Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3855
Im einzelnen ergaben genauere Untersuchungen der Gitterparameter eine breite Verteilung
der Achsenlängen der Schichten, wobei die Werte mehrheitlich zwischen dem a- und
dem c-Achsenwert des Volumenkristalls liegen. Es zeigt sich eine Verkürzung der
Gitterachsen bei Deposition mit verminderter Laserenergie oder Anwendung eines in-situ
Nachternperschrittes. Dies läßt sich vermutlich auf eine verringerte Anzahl an
Sauerstoffleerstellen in der Schicht zurückführen. Brechungsindexmessungen zeigen analog
eine starke Abhängigkeit von Laserleistung und Nachternperschritt. Die ermittelten Werte
liegen dabei alle unterhalb des ordentlichen Brechungsindex des Volumenkristalls. Die
Variation der Werte senkrecht zur Schichtebene ist jeweils größer und läßt sich
vermutlich auf die Einschränkung der Freiheit des Gitterparameters in Schichtebene durch das
Substrat zurückführen. Die Brechungsindexdispersion einer Schicht läßt sich analog zum
Volumenkristall durch Ein-Oszillator-Sellmeiergleichungen beschreiben. Dämpfungsmessungen
der optischen Propagation in den Schichten ergaben Werte bis < 2 dB / cm bei
633 nm.
In particular, a closer investigation of the lattice parameters yielded a broad distribution.
The values were mainly in between the values for the bulk crystals a-axis and c-axis.
Deposition with reduced laser power or the application of an in-situ anneal step resulted
in a reduction of the lattice parameters. This may be attributed to a reduced number
of oxygen vacancies in the film. Refractive index measurements show a corresponding
dependency on laser power or an anneal step. All measured refractive index values are
lower than the bulk ordinary index. The variations of the in-plane values are smaller in
all cases. probably due to the clamping of the in-plane axis by the substrate.
The index dispersion of a film can be described by single oscillator Sellmeier equations,
like the bulk crystal behaviour. Measurements of the optical attenuation of thin film
planar waveguides gave very good values down to < 2 dB/cm for 633 nm.
A fabrication process for phase modulators was succesfully developed. Single mode ridge
waveguides (width: 2 µm, ridge height: 50-100 nm, film thickness: 1 µm) were fabricated
by ion beam etching using an etch mask structured by photolithography.
Eckau, Arne
Optische und elektrooptische Eigenschaften von BaTiO3-Dünnschichtenwellenleitern
XI, 126 S., 2001
Die weite Verbreitung der Optokommunikation motiviert das hohe Interesse an einer
Integration photonischer Bauelemente. Voraussetzung für die Integration ist die
Entwicklung einer Dünnschichttechnologie für in der Photonik nutzbare Materialien. BaTiO3
weist eine hohe Transparenz und günstige elektrooptische Koeffizienten auf und ist
daher von großem Interesse.
Frühere Arbeiten haben gezeigt, daß sich epitaktische, einkristalline BaTiO3-Schichten
mit geringer Oberflächenrauhigkeit und vielversprechenden optischen Eigenschaften
mittels Laserablation auf MgO-Substraten herstellen lassen. In der Regel sind die so
hergestellten Schichten c-achsenorientiert, d.h. die längere c-Achse steht senkrecht zur
Schichtoberfläche. Es können aber auch durch Variation der Depositionsparameter a-achsenorientierte
Schichten produziert werden. Kernpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der
optischen und elektrooptischen Eigenschaften dieser Schichten. Die Zusammenhänge von
Schicht- und Depositionsparametern konnten teilweise aufgeklärt werden. Ein Prozeß zur
Herstellung elektrooptischer Phasenmodulatoren wurde entwickelt und elektrooptische
Modulation konnte gezeigt werden.
Für die Herstellung elektrooptischer Phasenmodulatoren wurden einmodige Rippenwellenleiter
konzipiert und ein entsprechender Herstellungsprozeß wurde entwickelt. Die
Rippenwellenleiter mit einer Breite der Rippen von 2 µm und einer Höhe von 50 -
100 nm auf Basis einer 1 µm dicken Schicht wurden mittels Photolithographie und
Ionenstrahlätzens hergestellt. Zwischen gekreuzten Polarisatoren konnten elektrooptische
Modulationskurven aufgenommen werden. Diese lassen auf eine teilweise Polung der
Schicht durch Erzeugung von a- Domänen in der c-achsenorientierten Schicht schließen.
Eine Berechnung des effektiven r51-Koeffizienten ergab Werte von 60 - 20 pm/V mit
fallender Tendenz für höhere Felder. Dies läßt sich durch die zunehmende Erzeugung
von a-Domänen durch das Feld erklären.
The growth in the field of optical communication drives the high interest in integration
of photonic devices. The development of a thin film technology of photonic materials is
a prerequisite for this integration. BaTiO3 shows high transparency and interesting
electrooptic properties. Therefore, it is a very interesting material for optical applications.
Preceding research demonstrated the possibility to produce epitaxial, single crystalline
BaTiO3 thin films on MgO by pulsed laser deposition. The films showed smooth surfaces
and promising optical properties. Usually, the films are c-axis oriented, the orientation
of the longer c-axis is perpendicular to the surface. Under modified deposition conditions
it is also possible to grow a-axis oriented films.
The main objective of this work is the analysis of the optical and electrooptical properties
of these films. The interdependencies of film and deposition parameters were studied. A
manufacturing process for electrooptic phase modulators was developed and electrooptic
modulation could be demonstrated.
With the phase modulators among crossed polarizers, modulation signals could be
measured. The corresponding plots leads to the conclusion of a partial polarization of the
films by means of creation of a-axis domains in the c-axis oriented film. The evaluation
of the modulation signals gave values for an effective r51-coefficient of 60-20 pm/V. The
decreasing values for increasing electric field may be attributed to the increasing amount
of a-domains in the waveguide generated by the field.
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