Art. Der optische Wellenleiter ist durch das Siliziumsubstrat, die auf dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildete Deckschicht 3 und den in der Deckschicht eingebettenen oder zwischengeschichteten Kernbereich 2 gebildet. Die Dicke der Deckschicht 3 beträgt etwa 50 um und der Querschnitt des Kernbereichs 2 beträgt etwa 6 bis 12 um entsprechend eines Kerndurchmessers einer optischen Monomodfaser. In diesem optischen Wellenleiter wird ein Lichtsignal innerhalb des Kernbereichs 2 eingeschlossen und über das Siliziumsubstrat 1 ausgebreitet, so daß es möglich ist, Optikkreisfunktionen wie Verzweigung und Verbindung eines Lichtstrahls zu erzielen, wenn ein Aufbau des optischen Wellenleiters geeignet gewählt wird.
Bei dem optischen Wellenleiter, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, wird aufgrund einer Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem optischen Quarzglaswellenleiter und dem Siliziumsubstrat 1 eine Druckbelastung in dem Kernbereich parallel zu der Richtung der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 1 erzeugt, so daß der optische Wellenleiter eine Doppelbrechung aufgrund des optoelastischen Effekts vorbringt. Es ist Fachleuten gut bekannt, daß bei dem optischen Wellenleiter der zuvor beschriebenen Art zwei Richtungen der Hauptdoppelbrechungsachsen existieren, d. h. eine in der Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats 1 und die andere in der Richtung parallel hierzu. Ein linear polarisierter Lichtstrahl, der parallel zu den Richtungen der beiden Hauptdoppelbrechungsachsen einfällt, breitet sich über den Kernbereich 2 des optischen Wellenleiters aus, wobei die Polarisationsrichtung beibehalten wird. Im Gegensatz dazu ist es bei dem herkömmlichen optischen Wellenleiter, welcher den in Fig. 1 gezeigten Aufbau hat, schwer, die Funktion einer Lambda-Halbe-Platte zur Drehung der Polarisationsrichtung in dem optischen Wellenleiter zu haben. Der Grund hierfür ist, daß bei dem Aufbau des herkömmlichen optischen Wellenleiters die Richtungen der Doppelbrechungsachsen auf zwei Richtungen begrenzt sind; d. h. die Richtung, die senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats ist, und die Richtung, die parallel zu dieser ist.
Diese Ausführungsform gibt eine optische Phasenplatte der Wellenleiterart an, die im wesentlichen die zuvor beschriebenen Probleme durch Verwendung des optischen Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung überwindet.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Belastungsabbaunut in einem vorbestimmten Teil einer Deckschicht neben einem Kernbereich eines optischen Wellenleiters ausgebildet, so daß die Richtungen der Doppelbrechungshauptachsen gegenüber, der Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche eines Substrats und der Richtung parallel zu dieser geneigt sind, wodurch diese Ausführungsform im wesentlichen als eine Kristallplatte der Doppelbrechungsart funktioniert. Eine optische Phasenplatte gemäß dieser Ausführungsform bildet eine Phasenplatte der Wellenleiterart anstelle einer Phasenplatte der Volumenart und unterscheidet sich daher vom Stand der Technik darin, daß die Phasenplatte kontinuierlich in einem vorbestimmten Teil eines optischen Wellenleiters eingebaut werden kann.
Fig. 26 zeigt einen grundsätzlichen Aufbau der Ausführungsform 23 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die Bezugsziffer 121 ein Siliziumsubstrat; 122 einen Monomod- Quarzglaskernbereich; 123 eine Deckschicht; und 131 eine Nut, welche in der Deckschicht 123 entlang einer Seite des Kernbereichs 122 ausgebildet ist, bezeichnet.
Die Erfinder fanden heraus, daß ein Teil einer Belastung, die von dem Siliziumsubstrat 121 auf den optischen Wellenleiter aufgebracht wird, durch die Nut 131 verringert wird, so daß die Symmetrie bezüglich des Kernbereichs 122 nicht mehr erreicht wird und entsprechend die Hauptachsen 134a und 134b der Doppelbrechung verglichen mit einem optischen Wellenleiter ohne Nut um einen Winkel R geneigt sind. Daher kann der optische Wellenleiter, bei dem die Belastungsabbaunut 131 auf einer Seite von und entlang des Kernbereichs 122 vorgesehen ist, dieselben Funktionen wie die in Fig. 25 gezeigte Doppelbrechungskristallplatte erfüllen.
Der Neigungswinkel R hängt hauptsächlich von einer Dicke der Deckschicht 123, einer Höhe des Kernbereichs 122 und einem Abstand S zwischen dem Kernbereich 122 und der Belastungsabbaunut 131 ab.
Fig. 27 ist ein Beispiel einer Kurve, die das Verhältnis zwischen dem Winkel R der Hauptachse und einem Abstand S zwischen dem Kernbereich 121 und der Belastungsabbaunut 131 darstellt. Die Resultate, die durch das Finite Elemente Verfahren errechnet wurden, wurden in Fig. 27 geplottet. Hier wurde angenommen, daß die Deckschicht 123 50 um in der Dicke und die Höhe der Mitte des Kernbereichs 122 von der Hauptoberfläche des Substrats 121 25 um sein kann. Es wurde herausgefunden, daß der Winkel R der Hauptachse umso größer wird, je kleiner der Abstand S ist.
Fig. 27 stellt weiter einen Doppelbrechungswert B, das heißt die Differenz der Brechzahlen zwischen der Richtung der Hauptachse 134a und der Richtung der Hauptachse 134b, dar. In Fig. 27 ist der Wert B durch einen Doppelbrechungswert Bo normiert, welcher erzielt wird, wenn keine Belastungsabbaunut 133 vorgesehen ist; d. h. wenn S = ∞ ist. Der Wert von Bo ist entsprechend der Zusammensetzung des Quarzglases, das den optischen Wellenleiter bildet, geändert. Im allgemeinen liegt der Wert von Bo in der Größenordnung von 4·10&supmin;&sup4;.

Ausführungsform 24:

Fig. 28 ist eine Draufsicht, die diese Ausführungsform einer Lambda-Halbe-Platte, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, zeigt. Auf dem Siliziumsubstrat 122 mit einer Dicke von 0,7 mm ist eine Deckschicht 123 aus Quarzglas ausgebildet. Die Deckschicht 123 beträgt 50 um in der Dicke. Der Kernbereich 21 ist in der Deckschicht 123 eingebettet oder zwischengeschichtet, und die Belastungsabbaunut 133 ist in der Deckschicht 123 neben dem Kernbereich 122 ausgebildet. Der Querschnitt des Kernbereichs 122 war 8 um·8 um, und eine relative Brechzahldifferenz zwischen dem Kernbereich 122 und der Deckschicht 123 war 0,25 %. Der Abstand S wurde basierend auf der in Fig. 27 gezeigten Beziehung so ausgewählt, daß er etwa 35 um betrug, so daß ein Winkel R der Hauptachse 22,5º betrug. Die Breite der Belastungsabbaunut 131 lag in der Größenordnung von 200 um. Unter diesen Bedingungen wurde B/Bo = 0,63 erzielt, so daß B = 2,5·10&supmin;&sup4; war, da Bo = 4·10&supmin;&sup4; betrug, und eine Doppelbrechung, deren geneigter Winkel der Hauptachse R 22,5º war, wurde erreicht. Die Länge l der Belastungsabbaunut 131 wurde so ausgewählt, daß sie B·l/2λ genügte. Das heißt l = 2,6 mm, da die Wellenlänge λ der Wellenlänge des verwendeten Lichts 1,3 um war.
Der Aufbau des optischen Wellenleiters mit der Belastungsabbaunut der zuvor beschriebenen Art kann durch ein herkömmliches Herstellverfahren hergestellt werden, bei dem eine Glasfilmaufbringungstechnik durch Flammenhydrolyse eines glasbildenden Rohmaterials wie SiCl&sub4;, TiCl&sub4; oder desgleichen mit einem Trockenätzverfahren, von dem ein reaktives Ionenätzverfahren ein am meisten typisches Beispiel ist, kombiniert wird.
Wenn ein in einer Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats 121 linear polarisierter Lichtstrahl (TM-Welle) auf das linke Ende des Kernbereichs 122 einfiel, wurde bestätigt, daß eine Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtstrahls um 2R = 45º gedreht wurde, wenn der Lichtstrahl durch den Teil durchtrat, in dem die Belastungsabbaunut 131 vorgesehen war; das heißt dem Lambda-1/2-Plattenbereich der Wellenleiterart. Danach trat der polarisierte Lichtstrahl durch den üblichen optischen Wellenleiterbereich, in dem keine Belastungsabbaunut 131 ausgebildet war. So wurde beobachtet, daß der Lichtstrahl durch den Kernbereich 122 trat, wobei er wiederholt die Kreispolarisation und die lineare Polarisation bei einer Frequenz gleich einer durch den Doppelbrechungswert Bo bestimmten Überlagerungslänge wechselte. Es wurde damit die Tatsache bestätigt, daß der Bereich, in dem die Belastungsabbaunut 131 vorgesehen war, als Lambda-Halbe-Platte funktionierte.

Ausführungsform 25:

Fig. 29 zeigt Ausführungsform 25 der vorliegenden Erfindung, die sich von der zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 28 beschriebenen Ausführungsform 24 dadurch unterscheidet, daß zwei Belastungsabbaunuten 141 und 142 auf beiden Seiten des Kernbereichs 122 abwechselnd in dessen Längsrichtung angeordnet sind. Beide Belastungsabbaunuten 141 und 142 haben dieselben Dimensionen S und l wie die in Ausführungsform 24.
Der linear polarisierte Lichtstrahl (TM-Welle), der auf den Kernbereich 122 an dessen Eingangsende 122a trifft und der senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats 1 ist, wird zu dem linear polarisierten Lichtstrahl, dessen Polarisationsebene um 45º geneigt ist, wenn er durch den Bereich tritt, entlang dem die Belastungsabbaunut 141 vorgesehen ist. Dann wird die Polarisationsebene weiter um 45º geneigt, wenn der Lichtstrahl durch den Bereich tritt, entlang dem die Belastungsabbaunut 142 vorgesehen ist. Es wurde bestätigt, daß schließlich der Lichtstrahl (TE-Welle) parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats 121 von dem Auslaßende 122b des Kernbereichs 122 abgeleitet wurde. Andererseits wurde auch bestätigt, daß die TM-Welle von dem Auslaßende 122b abgeleitet wurde, wenn die TE-Welle auf das Einlaßende 122a einfiel. Somit wurde bestätigt, daß diese in Fig. 29 gezeigte Ausführungsform als TE/TM-Modus-Konverter arbeitet.
Das Verfahren einer solchen TE/TM-Modus-Konvertierung wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 30A bis 30F beschrieben werden, die Schnittansichten entlang der Linien I- I, II-II, III-III, IV-IV, V-V bzw. VI-VI in Fig. 29 zeigen. In den Fig. 30A bis 30F deuten die durchbrochenen Linien die Richtung der Hauptachse des optischen Wellenleiters an, und die vollen Linien mit den Pfeilen an deren beiden Enden deuten die Polarisationsrichtung an.
Der linear polarisierte Lichtstrahl (TM-Welle) fällt auf den Kernbereich 122 von dessen linkem Einlaßende 122a (Fig. 30A) ein und erreicht dann den Eingang der Belastungsabbaunut 141 (Fig. 30B), wobei der TM-Wellenmodus beibehalten wird (Fig. 30A). Der Belastungsabbaunutbereich 141 hat die Richtung der Doppelbrechungsachse, die um 22,5º gegenüber der TM-Welle geneigt ist, und die Länge der Belastungsabbaunut 141 ist so gewählt, daß die Belastungsabbaunut 141 als eine Lambda-Halbe- Platte arbeitet. Entsprechend wird die TM-Welle in den linear polarisierten Lichtstrahl, welcher um 22,5º·2 = 45º an dem Ausgang der Nut 141 geneigt ist (Fig. 30C), umgewandelt.
An dem Eingang der zweiten Belastungsabbaunut 142 (Fig. 30C) bilden der linear polarisierte Lichtstrahl und die Hauptdoppelbrechungsachse einen Winkel von 45º + 22,5º = 67,5º. An dem Ausgang der Nut 142 (Fig. 30E) ist die Polarisationsrichtung um 67,5º·2 = 135º mit Überschneidung der Hauptdoppelbrechungsachse geändert, so daß die Polarisationsrichtung um 135º-45º = 90º gegenüber der Polarisationsrichtung des in Fig. 30A gezeigten Lichtstrahls geändert ist und entsprechend die TE-Welle von dem Bereich abgeleitet wird (Fig. 30F), wie durch die Linie VI-VI in Fig. 29 angedeutet ist. Somit arbeitet diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als TE/TM-Modus-Konverter.
Während in den Ausführungsformen 23 bis 25 die Lambda-Halbe- Platten und ihre Kombinationen beschrieben wurden, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Arten von optischen Phasenplatten inkl. Lambda-Viertel-Platten oder Polarisationsebenen-Steuerungselementen durch geeignete Steuerung des Abstands S zwischen dem Kernbereich und der Belastungsabbaunut, und die Länge l und die Form der Nut angeben kann.

Ausführungsform 26:

Fig. 31 ist eine Draufsicht, die die Ausführungsform 26 der vorliegenden Erfindung zeigt. Hier bezeichnet die Bezugsziffer 151 eine Belastungsabbaunut. In dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Belastungsabbaunut 151 und dem Kernbereich 122 des optischen Wellenleiters allmählich in Längsrichtung des Kernbereichs 122 verändert. Daher steht in einem Bereich 151a der Nut 151, in dem der Abstand S größer ist, die Hauptdoppelbrechungsachse des Kernbereichs 122 senkrecht zu (oder parallel zu) der Hauptoberfläche des Substrats 121, aber gegenüber einem Bereich 151b der Nut 151, in dem der Abstand S kleiner wird, neigt sich die Hauptdoppelbrechungsachse allmählich. Wenn sich eine TM-Welle durch den Kernbereich 122 von dessen linkem Ende her ausbreitet, kann dieser Aufbau allmählich die Polarisationsrichtung drehen, wobei der sich ausbreitende Lichtstrahl in dem linear polarisierten Zustand gehalten wird. Daher kann diese Ausführungsform sehr vorteilhaft als Mittel zur Steuerung einer Polarisationsebene verwendet werden.
In diesem Fall kann die Polarisationsebene nicht einem schnellen Wechsel im Winkel R der Hauptachse folgen, und damit ist es bevorzugt, daß der Abstand von dem Bereich 151a zu dem Bereich 151b relativ länger ausgewählt wird, beispielsweise etwa 5 mm oder länger.
Wenn "ein relativ längerer Abstand" bestimmt wird, kann eine sogenannte "Überlagerungslänge Lp" eines optischen Wellenleiters als ihr Maß verwendet werden. Die Überlagerungslänge Lp, eine Lichtwellenlänge λ und ein Doppelbrechungswert B des optischen Wellenleiters haben die folgende Beziehung:
Lp = λ/B.
Wenn beispielsweise λ = 1,3 um und B = 4·10&supmin;³ sind, liegt die Überlagerungslänge Lp in der Größenordnung von 3 mm. Dies ist der Grund, warum der Abstand zwischen dem Bereich 151a und dem Bereich 151b länger als die Überlagerungslänge Lp gewählt werden muß.

Ausführungsform 27:

In jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen erreicht der Boden der Belastungsabbaunut die Hauptoberfläche des Substrats. In dieser Ausführungsform, wie sie in Fig. 32 gezeigt ist, kann die Belastungsabbaunut 161 eine Tiefe haben, die gleich einem Wert innerhalb der Dicke der Deckschicht 123 ist, so daß eine starke belastungsinduzierte Doppelbrechung von dem Eckenbereich 161a der Nut 161 erzeugt wird. Diese starke belastungsinduzierte Doppelbrechung kann verwendet werden, um die Hauptdoppelbrechungsachse des Kernbereichs 122 zu neigen.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die obigen Ausführungsformen beschrieben wurde, bei denen der optische Monomod-Quarzglaswellenleiter auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Kombination des Siliziumsubstrats und des optischen Monomod-Quarzglaswellenleiters beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auf verschiedene Arten von Substraten oder optischen Wellenleitern anwendbar, solange der optische Wellenleiter einer belastungsinduzierten Doppelbrechung von dem Substrat aus ausgesetzt ist.
Wie zuvor beschrieben wurde, sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Belastungsabbaunut oder Nuten in einem bestimmten Abstand von und entlang eines optischen Wellenleiters ausgebildet, so daß es möglich ist, die Hauptdoppelbrechungsachse des optischen Wellenleiters zu ändern, die nur in der Richtung senkrecht oder parallel zu der Hauptoberfläche eines ebenen Substrats festgelegt ist. Im Ergebnis kann die vorliegende Erfindung eine optische Phasenplatte der Wellenleiterart und ein Element zur Steuerung der Polarisationsebene angeben, die einen exzellenten Anpassungsgrad an ein optisches Komponententeil der Wellenleiterart oder einen optischen integrierten Kreis haben. Wenn eine optische Phasenplatte, die einen optischen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet, auf ein optisches Monomod-Kommunikationssystem, einen optischen Sensor oder ein optisches Informationsverarbeitungssystem angewendet wird, bei denen es im wesentlichen erforderlich ist, die Polarisation zu steuern, kann zusätzlich eine optische Vorrichtung kompakt in der Größe, hochverläßlich in der Arbeitsweise und preiswert herstellbar gemacht werden.

Claims

1. Optischer Quarzglaswellenleiter mit

einem Substrat (1) mit einer ebenen Oberfläche;

einer an der Oberfläche ausgebildeten Deckschicht (3, 26, 123);

einem Quarzglaskernbereich (2, 2a, 2b), der in der Deckschicht ausgebildet ist und sich in einer Längsrichtung innerhalb dieser erstreckt, wobei der Kernbereich wegen eines Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Deckschicht (3, 26, 123) und dem Substrat (1) einer belastungsinduzierten Doppelbrechung von dem Substrat ausgesetzt ist;

gekennzeichnet durch

Belastungseinstelleinrichtungen zur Einstellung der belastungsinduzierten Doppelbrechung in dem Kernbereich;

wobei die Belastungseinstelleinrichtungen örtlich in der Nähe des Kernbereichs angeordnet sind und sich lokal und längs der Richtung des Kernbereichs erstrecken; wobei zu den Belastungseinstelleinrichtungen jeweils gehören

- mindestens ein längliches Element (4a, 4b, 14, 14a, 14b), welches in der Deckschicht lokal entlang des Kernbereichs eingebettet ist, wobei das mindestens eine längliche Element in dem Kernbereich zusätzlich zu der Belastung, die von dem Substrat induziert wird, eine lokale Belastung erzeugt, oder alternativ

- mindestens eine längliche Nut (5a, 5b, 6, 27, 37, 64, 131, 141, 142, 151), welche in der Deckschicht oder in der Deckschicht und dem danebenliegenden Substrat lokal entlang des Kernbereichs ausgebildet ist, wobei die mindestens eine längliche Nut die in dem Kernbereich vorliegende Belastung lokal abbaut.

2. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (4a, 4b, 14, 14a, 14b) aus einem Material besteht, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich von dem der Deckschicht (3, 26, 123) unterscheidet.

3. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einer Gruppe, die aus Silizium, Siliziumnitrid und B&sub2;O&sub3;-dotiertem Quarzglas besteht, ausgewählt ist.

4. Optischer Quarzglaswellenleiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem Quarzglassubstrat besteht.

5. Optischer Quarzglaswellenleiter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem Siliziumsubstrat besteht.

6. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (5a, 5b) nur in der Deckschicht (3, 26, 123) definiert ist.

7. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (5a, 5b) eine solche Tiefe hat, daß der Boden der Nut die Innenseite der Hauptoberfläche des Substrats (1) erreicht.

8. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Quarzglassubstrat ist.

9. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Siliziumsubstrat ist.

10. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des optischen Wellenleiters, welcher durch den Kernbereich (2) dargestellt ist, der von der Deckschicht (3) umgeben ist, von der Hauptoberfläche des Substrats (3) getrennt ist.

11. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Deckschicht (3), der einem Teil des optischen Wellenleiters entspricht, entfernt ist, um mindestens ein Paar von Nuten (5a, 5b) zu bilden, und ein Teil des Quarzglassubstrats (1), der dem Teil des optischen Wellenleiters entspricht, entfernt ist, um eine Ausnehmung (6) zu bilden, welche mit dem mindestens einen Paar von Nuten (5a, 5b) in Verbindung steht.

12. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Paaren von Nuten (5a, 5b) durch Brückenanordnungen (28) in Längsrichtung des Kernbereichs in der Ausnehmung vorgesehen sind.

13. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Deckschicht (3), der einem Teil des optischen Wellenleiters entspricht, entfernt ist, um eine Mehrzahl von Nuten in Längsrichtung des Kernbereichs vorzusehen, und ein Teil des Siliziumsubstrats (1), der dem Teil des optischen Wellenleiters entspricht, entfernt ist, um eine Mehrzahl von Ausnehmungen, welche jeweils mit der Mehrzahl von Paaren von Nuten in Verbindung stehen, in Längsrichtung des Kernbereichs (2) zu bilden.

14. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Teils des optischen Wellenleiters, der einem Ende des mindestens einen Paares von Nuten (36a, 36b) entspricht, ausgeschnitten ist, um eine Trennut (36c) zu bilden, die mit der Ausnehmung (37) und dem mindestens einen Paar von Nuten (36a, 36b) in Verbindung steht.

15. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Siliziumsubstrat ist und die Ausnehmung durch ein Auswahlätzverfahren durch das mindestens eine Paar von Nuten gebildet ist.

16. Optischer Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Siliziumsubstrat ist und die Ausnehmung durch ein Auswahlätzverfahren durch das mindestens eine Paar von Nuten gebildet ist.

17. Mach-Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart, dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm gehören:

zwei Optikkoppler (22, 23);

zwei optische Wellenleiter (24, 25), die unterschiedliche Längen haben und eine belastungsinduzierte Doppelbrechung vorbringen, wobei die beiden optischen Wellenleiter (24, 25) die beiden Optikkoppler (22, 23) jeweils miteinander koppeln;

wobei mindestens einer (24) der optischen Wellenleiter ein optischer Quarzglaswellenleiter gemäß Anspruch 1 ist, der Belastungsabbaunuten (72a, 72b) hat, die so angeordnet sind, daß eine Differenz in Werten, die durch Linienintegration eines Doppelbrechungswertes bezüglich eines jeden der optischen Wellenleiter (24, 25) zwischen den beiden Optikkopplern erzielt werden, im wesentlichen gleich eines ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Lichts ist.

18. Mach-Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der optischen Wellenleiter (24, 25) ein optischer Monomod-Wellenleiter ist, zu dem ein Siliziumsubstrat (1), eine auf das Siliziumsubstrat (1) aufgebrachte Quarzglas- Deckschicht (26) und ein in der Deckschicht (26) eingebetteter Kernbereich gehören, und die Belastungsabbaunut entlang des Kernbereichs vorgesehen ist.

19. Mach-Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenschieber (71) zur Änderung einer effektiven optischen Weglänge eines der beiden optischen Wellenleiter (24, 25) an dem besagten einen der beiden optischen Wellenleiter vorgesehen ist.

20. Mach-Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Phasenschieber (71) ein Dünnfilmheizkörper gehört.

21. Mach-Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (71) und die Belastungsabbaunuten (72a, 72b) entlang desselben optischen Wellenleiters (24) vorgesehen sind.

22. Mach-Zehnder-Interferometer der Wellenleiterart nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (71) und die Belastungsabbaunuten (72a, 72b) entlang der unterschiedlichen optischen Wellenleiter vorgesehen sind.

23. Optische Phasenplatte der Wellenleiterart mit:

einem optischen Monomod-Quarzglaswellenleiter nach Anspruch 1,

wobei mindestens ein Belastungseinstellelement über eine bestimmte Länge in mindestens einem Bereich des Deckschicht (123) entlang des Kernbereichs (122) derartig vorgesehen ist, daß die Hauptdoppelbrechungsachsen des optischen Wellenleiters gegenüber der Richtung senkrecht oder parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats (121) geneigt sind.

24. Optische Phasenplatte der Wellenleiterart nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (121) ein Siliziumsubstrat ist.

25. Optische Phasenplatte der Wellenleiterart nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Belastungsabbaunuten (141, 142) aufeinanderfolgend entlang des Kernbereichs (122) und abwechselnd auf beiden Seiten des Kernbereichs (122) angeordnet sind.

26. Optische Phasenplatte der Wellenleiterart nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand zwischen der Belastungsabbaunut (141, 142) und dem Kernbereich (122) in Längsrichtung des Kernbereichs variiert ist.

27. Optische Phasenplatte der Wellenleiterart nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Belastungsabbaunut (141, 142) gleich der Dicke der Deckschicht (123) ist.

28. Optische Phasenplatte der Wellenleiterart nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Belastungsabbaunut (141, 142) kleiner als die Dicke der Deckschicht (123) ist.